[发明专利]量化GNSS时间序列高频观测墩热膨胀信号混叠的方法

说明书

本发明公开了一种量化GNSS时间序列高频观测墩热膨胀信号混叠的方法。它包括如下步骤，步骤一：在待研究GNSS基准站附近选取观测条件一致、固定在基岩的对照站，并在基准站和对照站上分别架设同一型号的接收机和天线采集数据，构成一组仅观测墩有明显差异的GNSS短基线；步骤二：分别选择时段为24小时和4小时，计算相应时间序列X和时间序列Y；步骤三：将时间序列X内插为4小时解时间序列，记为时间序列Z；步骤四：采用MLE方法计算时间序列Y和时间序列Z低频信号的振幅、相位，并计算对应周期信号振幅差值。本发明具有能精确量化高频TEM信号混叠效应引起的虚假长周期信号的优点。

技术领域

本发明涉及非线性时间序列分析领域，更具体地说它是一种量化GNSS时间序列高频观测墩热膨胀信号混叠的方法。

背景技术

作为连续运行GNSS基准站的重要组成部分，GNSS观测墩会由于周围环境温度的周期性变化，产生规律性的热弹性位移，在GNSS坐标时间序列中表现为周期性的上下振荡，称为观测墩热膨胀(TEM)信号。TEM信号可分为低频(如周年、半周年周期)和高频部分(如周日、半周日周期)。日间太阳直射引起的观测墩表面温度升高、夜间观测墩周围环境温度降低的周期性温度变化是引起高频TEM信号的主要原因，在一些不规则结构的金属材质观测墩表现尤为明显。高频TEM信号会由于采样率不足，在当前广泛使用的GNSS天解坐标时间序列产品中产生混叠(或称为混频)效应，表现为“虚假”的长周期信号(如周年和半周年周期位移)，这不仅会在地球物理负载低阶球谐系数的估计中引入误差，而且会使坐标时间序列季节性信号的解释出现错误。精确量化GNSS天解时间序列中高频TEM信号混叠效应引起的虚假长周期信号，有助于揭示时间序列中部分非线性变化产生的物理机制，使得坐标时间序列能更准确地反应GNSS基准站的实际运动规律，提高基准站速度场及其不确定度估值的准确性。

根据周期信号的混叠理论，任一高频信号在采样率有限的情况下可能混频为低频信号，混频信号的周期与信号本身的周期和采样率有关。在时间序列领域，表现为主潮汐分量K1(周期23.93h)、P1(周期24.07h)高频信号会在GNSS天解时间序列中混频为虚假的长周期信号(周期分别为365.26天、365.24天)；K2分量(周期11.97h)会混频为周期为182.63天的信号。目前，尚未有国内外学者提出量化GNSS天解时间序列中高频观测墩热膨胀信号混叠效应的方法，其难点在于解决以下问题：一是时间序列中非线性变化的来源很多，如何将毫米级TEM信号从其他量级较大信号和噪声中有效分离；二是高频TEM信号是否会像主潮汐分量K1、K2一样混频为长周期信号，如果会，该虚假信号应如何有效提取。

因此，现亟需开发一种量化GNSS时间序列高频观测墩热膨胀信号混叠的方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种量化GNSS时间序列高频观测墩热膨胀信号混叠的方法，能精确量化高频TEM信号混叠效应引起的虚假长周期信号，有助于揭示时间序列中温度变化驱动的非线性信号机制，并进一步削弱未模型化的地球物理效应对时间序列非线性信号的影响，获取更准确、可靠的GNSS基准站三维速度场及其不确定度估值，为建立新一代顾及基准站非线性运动的地球参考框架ITRF2020提供理论支持；解决现有技术高频观测墩热膨胀信号混叠效应机制不明、难以定量确定这一问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种量化GNSS时间序列高频观测墩热膨胀信号混叠的方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：在待研究GNSS基准站附近选取观测条件一致、固定在基岩的对照站，并在待研究GNSS基准站和对照站上架设同一型号的接收机和天线采集数据，构成一组仅观测墩有明显差异的GNSS短基线；

步骤二：基于双差观测值，采用精密数据处理模型，分别选择24小时和4小时为时段长度，计算得到相应的短基线天解时间序列和4小时解时间序列；其中，短基线天解时间序列即为时间序列X；4小时解时间序列即为时间序列Y；

步骤三：采用双线性内插方法，将时间序列X内插为4小时解时间序列，记为时间序列Z；