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CGCS2000坐标框架动态特性及非线性建模方法研究

作　者: 王晓明
导　师: 成英燕
学　校: 中国测绘科学研究院
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: CGCS2000 动态特性非线性建模奇异谱分析
分类号: P226.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

20世纪90年代以来,随着空间技术的兴起和发展,地心坐标系的应用日益流行。目前利用空间技术所得到的定位与影像成果,都是以地心坐标系为参照系。空间技术的发展成熟与广泛应用迫切要求国家提供高精度、地心、动态、实用、统一的大地坐标系作为各项社会经济活动的基础性保障。为适应全球地心坐标系的发展趋势,我国也在2008年正式启用了地心坐标系-2000国家大地坐标系(China Geodetic Coordinate System,CGCS2000)。就目前来讲,我国的CGCS2000坐标系仍是基于ITRF97框架、2000历元的静态坐标系,因此并不能满足精度及实时性要求较高的许多科学研究和工程监测项目的需要,也不适应当今精密定位和导航的需求。研究CGCS2000框架站点的非线性运动特征并将其模型化,可以在一定程度上提高框架精度,这主要包括两个方面的研究。一方面,研究受各种地球物理流体负载、地球质心变化等因素引起的站点各种季节性运动,并以此建立高精度非线性模型。另一方面,地震往往会破坏坐标框架并造成站点震后的非线性运动,而且由于震后站点的运动特性往往呈现较为复杂的特点,并不存在某种单一的数学模型可以实现所有情形下的建模,因此研究通过短时间的观测资料建立站点的非线性模型是也是一个重点。本文采用的奇异谱分析(Singular Spectrum Analysis, SSA)是建立在相空间重构基础上的经验正交分解,该方法已应用于气象学领域的多种时间序列的分析中。文中在研究该方法原理的基础上,提出了SSA-IQR粗差探测和SSA-P数据预测等方法,并通过提出“伪数据法”等方法改进了SSA在数据分解时存在的诸如首尾数据相位漂移等问题。本论文的研究主要研究内容和研究成果如下。1、本文对我国CGCS2000坐标框架的建立方法进行阐述,利用全国分布的2000国家GPS控制网中进行连续复测的500多个跨度10年的站点的观测数据进行处理和分析,平差中分别采用全球参考框架点和区域性参考框架点两种不同的解算策略,对比两种处理方法得到的站点结果,对我国CGCS2000坐标框架的建立提出了相应较为浅显的思考。2、我国是地震多发国家,而地震的发生往往会在很大程度上破坏CGCS2000框架的稳定性和整体性。本文利用国际IGS测站和我国新建立的260个国内CORS站计算了日本MW9.0级地震对我国的同震位移场,然后利用国内28个基准站连续10年的观测数据计算了我国的大陆速度场,将其同本次地震引起的同震位移场相比较,以估计地震对动态框架的破坏程度。最后,选取基准站中受苏门答腊、昆仑山、汶川以及印尼等几次地震影响的部分站点,对其地震前后的线性速度进行分别计算和比对,分析地震对站点运动特性产生的影响,以此阐述建立非线性坐标框架的重要性。3、本文在GPS时间序列预处理过程中,提出了基于奇异谱分析的粗差探测方法(Singular Spectrum Analysis-Inter Quartile,SSA-IQR),同时引入缺失数据插值方法(Singular Spectrum Analysis for Missing Data, SSA-M)。两种方法都是基于改进的奇异谱分析可以通过自适应滤波的方法从不完整坐标序列中提取主要特性成分,并利用其建立模型完成粗差位置判断和缺失部分插值的基本原理。本文完成了GPS时间序列预处理软件的编制,实现了站点缺失值插补和粗差剔除的自动批处理,并利用该软件完成了国家CORS网站点的预处理工作。4、研究国家CORS站点的运动特点对于认识我国框架的动态特性,估计现有框架维持方法的精度都具有重要的意义,奇异谱分析本身的方法特点使其在时序分析中有着独特的优势。本文首先对奇异谱分析的方法进行研究,对方法本身存在的诸如分解结果存在“相位漂移”等问题提出了对应的解决方法,完善了方法本身的应用。然后利用改进的奇异谱分析方法进行了GPS时间序列的信噪分离的方法研究,结合最大熵方法(Maximum Entropy Method, MEM)、非参检验以及振荡对识别等方法提取序列中信号,实现信噪分离,并完成站点的动态特性分析。本文完成了该方法的软件编制,并利用该软件完成国家CORS网站点常态下及受地震影响后的动态特性分析,形成对应的分析报告。5、研究时间序列的预测方法,对于提高动态坐标框架的实时精度具有十分重要的意义。本文提出了基于奇异谱分析方法的时间序列预测方法SSA-P(Singular Spectrum Analysis for Prediction),模拟数据及实测数据实验都表明该方法具有较高的可靠性和精度,可以应用与时间序列预报模型的建立中。本文利用该方法完成了CGCS2000部分框架站非线性预测建模工作。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-18
  1.1 引言  12-13
  1.2 论文选题的目的及意义  13-14
  1.3 国内外研究动态  14-16
    1.3.1 坐标框架动态特性的研究现状  14-15
    1.3.2 奇异谱分析方法的研究现状  15-16
  1.4 本文工作及安排  16-18
第二章 CGCS2000坐标框架的建立和维护  18-37
  2.1 2000国家大地坐标系  18-19
  2.2 2000国家大地坐标系框架  19-20
  2.3 2000国家GPS控制网站点数据处理方法讨论  20-27
    2.3.1 数据准备与处理  21-23
    2.3.2 处理结果及分析  23-26
    2.3.3 CGCS2000坐标框架建立的思考  26-27
  2.4 地震等因素影响下的2000国家大地坐标框架的维护  27-35
    2.4.1 数据处理  29
    2.4.2 GPS测得日本地震的同震位移场及部分站点间序列  29-32
    2.4.3 地震对于GPS站点水平方向动趋势的影响  32-35
    2.4.4 CGCS2000坐标框架维护的思考  35
  2.5 本章小结  35-37
第三章奇异谱分析原理与方法  37-50
  3.1 奇异谱分析的基本原理  37-39
  3.2 基于奇异谱分析的缺失值插补及粗差探测方法  39-43
    3.2.1 SSA-M缺失值插补方法  40-41
    3.2.2 SSA-IQR粗差探测方法  41-43
  3.3 信噪分离及动态特性分析方法  43-47
    3.3.1 Kendall非参检验趋势项识别方法  43-44
    3.3.2 基于SSA的振荡项分离方法  44-46
    3.3.3 最大熵方法  46-47
  3.4 CGCS2000非线性预测模型建立方法  47-48
  3.5 本章小结  48-50
第四章 CGCS2000部分框架站的动态特性分析及非线性建模实验  50-71
  4.1 利用SSA-IQR和SSA-M进行框架站点预处理  50-57
    4.1.1 基于模拟数据的SSA-IQR和SSA-M方法验证  50-53
    4.1.2 基于GPS实测数据的SSA-IQR和SSA-M方法验证  53-56
    4.1.3 SSA-IQR和SSA-M方法的优点及可行性讨论  56-57
  4.2 基于SSA的时间序列信噪分离  57-70
    4.2.1 基于模拟数据的SSA信噪分离方法验证  57-63
    4.2.2 基于SSA的国内CORS站动态特性分析  63-67
    4.2.3 利用SSA-P方法进行CORS站的非线性建模分析  67-70
  4.3 本章小结  70-71
第五章结论与展望  71-74
  5.1 本文主要研究总结  71-72
  5.2 本文主要创新点  72
  5.3 下一步的研究计划  72-74
攻读硕士学位期间发表论文及参加项目  74-76
参考文献  76-80
致谢  80-81

CGCS2000坐标框架动态特性及非线性建模方法研究

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