基于奇异谱分析的我国CGCS2000非线性速度场构建方法研究

A linear velocity field of CGCS2000 framework does not reflect practical dynamic information of the framework, so nonlinear velocity field modeling is necessary and key technique for high-precision maintenance of CGCS2000 framework. Singular spectrum analysis (SSA) which is better than existed traditional methods will be introduced in this project. The SSA could take full advantage of the signal adaptive filtering characteristics, strong noise separation ability and signal recognition capabilities to set up the CGCS2000 velocity field. The project focus on study SSA reliable noise reduction and noise separation method; the SSA signal reconstruction method for CGCS2000 velocity field component. Considering that geophysical effects contribution to the time series has obvious regional characteristics, and the properties of decomposition of the spatial structure is closely related to temporal scales, the time dimension of GPS station coordinates time series SSA could be extended to the spatial distribution. The multi-channel singular spectrum analysis method could be used to study the spatial distribution characteristics of CGCS2000 framework time serials in three directions; The project aims to study CGCS2000 theory and methods of building the spatio-temporal velocity field model with the multi-channel SSA, in order to provide a theoretical basis and technical for high-precision maintenance of CGCS2000 framework

CGCS2000框架线性速度场无法反映实际框架点的动态信息，非线性速度场建模是CGCS2000框架高精度维护需要解决的关键问题。本项目研究采用比传统的方法更优越且对信号具有自适应滤波特性、强大的噪声分离与信号识别功能的奇异谱分析（SSA）对CGCS2000非线性运动进行分析与建模。通过研究SSA可靠的降噪和噪声分离的方法；SSA用于CGCS2000框架非线性运动分量信号重构方法；并根据地球物理效应对时间序列的贡献具有明显的地域性特征, 及分解的空间结构与时间尺度密切相关的特性，将具有时间维一维GPS站坐标时间序列SSA扩展到空间分布，用多通道奇异谱分析方法，研究探讨CGCS2000框架点序列三个方向空间分布特征；研究多通道SSA方法构建CGCS2000时空速度场模型的理论与方法，为我国CGCS2000框架高精度维护提供理论依据与技术方法。

1.1研究背景.CGCS2000框架点位置由于受各种地球物理流体负载及系统误差等的作用,存在明显的非线性变化,而目前线性速度场无法反映实际框架点的动态信息，非线性速度场建模是CGCS2000框架高精度维护需要解决的关键问题。本项目研究采用比传统的方法更优越且对信号具有自适应滤波特性、强大的噪声分离与信号识别功能的奇异谱分析（SSA）对CGCS2000非线性运动进行分析与建模。研究多通道SSA方法构建CGCS2000时空速度场模型的理论与方法，为我国CGCS2000框架高精度维护提供理论依据与技术方法。.1.2研究内容.1.基于SSA研究可靠的降噪和噪声分离的方法。重点对嵌入维数和时间延迟的选择以及对重构信号的影响进行分析；.2.研究基于奇异谱分析对CGCS2000速度场分量信号重构方法。重点研究SSA用于时间序列数据缺失及粗差探测的方法； .3.研究速度场不同N、E、U三个方向空间分布特征，利用延迟相图法从一维时间序列重构多维相空间的方法。.4.研究MSSA多通道奇异谱分析方法构建不同振荡信号所对应的时空模态的方法，形成基于多通道奇异谱分析方法构建CGCS2000时空速度场模型的理论与方法。.1.3 关键数据及重要结果.根据我国及国际IGS框架点10年的时间序列数据进行分析建模，同时对时间序列中的粗差及缺失点数据分别采用SSA结合IQR准则及SSAM方法进行处理，获得比较好的结果，同时采用SSA-P方法实现了对这些站点坐标进行预报，内插和预报的精度达毫米量级。相关结果发表在《journal of geophysical》杂志上。.1.4科学意义.高精度框架点的速度场建立是我国地心坐标系维护的关键。同时准确、可靠的地壳运动速度场的获得是地壳运动及动力学研究的基础。国家现代测绘基准体系基础设施将建设全国2600站规模的国家级卫星连续运行基准站网。本研究基于奇异谱方法(SSA)研究和构建我国地表非线性速度场模型的理论和方法，可直接为CGCS2000高精度维护提供理论依据和技术方法。相关研究成果也可为国际上框架非线性运动非线性建模提供技术方法。