Signal and noise separation in time series of DORIS station coordinates using wavelet and singular spectrum analysis

The aim of this article is to assess the noise in Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite (DORIS) stations coordinate time series in order to better apprehend the spectral content of the non-linear station motion. In the frame of this work, we have used two different approaches to assess the noise, the wavelet transform in the frequency space, and the Singular Spectrum Analysis (SSA) in the phase space. The data used are the weekly solutions of coordinate residuals of 18 stations in STCD format (solution ign09wd01), computed by Institut géographique national/Jet Propulsion Laboratory (IGN, France/JPL, USA) using the GIPSY-OASIS II software package, referred to ITRF2005 and expressed in the local geodetic reference frame. The SSA has properly identified the non-linear trends and the seasonal signals (annual and semi-annual, 120, 59 and 20.3 days) in the analysed time series. The results show that the dominant signal present in the horizontal components (North and East) is mainly of a geophysical nature (plate tectonics) with a variance over more than 90% in most cases, and the remaining noise at 120 days was reduced in the ign09wd01 solution (w.r.t. the previous ign07wd01 solution). Using the wavelet transform method, we also identify, for the CADB station, a vertical discontinuity of 13 mm on 3 June 2008. For the noise level determination, both approaches converge to the same results. The standard deviation of the noise is in the range of 7–13, 8–24 and 7–14 mm in, respectively, North, East and Vertical components. The noise level is the highest in the east direction, probably related to the high orbit inclination of some DORIS satellites, and is lower in the high latitude stations which provide more observations from the DORIS satellites.

RésuméL’objectif de cet article est d’évaluer le bruit dans les coordonnées des stations Détermination d’Orbite et Radio-positionnement Intégrés par Satellite (DORIS) afin de mieux appréhender le contenu spectral du mouvement non linéaire des stations. Dans le cadre de ce travail, nous avons utilisé deux approches différentes pour évaluer le bruit, la transformée en ondelettes dans l’espace des fréquences, et l’analyse du spectre singulier (SSA) dans l’espace des phases. Les données utilisées sont les solutions hebdomadaires des résidus des coordonnées de 18 stations en format STCD (solution ign09wd01), calculées par l’Institut géographique national/Jet Propulsion Laboratory (IGN, France/JPL, États-Unis) en utilisant le logiciel GIPSY-OASIS II, référencées à l’ITRF2005 et exprimées dans le repère géodésique local. La SSA a bien identifié les tendances non linéaires et les signaux saisonniers (annuel et semi-annuel, 120, 59 et 20.3 jours) dans les séries temporelles analysées. Les résultats montrent que le signal primaire présent dans les composantes horizontales (Nord et Est) est principalement de nature géophysique (tectonique des plaques) avec une variance supérieure à 90 % dans la plupart des cas, et le bruit résiduel de 120 jours a été réduit dans la solution ign09wd01(relativement à la solution précédente ign07wd01). En utilisant la transformée en ondelettes, nous identifions également pour la station CADB une discontinuité verticale de 13 mm le 3 juin 2008. Pour la détermination du niveau de bruit, les deux approches convergent vers les mêmes résultats. La déviation standard du bruit est de l’ordre de 7–13, 8–24 et 7–14 mm dans les composantes Nord, Est et Verticale, respectivement. Le niveau du bruit est plus élevé dans la direction Est, probablement lié à la haute inclinaison d’orbite de certains satellites DORIS, et il est faible dans les stations de haute latitude, qui fournissent plus d’observations à partir des satellites DORIS.