GNSS流動(dòng)觀測(cè)水平速度精度評(píng)估*

占 偉 劉志廣 蘇建鋒 夏 峰 孟憲綱

(中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180)

GNSS流動(dòng)觀測(cè)水平速度精度評(píng)估*

占 偉 劉志廣 蘇建鋒 夏 峰 孟憲綱

(中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心，天津 300180)

利用GNSS連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估了GNSS流動(dòng)觀測(cè)水平速度精度，并分析了相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間差、每期觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)、觀測(cè)周期對(duì)水平速度精度的影響。結(jié)果表明：按照目前的觀測(cè)模式，流動(dòng)觀測(cè)與連續(xù)觀測(cè)得到的水平速度值之差的絕對(duì)值在3 mm/a以內(nèi);相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間不一致會(huì)影響流動(dòng)觀測(cè)水平速度的精度，如果絕對(duì)值在3 mm/ a以內(nèi)的速度差為可接受值，那么建議相鄰兩期觀測(cè)時(shí)期差應(yīng)控制在25天之內(nèi);延長(zhǎng)每期觀測(cè)時(shí)間和縮短觀測(cè)周期能提高流動(dòng)觀測(cè)水平速度精度。

GNSS流動(dòng)觀測(cè);水平速度場(chǎng);精度評(píng)估;觀測(cè)時(shí)長(zhǎng);觀測(cè)周期

1 引言

自中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱“網(wǎng)絡(luò)工程”)和中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)投入運(yùn)行以來(lái)，已經(jīng)產(chǎn)生了大量的GNSS連續(xù)和流動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)［1］。依據(jù)這些數(shù)據(jù)得到的地殼水平和垂直速度場(chǎng)，已經(jīng)成為中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)、地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等多方面研究的基礎(chǔ)［2-5］。

限于國(guó)情，網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)都保留了數(shù)千個(gè)區(qū)域站。對(duì)于這些區(qū)域站，目前采用的流動(dòng)觀測(cè)模式為每隔2～3年觀測(cè)一期，每期連續(xù)觀測(cè)4天。與連續(xù)觀測(cè)相比，流動(dòng)觀測(cè)存在觀測(cè)周期長(zhǎng)、觀測(cè)時(shí)間短、觀測(cè)儀器不一致等不足，因此流動(dòng)觀測(cè)得到的速度精度值得關(guān)注。盡管速度解算結(jié)果會(huì)給出各速度分量的精度，但這個(gè)精度只是內(nèi)符合精度，至今還沒(méi)有一種有效的外部手段來(lái)客觀評(píng)估流動(dòng)觀測(cè)速度精度。鑒于此，本文基于GNSS連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，按照流動(dòng)觀測(cè)模式模擬流動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而評(píng)估流動(dòng)觀測(cè)水平速度精度，并針對(duì)相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間差、每期觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)、觀測(cè)周期對(duì)該精度的影響進(jìn)行了分析，以期為流動(dòng)觀測(cè)模式的制定提供依據(jù)或參考。

2 水平速度精度的評(píng)估

2.1 評(píng)估方法

圖1 YANC時(shí)間序列(2004—2007年)Fig.1 Time series of YANC station(2004—2007)

利用GAMIT/GLOBK 10.34解算了網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站及周邊IGS站1999—2009年的觀測(cè)數(shù)據(jù)［6］，從中選取較為穩(wěn)定的YANC站數(shù)據(jù)用于分析。圖1為YANC站2004—2007年?yáng)|向和北向時(shí)間序列，分別記為Te和Tn，去除線性運(yùn)動(dòng)后的殘差標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.90 mm和1.74 mm。對(duì)Te和Tn采用最小二乘求解的線性速度，分別記為Vec和Vnc。

由于GNSS觀測(cè)會(huì)受到季節(jié)性因素的影響［7，8］，因此流動(dòng)觀測(cè)時(shí)要求同一測(cè)站相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間盡量一致。為此，首先分析相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間嚴(yán)格一致時(shí)流動(dòng)觀測(cè)水平速度與連續(xù)觀測(cè)速度的差異。

將區(qū)域網(wǎng)2004年觀測(cè)時(shí)段記為Δt1，在Δt1內(nèi)隨機(jī)生成100組整數(shù)，記為d1(i)，1≤i≤100。在Te和Tn中從2004年和2007年第d1(i)天起各截取4天數(shù)據(jù)，如隨機(jī)生成的某一組整數(shù)為84，則在Te和Tn中截取2004年第84～87天和2007年第84～87天的數(shù)據(jù)。然后每期取坐標(biāo)平均值和時(shí)間平均值，最后兩期的坐標(biāo)平均值之差除以時(shí)間平均值之差得到水平速度，分別記為Vem(i)和Vnm(i)。

將100組Vem(i)和Vnm(i)分別與Vec和Vnc求差，得到水平速度差分別記為Δve1和Δvn1。從表1可以看出，對(duì)于YANC站，不考慮諸如兩期觀測(cè)儀器不一致帶來(lái)的觀測(cè)誤差等其他因素，觀測(cè)8天得到的水平速度與連續(xù)觀測(cè)值之差在±1.27 mm/a以內(nèi)。

2.2 不同噪聲環(huán)境下的水平速度差異

由于選用的YANC站觀測(cè)噪聲較小，而大多數(shù)區(qū)域站達(dá)不到這個(gè)水平，為此另挑選了9個(gè)網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站進(jìn)行計(jì)算(表1)，其中測(cè)站噪聲水平表示測(cè)站東向和北向時(shí)間序列去除線性運(yùn)動(dòng)后的殘差標(biāo)準(zhǔn)差。從表1可以看出，標(biāo)準(zhǔn)差的整體變化趨勢(shì)隨測(cè)站觀測(cè)噪聲的增大而增大。綜合這10個(gè)測(cè)站的計(jì)算結(jié)果，觀測(cè)8天得到的水平速度與連續(xù)觀測(cè)值之差在±3 mm/a以內(nèi)。在實(shí)際的流動(dòng)觀測(cè)中，由于存在諸如兩期觀測(cè)儀器不一致帶來(lái)的觀測(cè)誤差等影響因素，實(shí)際的流動(dòng)觀測(cè)得到的水平速度精度可能要更低一些。

表1 不同噪聲水平下的速度場(chǎng)差異Tab.1 Difference of horizontal velocity with different level of noise

2.3 兩期觀測(cè)時(shí)間非嚴(yán)格一致

實(shí)際上，流動(dòng)觀測(cè)很難做到每一個(gè)測(cè)站相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間嚴(yán)格一致，尤其對(duì)于網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)這樣全國(guó)性的區(qū)域網(wǎng)，為此以YANC站為例分析相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間非嚴(yán)格一致時(shí)流動(dòng)觀測(cè)水平速度與連續(xù)觀測(cè)速度的差異。

評(píng)估方法修改為：

d2(i)=d1(i)+rand［-d d］，

d=10，15，20，25，30，1≤i≤100;

將得到的東向速度差和北向速度差分別記為Δve2和Δvn2，其統(tǒng)計(jì)信息見(jiàn)表2，其中比例一列表示Δve2和Δvn2在Δve1和Δvn1分布范圍的比例。從表2可以看出，季節(jié)性因素等非線性運(yùn)動(dòng)干擾對(duì)流動(dòng)觀測(cè)結(jié)果是有影響的，尤其是線性運(yùn)動(dòng)稍差的北向。從表2的“比例”一列來(lái)看，相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間差從10～25天的比例均在95%以上，說(shuō)明這些結(jié)果較為接近相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間嚴(yán)格一致的結(jié)果，對(duì)觀測(cè)精度的影響是可以接受的。而相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間差為30天的北向比例僅為90%，與相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間嚴(yán)格一致的結(jié)果相差較大，對(duì)觀測(cè)精度的影響較為嚴(yán)重。綜合考慮實(shí)際情況和觀測(cè)精度，建議流動(dòng)觀測(cè)相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間盡可能一致，如果達(dá)不到嚴(yán)格一致，按2.2節(jié)計(jì)算得到的±3 mm/a的速度差為可接受值，相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間差應(yīng)控制在25天之內(nèi)。

表2 兩期觀測(cè)時(shí)間差對(duì)水平速度差異的影響Tab.2 Effect of observation time difference on difference of horizontal velocity

3 觀測(cè)模式對(duì)水平速度精度的影響

3.1 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的影響

按照2.1節(jié)方法，選用10個(gè)網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)計(jì)算了觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為2～14天時(shí)流動(dòng)觀測(cè)與連續(xù)觀測(cè)的水平速度差，其標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖2，其中(a)為東向速度差的標(biāo)準(zhǔn)差，(b)為北向速度差的標(biāo)準(zhǔn)差，為了使圖形更清楚，在圖2(a)中將CHUN、DLHA、HRBN、JIXN、LHAS站曲線分別整體向上移動(dòng)0.8、0.4、0.5、0.5、0.65 mm，將QION站曲線整體向下移動(dòng)0.5 mm，在圖2(b)中將CHUN、HRBN、ZHNZ站曲線分別整體向上移動(dòng)0.4、0.1、0.4 mm。從圖2可以看出，速度差的整體變化趨勢(shì)是隨著觀測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。以各站每期觀測(cè)4天得到的速度差的標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)各站每期觀測(cè)5～8天得到的速度差的標(biāo)準(zhǔn)差與基準(zhǔn)的比值，結(jié)果列于表3。從表3中可以看出，對(duì)于不同的測(cè)站，延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間提高觀測(cè)精度的幅度是不一樣的，因此在制定觀測(cè)方案時(shí)需要綜合考慮精度要求、觀測(cè)成本、測(cè)站噪聲水平等因素。

圖2 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)對(duì)水平速度差異的影響Fig.2 Effect of observation days on difference of horizontal velocity

表3 觀測(cè)5～8天得到的結(jié)果與觀測(cè)4天結(jié)果的比值Tab.3 Ratio of results with 5－8-day observation to results with a 4－day observation

3.2 觀測(cè)周期的影響

選擇YANC站2001—2007年共7年的東向和北向時(shí)間序列，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)設(shè)為4天，計(jì)算方法與2.1節(jié)方法大體一致，只是多期觀測(cè)數(shù)據(jù)采用線性擬合的方法求解水平速度，例如觀測(cè)周期為3年，則有2001、2004、2007年3期共12天觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)這12天數(shù)據(jù)線性擬合解算速度。表3為觀測(cè)周期分別為1、2、3、5年時(shí)流動(dòng)觀測(cè)與連續(xù)觀測(cè)水平速度差的標(biāo)準(zhǔn)差。從表4可以看出，觀測(cè)周期越短，流動(dòng)觀測(cè)結(jié)果就越接近連續(xù)觀測(cè)結(jié)果。因此，加密觀測(cè)也是一種提高流動(dòng)觀測(cè)水平速度精度的有效手段。

表4 觀測(cè)周期對(duì)水平速度場(chǎng)的影響Tab.4 Effect of observation cycle on the difference of horizontal velocity

4 結(jié)語(yǔ)

1)綜合10個(gè)測(cè)站的計(jì)算結(jié)果，觀測(cè)8天得到的水平速度與連續(xù)觀測(cè)值之差在±3 mm/a以內(nèi)。在實(shí)際的流動(dòng)觀測(cè)中，由于存在諸如兩期觀測(cè)儀器不一致帶來(lái)的觀測(cè)誤差等影響因素，得到的水平速度精度還可能會(huì)更低一些。

2)受季節(jié)性因素的干擾，相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間不一致會(huì)降低流動(dòng)觀測(cè)水平速度的精度，建議流動(dòng)觀測(cè)相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間盡可能一致。如果實(shí)際觀測(cè)時(shí)達(dá)不到嚴(yán)格一致，仍以±3mm/a為可接受偏差，那么相鄰兩期觀測(cè)時(shí)間差應(yīng)控制在25天之內(nèi)。

3)流動(dòng)觀測(cè)與連續(xù)觀測(cè)水平速度差會(huì)隨著測(cè)站觀測(cè)噪聲的增加而顯著增大，對(duì)于觀測(cè)噪聲較大的測(cè)站，建議在實(shí)際觀測(cè)中延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間。

4)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間并縮短觀測(cè)周期能提高流動(dòng)觀測(cè)速度精度。對(duì)于不同的測(cè)站，延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間提高觀測(cè)精度的幅度是不一樣的，因此在制定觀測(cè)方案時(shí)需要綜合考慮精度要求、觀測(cè)成本、測(cè)站噪聲水平等因素。

致謝 感謝黃立人研究員對(duì)本文的指導(dǎo)。

1 牛之俊，等.中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2002，(3)：88-93.(Niu Zhijun，et al.Crustal Movement Observation Network of China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2002，(3)：88-93)

2 Wang Qi，et al.Present-day crustal deformation in China constrained by global positioning system measurements［J］.Science，2001，294：574-577.

3 黃立人，等.用速度場(chǎng)得到的華北地區(qū)活動(dòng)塊體及變形［J］.地震學(xué)報(bào)，2003，25(1)：72-81.(Huang Liren，et al.References active blocks and their deformations derived from the velocity field in north China［J］.Acta Seismologica Sinica，2003，25(1)：72-81)

4 賴錫安，等.中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)［M］.北京：地震出版社，2004.(Lai Xi’an，et al.Present-day crustal movement in China constrained［M］.Beijing：Seismological Press， 2004)

5 楊國(guó)華，等.中國(guó)大陸整體無(wú)旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)及其應(yīng)用［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2005，(4)：6-10.(Yang Guohua，et al.No-net-rotation on crustal movement of China mainland and its application［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(4)：6-10)

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7 張飛鵬，等.利用GPS監(jiān)測(cè)中國(guó)地殼的垂向季節(jié)性變化［J］.科學(xué)通報(bào)，2002，47(18)：1 370-1 377.(Zhang Feipeng，et al.Crustal vertical seasonal variations in China observed by GPS［J］.Chinese Science Bulletin，2002，47 (18)：1 370-1 377)

8 王敏，等.非構(gòu)造形變對(duì)GPS連續(xù)站位置時(shí)間序列的影響和修正［J］地球物理學(xué)報(bào)，2005，48(5)：1 045-1 052.(Wang Min，et al.Effects of non-tectonic crustal deformation on continuous GPS position time series and correction to them［J］.Chinese J Geophys.，2005，48(5)：1 045 -1 052)

ACCURACY EVALUATION OF HORIZONTAL VELOCITY MEASURED BY GNSS MOBILE OBSERVATION

Zhan Wei，Liu Zhiguang，Su Jianfeng，Xia Feng and Meng Xiangang
(First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin 300180)

The accuracy of horizontal velocity measured by GNSS mobile observation was evaluated by continuous observation，and the effects of difference of observation time period between two adjacent observations，observation time and observation cycle on the accuracy were also analyzed.The results show that，according to the current observation style，the absolute value of difference of horizontal velocity between mobile and continuous observation is less than 3mm/a.The difference of observation time period between two adjacent observations can affect the accuracy of horizontal velocity.If the difference which is less than 3 mm/a can be accepted，it is suggested that the difference of observation time period in the two years should be less than 25 days.The accuracy can be improved by prolonging observation period and shortening observation cycle.

GNSS mobile observation;horizontal velocity field;accuracy evaluation;observation period;observation cycle

1671-5942(2011)05-0084-04

2011-05-25

中國(guó)地震局地震行業(yè)科研專項(xiàng)(200908029)

占偉，男，1983年生，工程師，主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理與分析研究工作.E-mail：zw000373@163.com

P227

A