玉樹(shù)地震對(duì)周圍衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站的影響分析

李凱鋒，歐陽(yáng)永忠，2，陸秀平，任來(lái)平

(1.天津海洋測(cè)繪研究所，天津300061;2.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢430079)

玉樹(shù)地震對(duì)周圍衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站的影響分析

李凱鋒1，歐陽(yáng)永忠1，2，陸秀平1，任來(lái)平1

(1.天津海洋測(cè)繪研究所，天津300061;2.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北武漢430079)

利用相同時(shí)段長(zhǎng)度且年份相鄰的兩組連續(xù)運(yùn)行站的數(shù)據(jù)，均勻地選取7個(gè)IGS站作為參考基準(zhǔn)，采用GAMIT進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。比較分析7個(gè)中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)站單日解坐標(biāo)的變化，得出玉樹(shù)地震對(duì)周圍衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站的位移有不同程度影響的結(jié)論，尤其是在高程方向，平均偏差達(dá)到16 mm，個(gè)別站點(diǎn)的最大偏差達(dá)到30 mm。通過(guò)對(duì)GPS速度場(chǎng)的計(jì)算分析，得出玉樹(shù)周圍各塊體的運(yùn)動(dòng)情況。

衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站;IGS站;GAMIT軟件;位移;速度場(chǎng)

一、引 言

2010年4月14日在玉樹(shù)發(fā)生了7.1級(jí)強(qiáng)烈地震。地震發(fā)生后如何準(zhǔn)確、快速地對(duì)地殼運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)查分析，對(duì)科學(xué)救災(zāi)、災(zāi)后重建以及衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站的建立和維持都具有重要意義。連續(xù)運(yùn)行站作為高等級(jí)控制測(cè)量的基準(zhǔn)，其位置的變化及運(yùn)動(dòng)速度將影響大地測(cè)量成果的精度。因此，本文利用IGS站和中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程部分站的數(shù)據(jù)，以目前常用的GPS數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT進(jìn)行處理，分析此次玉樹(shù)地震對(duì)周圍衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站的影響。

二、周圍站點(diǎn)選取

在進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)處理時(shí)，為了得到準(zhǔn)確的國(guó)際地球參考框架下的坐標(biāo)，測(cè)站在近3年連續(xù)觀測(cè)，且網(wǎng)形合理，針對(duì)玉樹(shù)周圍網(wǎng)絡(luò)工程站點(diǎn)，選取國(guó)內(nèi)的BJFS、WUHN、KUNM和URUM 4個(gè)站點(diǎn)，以及國(guó)外的ULAB、HYDE和CUSV 3個(gè)站點(diǎn)，共7個(gè)IGS站作為參考基準(zhǔn)，計(jì)算中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的DLHA、XNIN、DXIN、YANC、LHAS、MMMZ和LUZH 7個(gè)連續(xù)運(yùn)行站的單日解坐標(biāo)。為了分析玉樹(shù)地震前后周圍地殼的運(yùn)動(dòng)，選取沒(méi)有發(fā)生地震的2009年年積日自297至305(對(duì)應(yīng)為10月24日—11月1日)為期9 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及2010年年積日自100至108(對(duì)應(yīng)為4月10日—4月18日)為期9 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s，利用IGS最終精密星歷，數(shù)據(jù)處理采用GAMIT/GLOBK軟件，對(duì)兩組數(shù)據(jù)解算結(jié)果進(jìn)行分析。所選站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 連續(xù)觀測(cè)站站點(diǎn)分布

三、數(shù)據(jù)處理方案

為提高GPS定位解算精度，基線解算中對(duì)數(shù)據(jù)作如下設(shè)定:觀測(cè)數(shù)據(jù)類型(LC_HELP);衛(wèi)星截止高度角(15°);歷元間隔(30 s);對(duì)流層延遲(13個(gè));IGS站點(diǎn)坐標(biāo)約束(NER:0.01 m，0.01 m，0.02 m);網(wǎng)絡(luò)工程站的坐標(biāo)約束(NER:50 m，50 m，50 m);衛(wèi)星軌道約束為松弛約束;電離層約束(0.0 m+8.00×10－6D);對(duì)流層模型(Saastamoninen模型);慣性系框架(J2000.0);光壓模型(BERNE);處理模式(RELAX解)。利用GLOBK進(jìn)行時(shí)間序列分析和平差。

四、處理結(jié)果分析

GAMIT基線解算結(jié)果，主要通過(guò)均方根殘差、基線向量、基線重復(fù)率3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定。基線重復(fù)率和相對(duì)重復(fù)率的計(jì)算公式為

式(1)、式(2)中，Rl為基線向量的重復(fù)率;Rr為基線向量的相對(duì)重復(fù)率;n為基線單日解數(shù)目;Li為第i日的基線分量(或邊長(zhǎng));為單日解的基線分量(或邊長(zhǎng))的加權(quán)平均值;是基線分量中誤差。的計(jì)算公式為

由式(3)計(jì)算得出基線的NRMS值都在0.18 mm左右，基線解算質(zhì)量較高，然后計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)的坐標(biāo)中誤差，采用GLOBK加入基線解的H文件進(jìn)行聯(lián)合平差。

本文數(shù)據(jù)后處理以單天松弛解為準(zhǔn)觀測(cè)值完成的，對(duì)于玉樹(shù)周圍的中國(guó)地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站而言，則通過(guò)緊約束地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，利用7個(gè)均勻分布在周圍的參考站計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)工程基準(zhǔn)站ITRF2005參考框架下的單日坐標(biāo)。各網(wǎng)絡(luò)工程站至玉樹(shù)震中的概況如表1所示。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到平面和高程方向的單日坐標(biāo)，單日坐標(biāo)解B、L、H方向的偏差值的時(shí)間序列如圖2和圖3所示，其中，橫軸代表年積日，縱軸為偏差值。

表1 各網(wǎng)絡(luò)工程站至玉樹(shù)震中的概況

圖2 衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站B、L、H方向的時(shí)間序列變化(2009年)

圖3 玉樹(shù)地震前后周圍衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站B、L、H方向的時(shí)間序列變化(2010年)

表2、表3和表4中2009年年積日自297至305為沒(méi)有發(fā)生地震的時(shí)間段，而2010年年積日自100至108中，年積日為104時(shí)發(fā)生玉樹(shù)地震。計(jì)算平均偏差時(shí)，本文用單日坐標(biāo)解減去測(cè)站的已知坐標(biāo)值。從圖2(a)、圖3(a)和表2可以看出，沒(méi)有發(fā)生地震時(shí)同一基準(zhǔn)站緯度方向的變化都在4.5 mm之內(nèi)，且變化較平緩;玉樹(shù)地震當(dāng)天，震中東北方向的DLHA、XNIN、DXIN、YANC 4個(gè)基準(zhǔn)站的緯度方向同時(shí)出現(xiàn)最低值，最大偏差達(dá)到7.9 mm，表明震中東北方向地殼往南偏移，其他兩個(gè)方向的基準(zhǔn)站變化不明顯。

表2 緯度方向位移 cm

表3 經(jīng)度方向位移 cm

從圖2(b)、圖3(b)和表3可以看出，沒(méi)有發(fā)生地震時(shí)同一基準(zhǔn)站經(jīng)度方向的變化都在4.5 mm之內(nèi)，且變化非常平緩;年積日為102當(dāng)天，震中東北方向的DLHA、XNIN和DXIN以及西南方向的LHAS 4個(gè)基準(zhǔn)站的經(jīng)度方向同時(shí)出現(xiàn)最大值，最大偏差達(dá)到5.5 mm，說(shuō)明震中東北方向和西南方向地殼往東偏移，其他兩個(gè)方向的基準(zhǔn)站變化不明顯。

從圖2(c)、圖3(c)和表4可以看出，沒(méi)有發(fā)生地震時(shí)，同一基準(zhǔn)站高程方向的變化都在11 mm之內(nèi)，大部分偏差都小于6 mm，且變化較平緩。玉樹(shù)地震當(dāng)天，震中東北方向的DLHA、XNIN、DXIN、YANC 4個(gè)基準(zhǔn)站的高程方向同時(shí)出現(xiàn)最大值，最大偏差達(dá)到19.9 mm，表明震中東北方向地殼發(fā)生隆起，其他兩個(gè)方向的基準(zhǔn)站高程方向的偏差也在9 mm左右。玉樹(shù)地震后的第二天，由于余震的影響，玉樹(shù)東南和西南方向的LUZH、MMMZ、LHAS 3個(gè)基準(zhǔn)站的高程方向同時(shí)出現(xiàn)最低值，最大偏差達(dá)到30.0 mm，而玉樹(shù)東北方向的DLHA和XNIN兩個(gè)基準(zhǔn)站的高程方向同時(shí)出現(xiàn)最低值，偏差達(dá)到12.3 mm和6 mm，西南方向地殼比東南、東北方向地殼下沉更嚴(yán)重。

表4 高程方向位移 cm

以上分析是基于各個(gè)站點(diǎn)的B、L、H方向的變化情況，下面從GPS速度場(chǎng)分析地震對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的影響。設(shè)X0為參考?xì)v元的坐標(biāo)，X為觀測(cè)歷元的坐標(biāo)，本文取時(shí)段中的周解坐標(biāo)，X˙代表運(yùn)動(dòng)速度，分別代表東向、北向和垂向速度;t0為參考?xì)v元，t為觀測(cè)歷元，本文取時(shí)段中的平均歷元。于是上述兩個(gè)時(shí)段的運(yùn)動(dòng)速度可表示為

式中，t02、t09是指參考?xì)v元為2002.8和2009.8。玉樹(shù)地震的GPS速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 玉樹(shù)周圍站點(diǎn)的GPS速率 cm/a

從表5可以看出，由兩個(gè)參考?xì)v元計(jì)算得出的速率有一定的差別，最大差值出現(xiàn)在LHAS站，差值為64.2 mm。圖4是從水平運(yùn)動(dòng)速度來(lái)分析各站點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向。

圖4 玉樹(shù)周圍的GPS水平速度場(chǎng)

從圖4(a)可以看出，參考?xì)v元為2002.8時(shí)，整體水平速度向南，而且速率差別不大。從圖4(b)可以看出，當(dāng)參考?xì)v元為2009.8時(shí)，玉樹(shù)震中的東北塊體往東南方向移動(dòng);玉樹(shù)震中的西南塊體往西南方向移動(dòng)，而且速度較大;玉樹(shù)震中的東南塊體往西南方向移動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)速率比西南塊體小。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文利用玉樹(shù)周圍衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站的數(shù)據(jù)，均勻選取國(guó)內(nèi)外的7個(gè)IGS站作為控制，采用常用的GPS數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT對(duì)玉樹(shù)周圍的中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先計(jì)算出玉樹(shù)地震前后幾天的單日坐標(biāo)解B、L、H坐標(biāo)值，并與2009年相同時(shí)段長(zhǎng)度的解算結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，玉樹(shù)地震當(dāng)天高程方向的平均偏差達(dá)到16 mm;最大偏差值達(dá)到30 mm;緯度方向的最大偏差值達(dá)到8 mm;而對(duì)經(jīng)度方向的影響較小。然后通過(guò)對(duì)GPS速度場(chǎng)的計(jì)算分析，得出了玉樹(shù)周圍各塊體的運(yùn)動(dòng)情況。由于僅采用7個(gè)網(wǎng)絡(luò)工程站9 d的數(shù)據(jù)，且震中的西北方向沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)工程站，若采用更長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)數(shù)據(jù)，有望得到玉樹(shù)地震對(duì)周圍衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站影響的更全面、準(zhǔn)確的分析。

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The Analysis of Yushu Earthquake’s Effect on Its Surrounding Satellite Continuous Stations

LI Kaifeng，OUYANG Yongzhong，LU Xiuping，REN Laiping

0494-0911(2011)12-0005-04

P228.4

B

2010-11-16

國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(KLSG1002);國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006AA06A202)

李凱鋒(1981—)，男，江西修水人，碩士，主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理技術(shù)及其應(yīng)用研究的工作。