星站差分GPS系統(tǒng)在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王 雷，朱志春，張 毅，顧春雷，徐如剛，袁潔浩

星站差分GPS系統(tǒng)在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王 雷1，朱志春1，張 毅1，顧春雷1，徐如剛1，袁潔浩2

（1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2.中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

為考察SF-2050星站差分GPS在實(shí)際使用中的定位精度、收斂時(shí)間與定位重復(fù)性等性能指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行了定位功能測(cè)試，詳述了測(cè)試過程與測(cè)試結(jié)果的得出，證明該系統(tǒng)具有定位精度高、定位重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，輔以一定的使用技巧，可進(jìn)一步提高其工作效能，能夠滿足地震監(jiān)測(cè)行業(yè)中測(cè)點(diǎn)定位的要求。

地震監(jiān)測(cè)；SF-2050星站差分GPS；定位精度

引言

地震監(jiān)測(cè)工作是地震預(yù)測(cè)與研究的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，監(jiān)測(cè)資料的連續(xù)、完整、準(zhǔn)確和可靠是進(jìn)行資料分析的重要保證。對(duì)于保證監(jiān)測(cè)資料的質(zhì)量，監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位的準(zhǔn)確性極為重要，特別對(duì)于野外流動(dòng)監(jiān)測(cè)手段，測(cè)點(diǎn)多，分布廣，測(cè)點(diǎn)標(biāo)志保管工作不易展開，一旦測(cè)點(diǎn)標(biāo)志丟失，如無準(zhǔn)確可靠的定位手段，則無法找到原測(cè)點(diǎn)位置，會(huì)極大影響監(jiān)測(cè)資料的可靠性和可追溯性[1]。

SF-2050星站差分GPS系統(tǒng)基于RTG技術(shù)，在接收普通GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)接收地球同步衛(wèi)星發(fā)出的差分改正信號(hào)，能夠在南北緯76°之間的所有范圍提供穩(wěn)定的分米級(jí)定位精度，具有定位精度高，覆蓋面廣，不受地面基站及地形情況限制等優(yōu)點(diǎn)[2]。將SF-2050星站差分GPS系統(tǒng)應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，可以在無固定標(biāo)志的情況下，實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的精確定位。

1 星站差分GPS定位功能測(cè)試

1.1 定位精度測(cè)試

SF-2050星站差分GPS是由美國Navcom公司生產(chǎn)的一款高性能的星站差分GPS接收機(jī)，它利用StarFireTM網(wǎng)絡(luò)和NavCom全球差分GPS系統(tǒng)，能夠在南北緯76°之間的所有范圍提供穩(wěn)定的分米級(jí)定位精度。在實(shí)際使用中，通過實(shí)地采集或?qū)氍F(xiàn)有資料等方法獲得測(cè)點(diǎn)精確坐標(biāo)，在復(fù)測(cè)時(shí)對(duì)該坐標(biāo)進(jìn)行放樣，從而完成精確定位。但SF-2050星站差分GPS需要經(jīng)過一定的初始化時(shí)間，才能使定位精度逐步收斂到理想范圍內(nèi)[3]。為考察SF-2050星站差分GPS的定位精度、初始化時(shí)間長度等技術(shù)指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

測(cè)試選擇在合肥市郊的地磁三分量測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行，該處天空開闊，無電磁干擾，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)有標(biāo)志測(cè)樁，具備可重復(fù)性。首次測(cè)試在2008年3月8日進(jìn)行，將SF-2050星站差分GPS的接收天線置于標(biāo)志測(cè)樁特定位置，開機(jī)5 min后開始同步接受雙頻信號(hào)即GPS衛(wèi)星信號(hào)和差分改正信號(hào)，開機(jī)15 min雙頻信號(hào)穩(wěn)定后開始數(shù)據(jù)采集。采樣間隔為5 s，采集時(shí)段為15∶00～16∶00，有效采樣數(shù)據(jù)800個(gè)。

根據(jù)采樣數(shù)據(jù)繪制投影分布圖以及偏移距離時(shí)序分布圖，以采樣坐標(biāo)與測(cè)點(diǎn)精確坐標(biāo)的相對(duì)距離作為定位精度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，分析定位精度及收斂過程。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，認(rèn)為15∶20以后定位精度已充分收斂，以收斂后采樣坐標(biāo)的算術(shù)平均值作為測(cè)點(diǎn)精確坐標(biāo)的最或是值，定義為繪圖的坐標(biāo)原點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 首次定位精度試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 The result of the first test of locating precision A）The projection distribution of sampling in former 20 minutes B）The projection distribution of sampling in latter 45 minutes C）The temporal distribution of sampling of migration distance

圖1中A和B分別表示的是本次觀測(cè)中前20 min及后45 min采樣數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系內(nèi)的投影分布情況，最外圈尺度為0.2 m。圖C表示整個(gè)試驗(yàn)過程中采樣數(shù)據(jù)與坐標(biāo)原點(diǎn)偏移距離的時(shí)序分布。綜合分析，數(shù)據(jù)采集過程中有較為明顯的精度收斂現(xiàn)象，數(shù)據(jù)投影位置由外圍逐漸向中心漂移，與坐標(biāo)原點(diǎn)距離逐步縮小，最終穩(wěn)定在5 cm左右。

3月14日進(jìn)行第二次定位精度測(cè)試，天線固定位置與第一次測(cè)試相同，開機(jī)5 min后開始接收雙頻信號(hào)，即開始數(shù)據(jù)采集，采樣間隔以5 s，采集時(shí)段為09∶25～10∶00，有效采樣數(shù)據(jù)379個(gè)。

沿用第一次測(cè)試中測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的最或是值為坐標(biāo)原點(diǎn)，繪制采樣投影分布以及偏移距離時(shí)序分布，如圖2所示。

圖2 第二次定位精度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 The result of the second test of position precision A）The projection distribution of sampling in former 10 minutes B）The projection distribution of sampling in latter 20 minutes C）The temporal distribution of sampling of migration distance

圖2中A與B分別為3月14日測(cè)試中前10 min和后20 min采樣數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系內(nèi)的投影分布情況，圖2-A的外圈尺度是1 m，圖2-B外圈尺度為0.2 m。與上次試驗(yàn)相比，本次測(cè)試中數(shù)據(jù)離散度較大，數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象更加明顯，投影位置與坐標(biāo)原點(diǎn)距離最初由0.5 m偏離至1.2 m，而后呈現(xiàn)穩(wěn)定的收斂過程，最終穩(wěn)定在0.1 m。

1.2 定位精度測(cè)試分析

以首次測(cè)試中測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的最或是值作為測(cè)點(diǎn)精確坐標(biāo)，以采樣坐標(biāo)與測(cè)點(diǎn)精確坐標(biāo)的相對(duì)距離作為定位精度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)兩次測(cè)試中SF-2050星站差分GPS定位精度階段及相應(yīng)的測(cè)量時(shí)間，如表1所示。

表1 測(cè)量時(shí)間與定位精度統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of testing time and locating precision

從接受雙頻信號(hào)開始，SF-2050星站差分GPS的定位精度隨時(shí)間推移呈現(xiàn)從離散到收斂的過程，最高定位精度達(dá)到5 cm。兩次測(cè)試相隔一周，觀測(cè)時(shí)段及衛(wèi)星信號(hào)參數(shù)均有較大差異，但達(dá)到相同定位精度所需的初始化時(shí)間基本一致，說明SF-2050星站差分GPS定位精度受觀測(cè)時(shí)段影響較小。

1.3 定位重復(fù)性測(cè)試

為考察SF-2050星站差分GPS在同一位置不同時(shí)間段的定位準(zhǔn)確性 （即儀器內(nèi)符合精度），自2008年3月至7月分別對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了包括上文兩次測(cè)試在內(nèi)的14次定位重復(fù)性測(cè)試，每次測(cè)試天線位置均與首次測(cè)試相同，測(cè)試時(shí)段隨機(jī)選擇，開機(jī)30 min后以5 s為采樣間隔連續(xù)采集20 min，取均值作為單次測(cè)試結(jié)果。將14次測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值作為測(cè)點(diǎn)精確坐標(biāo)的最或是值，再與每次測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示。表中X、Y為WGS-84橢球坐標(biāo)系下星站差分GPS單次測(cè)試結(jié)果坐標(biāo)，ΔX、ΔY及ΔD分別為每次測(cè)試結(jié)果與測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)最或是值的差值及相對(duì)距離。

ΔX、ΔY正負(fù)均勻，數(shù)值隨機(jī)分布，ΔD在0.007～0.054 m之間，表明SF-2050星站差分GPS具有相當(dāng)高的定位重復(fù)性。

綜上所述，定位精度測(cè)試和定位重復(fù)性測(cè)試證明，在充分完成初始化過程的情況下，SF-2050星站差分GPS具有良好的定位精度和重復(fù)定位準(zhǔn)確性，但初始化時(shí)間較長，從開機(jī)到達(dá)到15 cm以上的定位精度需要約半小時(shí)的時(shí)間。

2 星站差分GPS工作效能的提高

SF-2050星站差分GPS存在初始化時(shí)間較長，受樹木遮擋時(shí)衛(wèi)星信號(hào)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，制約了測(cè)點(diǎn)定位工作效率的提高和應(yīng)用范圍的拓展，但均可通過一定的技術(shù)手段予以解決。

針對(duì)初始化時(shí)間較長的問題，到達(dá)測(cè)點(diǎn)之前，將星站差分GPS的天線通過連接器固定于車頂，提前半小時(shí)開機(jī)，SF-2050星站差分GPS在速度小于300 m/s的范圍內(nèi)其動(dòng)態(tài)精度不受影響[4]，可在車輛行駛中順利完成初始化過程，到達(dá)測(cè)點(diǎn)即可進(jìn)行精確定位，縮短了測(cè)量時(shí)間，提高了工作效率。

當(dāng)遇到測(cè)點(diǎn)位于樹林中等無法直接使用SF-2050星站差分GPS進(jìn)行測(cè)量的情況時(shí)，可在測(cè)點(diǎn)周邊天空開闊的區(qū)域選取三個(gè)以上輔助定位點(diǎn)，使用星站差分GPS定位，分別量取輔助定位點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)距離作為定為依據(jù)，在復(fù)測(cè)工作中即可通過距離交匯法來確定測(cè)點(diǎn)位置。

3 星站差分GPS實(shí)際應(yīng)用情況

SF-2050星站差分GPS系統(tǒng)作為測(cè)點(diǎn)定位手段，先后應(yīng)用于地震流動(dòng)監(jiān)測(cè)、野外測(cè)點(diǎn)勘選、地震地磁三分量測(cè)量等多項(xiàng)地震監(jiān)測(cè)工作，近三年的實(shí)踐使用證明，其具有操作簡(jiǎn)便，定位精度高，覆蓋面廣等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，大大提高了測(cè)點(diǎn)定位方面的工作效率和監(jiān)測(cè)資料的可靠性。

以地震地磁三分量測(cè)量為例，依據(jù) 《中國地磁圖野外觀測(cè)規(guī)范及實(shí)施細(xì)則》，測(cè)點(diǎn)附近地磁場(chǎng)梯度不超過5 nT/m，原有的GPS手持機(jī)導(dǎo)航與點(diǎn)之記說明相結(jié)合的導(dǎo)航方式定位精度約2 m，理論上因定位精度引入的測(cè)量誤差在10 nT左右。SF-2050星站差分GPS系統(tǒng)自2008年開始應(yīng)用于地震地磁三分量測(cè)量，已完成全國范圍內(nèi)數(shù)百測(cè)點(diǎn)的定位與復(fù)測(cè)工作，通過對(duì)部分埋設(shè)固定測(cè)樁測(cè)點(diǎn)的重復(fù)定位精度統(tǒng)計(jì)表明，該定位手段在實(shí)際使用中的定位精度優(yōu)于20 cm，引入的理論測(cè)量誤差小于1 nT，大大提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié)論

定位功能測(cè)試及長期的實(shí)踐應(yīng)用表明，SF-2050星站差分GPS系統(tǒng)作為測(cè)點(diǎn)定位手段，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）定位精度高，SF-2050星站差分GPS在開機(jī)后約20 min時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到0.2 m的定位精度水平，并且隨采樣時(shí)間的延長，定位精度可進(jìn)一步提高到0.05 m左右；

（2）定點(diǎn)重復(fù)性好，近4個(gè)月的定位重復(fù)性試驗(yàn)表明，SF-2050星站差分GPS儀器內(nèi)符合精度優(yōu)于0.06 m；

（3）通過較簡(jiǎn)便的技術(shù)手段，可以解決實(shí)際使用中初始化時(shí)間相對(duì)較長，衛(wèi)星信號(hào)易受觀測(cè)環(huán)境影響等缺點(diǎn)。

除上述特點(diǎn)外，SF-2050星站差分GPS還具有不依賴基站，覆蓋區(qū)域廣，使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在保證定位準(zhǔn)確性的前提下，免除了流動(dòng)監(jiān)測(cè)中測(cè)點(diǎn)標(biāo)志埋設(shè)與維護(hù)等工作成本，提高了測(cè)量效率，能夠較好的滿足地震監(jiān)測(cè)工作的需要。

［1］張玉祥，王新改，史彥華，等.改進(jìn)野外流動(dòng)地磁測(cè)點(diǎn)定位標(biāo)記的研究 ［J］.華北地震科學(xué)，2001,19(1):55-59

［2］楊懷春.星站差分GPS定位技術(shù)介紹 ［J］.物探裝備,2004,14(3):198-201.

［3］許捍衛(wèi)，何江，楊艷飛.星站差分GPS在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用 ［J］.水利水電科技進(jìn)展,2008,28(2):76-83.

［4］張振軍，謝中華，王永泉.星站差分GPS在河道測(cè)量中的應(yīng)用探討 ［J］.測(cè)繪通報(bào)，2006,11:40-42

Application of Satellite Difference GPS in Seismic Monitoring

WANG Lei1,ZHU Zhichun1,ZHANG Yi1,GU Chunlei1,XU Rugang1,YUAN Jiehao2

(1.Earthquake Administration of Anhui Province,Hefei 230031,China;2.Institute geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China)

In order to investigate the practical performance index of SF-2050 satellite difference GPS:positioning accuracy,convergent-time and the positioning repeatability,we tested its locating function.This paper gave the testing process and result.It proves that the system has the advantages of high precision and good reproducibility;The measuring efficiency can be further improved by the help of some skills.The SF-2050 satellite difference GPS can satisfy the requirements of locating in seismic monitoring.

Seismic Monitoring;SF-2050 Satellite Difference GPS;Locating Precision

P315.73

A

1001-8662（2011）02-0110-07

2010-12-26

王雷，男，1984年生，助理工程師.主要從事地震監(jiān)測(cè)工作.E-mail：wanglei_wz@126.com