中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)GPS基準站時間序列分析與研究＊

趙國強 孫漢榮 任 靂 李 鵬

（中國地震局地震預(yù)測研究所，北京100036）

中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)GPS基準站時間序列分析與研究＊

趙國強 孫漢榮 任 靂 李 鵬

（中國地震局地震預(yù)測研究所，北京100036）

本文給出了中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)27個GPS基準站測站信息。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理策略和最新的地球物理模型，利用GAMIT／GLOBK軟件解算了這些站1999—2011年底的觀測資料。定量計算了同震位移、更換儀器等事件對基準站的影響。在此基礎(chǔ)上，給出了ITRF2005框架下由27個站組成的中國大陸地殼運動速度場。

GPS；GAMIT／GLOBK；中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)；時間序列

引言

中國大陸地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)（簡稱“網(wǎng)絡(luò)工程”）是“九五”國家重大科學(xué)工程，其中GPS觀測由27個基準站、55個定期復(fù)測的基本站和約1 000個不定期復(fù)測的區(qū)域站組成。網(wǎng)絡(luò)工程基準站自1998年陸續(xù)建成以來，一直連續(xù)運行至今，目前已全部升級改造成為中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”）基準站。這些基準站經(jīng)過十幾年的連續(xù)觀測，積累了大量高質(zhì)量的GPS資料，國內(nèi)學(xué)者利用這些數(shù)據(jù)開展了大量深入細致的處理分析研究工作。顧國華利用1998年9月—2004年3月上旬網(wǎng)絡(luò)工程25個基準站GPS觀測結(jié)果獲得垂直位移時間序列，并指出基準站垂直位移的變化值得多方面深入研究［1］。張鵬等人應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)工程27個基準站和國家測繪局2個基準站7a的觀測數(shù)據(jù)，分析研究坐標(biāo)位置變化規(guī)律，研究表明，GPS基準站的時間序列具有一定的周期性，高程分量的周期性最為明顯［2］。喬學(xué)軍等利用1999年3月—2002年3月網(wǎng)絡(luò)工程25個基準站觀測資料，進行時間序列分析，并對提高GPS基準站觀測精度進行了探討［3］。李凱鋒等人利用網(wǎng)絡(luò)工程7個基準站數(shù)據(jù)，通過時間序列分析，得出玉樹地震對這些基準站的位移影響，并通過GPS速度場的計算分析，得出玉樹周圍各塊體的運動情況［4］。前人的研究工作，主要是針對網(wǎng)絡(luò)工程部分基準站某個時段進行分析。本文采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理策略、最新的精度更高的相關(guān)地球物理模型，處理了網(wǎng)絡(luò)工程自1999年建成以來至2011年底全部27個基準站的GPS觀測資料，獲得時間序列，全面展示了網(wǎng)絡(luò)工程基準站十多年來的運動趨勢及特征變化，為評估基準站運行狀況提供科學(xué)參考。同時采用最小二乘線性擬合的方法，在扣除同震位移、更換儀器及其他因素對基準站影響的基礎(chǔ)上，獲得中國大陸地殼運動速度場，為相關(guān)學(xué)科的研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)資料情況

網(wǎng)絡(luò)工程是由中國地震局聯(lián)合總參測繪局、中科院和國家測繪局共同實施的“九五”國家重大科學(xué)工程，于2000年底竣工驗收。網(wǎng)絡(luò)工程以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）觀測技術(shù)為主，輔之以甚長基線射電干涉測量（VLBI）和人衛(wèi)激光測距（SLR）等空間技術(shù)，結(jié)合精密重力和精密水準測量，構(gòu)成大范圍、高精度、高時空分辨率的地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)［5］。本文處理分析網(wǎng)絡(luò)工程全部27個GPS基準站，這些站于1999年陸續(xù)建成投入使用，現(xiàn)在均已升級改造成為陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準站［6］。表1列出了這些站歷年的測站信息，起始時間統(tǒng)一為1999年060天，其中BJFS、URUM、LHAS、WUHN和SHAO同時也是IGS跟蹤站，早于1999年060天也有數(shù)據(jù)，本文不做處理。CHUN、HRBN和ZHNZ建成較晚，解算時從建成之后開始正常觀測算起。各站的天線高均垂直量測到天線前置放大器底部中心。

表1 網(wǎng)絡(luò)工程基準站測站信息表

續(xù)表

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用美國麻省理工學(xué)院（MIT）的高精度GPS處理軟件GAMIT／GLOBK［7］，在數(shù)據(jù)處理時，采取的主要策略如下［8］：

（1）利用GAMIT進行基線解算時，選取中國大陸周邊均勻分布的19個IGS永久跟蹤站一并參與解算。這些站已經(jīng)連續(xù)觀測十年以上，都位于遠離形變區(qū)的穩(wěn)定塊體內(nèi)部，具有較高的精度和可靠性，分別是：IISC、HYDE、IRKT、ULAB、KSTU、NOVJ、KIT3、POL2、SELE、GUAM、PIMO、TSKB、DAEJ、USUD、SUWN、TCMS、TWTF、YSSK、GUAO。

（2）接收機和衛(wèi)星天線相位中心改正采用IGS絕對天線相位中心模型；采用消除基本電離層影響的LC雙差觀測值；對流層濕分量采用分段線性模型每1個小時估計一個對流層天頂延遲參數(shù)，再根據(jù)映射函數(shù)GMF轉(zhuǎn)換到觀測方向；干分量部分采用GPT模型及GMF映射函數(shù)加以改正。

（3）利用GLOBK進行全球網(wǎng)平差。解算時，為了確保模型和方法的統(tǒng)一，我們還處理了同期全球均勻分布的50多個IGS站數(shù)據(jù)。將GAMIT計算得到的一組已確定載波相位整周模糊度、基準松弛的單日解與同時解算的IGS全球解綁定進行整體平差，并把得到的松弛解轉(zhuǎn)換到ITRF2005框架下，從而獲得在全球ITRF2005參考框架下的測站坐標(biāo)，水平分量精度1～3mm，垂直分量精度約10mm。

（4）利用GMT［9］軟件繪制時間序列圖，給出每個基準站東西（E）、北南（N）、垂向（U）三個分量的坐標(biāo)相對變化量，從而分析測站速度、周期性變化和一些非構(gòu)造信息等。

3 時間序列分析

基于上述策略得到的時間序列，不完全是基準站坐標(biāo)隨時間變化的序列，還含有較多的噪聲，主要包括如下幾類信息：

（1）地殼形變。地殼形變通常包括構(gòu)造形變與非構(gòu)造形變兩類信息［10］。地質(zhì)學(xué)意義上的地殼運動是指由構(gòu)造運動所引起的那部分運動［11］，包括緩慢的地殼運動以及由地震等引起的劇烈的同震位移和震后蠕滑。非構(gòu)造形變主要是由地面荷載（雨、雪、汽）變化、地下水壓變化等引起的與斷裂活動或構(gòu)造運動無關(guān)的形變。本文查閱并整理了1999—2011年間在中國大陸發(fā)生的大于M6.0的地震（見表2），重點關(guān)注了這些地震對基準站時間序列的影響。除此之外，還考慮了2011年3月11日日本M9.0地震對基準站的影響，并利用參數(shù)估計的方法計算了大于1cm的同震位移。

（2）更換天線造成的時間序列階躍［11］，有如下兩種情況：一是由于人為原因，更換基準站GPS天線前或者更換后量測的天線高是錯誤的，造成在更換天線時刻垂向的階躍；二是采用不同天線相位中心模型引起的系統(tǒng)誤差，會造成時間序列各個方向的階躍。網(wǎng)絡(luò)工程基準站自建成以來，一直使用ASHTECH型天線和接收機，一般情況下很少更換儀器，直至2010—2011年間陸續(xù)升級改造為陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準站，才大部分更換為TRIMBLE型儀器，見表1。

（3）其他原因造成的時間序列異常，比如GPS天線進水［11］、臺站附近爆破［1］等，這些特殊變化需要結(jié)合臺站具體情況進行綜合分析判斷。

本文給出了網(wǎng)絡(luò)工程全部27個基準站的原始時間序列（圖1），結(jié)合每個臺站的具體情況，逐一進行了分析，如表3所示。

長期的GPS連續(xù)觀測能夠精確獲得地殼運動速度場。本文利用27個GPS基準站時間序列結(jié)果，扣除了同震位移、更換儀器以及其他原因?qū)r間序列的影響，采用線性擬合的方法，得到了在ITRF2005框架下由27個站組成的中國大陸地殼運動速度場（表4）。在計算速度場時，站點速度和誤差單位為mm，精確到小數(shù)點后1位小數(shù)，由GAMIT／GLOBK解算得到的點位精度很高，加之多余觀測量非常大，根據(jù)誤差傳播定律，利用線性擬合得到的速度誤差值很小，一般水平方向都在0.05mm以內(nèi)，因此表中大部分誤差值約為0.0mm。

表2 1999—2011年期間中國大陸發(fā)生的M6.0以上地震

圖1 網(wǎng)絡(luò)工程基準站時間序列（橫軸為GPS年）

表3 網(wǎng)絡(luò)工程基準站運行期間發(fā)生的事件及其影響

續(xù)表

4 結(jié)語

長期的、可靠的GPS連續(xù)觀測時間序列對地震會商、國防建設(shè)、大地測量等方面都有著重要意義，利用譜分析等各種手段深入細致的分析每個基準站時間序列，都可能得到非常有價值的科學(xué)成果。本文采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理策略和地球物理模型，重新處理了網(wǎng)絡(luò)工程基準站自建成以來所有的GPS觀測數(shù)據(jù)，拋開人為原因和不可抗拒的因素等，由時間序列良好的連續(xù)性、規(guī)律性和周期性，說明網(wǎng)絡(luò)工程基準站在建站、運行以及后期維護等方面都是成功的。各站觀測到的地殼水平運動基本都是線性變化的。垂直向多呈現(xiàn)非常顯著的年周期性變化，振幅達到5～15mm，這種現(xiàn)象相關(guān)學(xué)者都做過深入研究［1，10，11-25］。一般認為質(zhì)量負荷可以大部分解釋GPS解得的垂向季節(jié)性變化［11］，但是由于本文利用長達10多年的觀測資料進行分析，因此可以發(fā)現(xiàn)總的變化趨勢，普遍變化量都較小，可見中國大陸地殼運動主要表現(xiàn)為水平方向，垂直向較平穩(wěn)。

表4 網(wǎng)絡(luò)工程基準站測得的中國大陸地殼運動速度場（單位：mm）

（作者電子信箱，趙國強：gqzhao＠gps.gov.cn）

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Analysis and research of time series for GPS fiducial stations from the crustal movement observation network of China

Zhao Guoqiang，Sun Hanrong，Ren Li，Li Peng
（Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China）

The station information of 27GPS fiducial stations from the crustal movement observation network of China is provided.The GPS data of these stations from 1999to the end of 2011are processed by GAMIT／GLOBK software with the unified processing strategies and the updated geophysical models.We calculate the effects caused by coseismic deformation，instrument change and other events.On that basis，we provide the velocity fields of crust movement of China in ITRF2005，which consist of 27stations.

GPS；GAMIT／GLOBK；CMONOC；time series

P315.72＋5；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2013.04.007

2012-09-20；

2012-11-26。

中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項（0212241403）資助。