華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站穩(wěn)定性分析

余新平,成英燕

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,青島 266000;2.中國測(cè)繪科學(xué)研究院,北京 100000)

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華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站穩(wěn)定性分析

余新平1,2,成英燕2

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,青島 266000;2.中國測(cè)繪科學(xué)研究院,北京 100000)

分析陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站穩(wěn)定性,對(duì)維持其高精度三維基準(zhǔn)具有重要意義。本文通過華北地區(qū)六個(gè)分布較為均勻的陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,對(duì)華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站整體穩(wěn)定性和單個(gè)測(cè)站穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站不僅整體穩(wěn)定性良好,單個(gè)測(cè)站也有較好的穩(wěn)定性。

陸態(tài)網(wǎng);數(shù)據(jù)處理;穩(wěn)定性分析

0 引 言

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS)、計(jì)算機(jī) 、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷發(fā)展, 利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的CORS已成為 GNSS應(yīng)用的發(fā)展熱點(diǎn)之一[1].由于其長期觀測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),利用高精度基線解算軟件GAMIT,可以對(duì)參考站進(jìn)行周期性地更新。

本文所要分析的中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱陸態(tài)網(wǎng))正是基于CORS技術(shù)。陸態(tài)網(wǎng)是一個(gè)綜合性、多用途的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),它的建立為我國地震監(jiān)測(cè)和地殼運(yùn)動(dòng)研究提供了良好的前景,隨著時(shí)間的推移,越來越顯示其卓越的功能。通過對(duì)其站點(diǎn)的坐標(biāo)變化進(jìn)行定量分析研究,從而監(jiān)測(cè)陸態(tài)網(wǎng)的穩(wěn)定性, 這對(duì)維持該地區(qū)高精度三維基準(zhǔn)具有重要意義。

1 測(cè)站穩(wěn)定性分析

1.1 基線解算

本文選取了分布較為均勻的六個(gè)華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站作為研究對(duì)象,并對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析。六個(gè)華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站分別是SDQD(青島)、SDJX(嘉祥)、JIXN(薊縣)、 HEZJ(張家口)、SXTY(長治)、SNAK(安康),其分步如圖1所示。由于測(cè)站單日解精度不是很高,本次分析選取2011、

2012、2013年中年積日為001-007的各七天數(shù)據(jù)進(jìn)行解算并取均值作為分析基礎(chǔ),選取BJFS、SHAO、DAEJ、KIT3、POL2等13個(gè)中國及其附近的 IGS 跟蹤站進(jìn)行約束,設(shè)置截止高度角為100,采樣間隔為30 s.

圖1 陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站及周邊IGS站點(diǎn)分布

在數(shù)據(jù)處理前,采用數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)軟件TEQC[2-3],對(duì)各陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析,由獲取的觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的多路徑影響、接收機(jī)周跳等信息,可以得到各陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠,周邊的觀測(cè)環(huán)境良好,在以上三個(gè)時(shí)段均未發(fā)生大的變化。

各測(cè)站的的數(shù)據(jù)處理采用GAMIT Ver 10.5進(jìn)行基線解算,對(duì)于基線解算獲得的單日松弛解,設(shè)置初始坐標(biāo)及約束。將13個(gè)IGS跟蹤站作為已知點(diǎn),站坐標(biāo)采用 SOPAC提供的ITRF2008框架、瞬時(shí)歷元坐標(biāo),并分別設(shè)置適當(dāng)?shù)目刂萍s束,再利用GLOBK對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合平差,最終得到各陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站包含坐標(biāo)、速度等參數(shù)估值的松弛聯(lián)合解。

1.2 空間位置變化分析

由于華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站均建立在基巖之上,并且它們主要是用于監(jiān)測(cè)地質(zhì)變化和地震的,通過對(duì)它們的周期性監(jiān)測(cè),可得他們均穩(wěn)定可靠。因此,本次穩(wěn)定性分析選定距離該地區(qū)較近的BJFS站作為監(jiān)測(cè)站,通過對(duì)各陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站空間位置變化來分析的其穩(wěn)定性[4]。

在約束平差結(jié)果文件中提取各測(cè)站的2011～2013年前七天數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差的坐標(biāo)、速度數(shù)據(jù),并取其均值作為各測(cè)站坐標(biāo)和基線的值,再以2011-2013三年的均值作為已知值。通過與各測(cè)站已知值的差值進(jìn)行比較,分析陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站的穩(wěn)定性。

從圖2～圖4可知,2011-2013年各陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站X坐標(biāo)相對(duì)于Y、Z坐標(biāo)變形較大,X坐標(biāo)平均變形達(dá)到33 mm,而Y、Z坐標(biāo)平均變形約為15 mm、10 mm;2011-2012年和2012-2013年,X坐標(biāo)變化量都在33 mm左右,變化量趨于平穩(wěn),其中JIXN變化量最大(達(dá)38.72 mm);Y坐標(biāo)平均變化量由12 mm減少到7 mm,其中JIXN、SDQD變化量較大,分別達(dá)到11.51 mm、12.25 mm;Z坐標(biāo)平均變化量由10 mm減少到7 mm左右,其中SDJX、SDQD變化值依然較大(分別達(dá)到11.23 mm、10.99 mm)。

總體看,這六個(gè)華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站三個(gè)方向坐標(biāo)都呈減少趨勢(shì),X方向坐標(biāo)變化較為平穩(wěn),Y和Z方向的變化量越來越小。因此,它們可能存在整體像某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。

圖2 X坐標(biāo)變化量

圖3 Y坐標(biāo)變化量

圖4 Z坐標(biāo)變化量

1.3 與 IGS站點(diǎn)的相對(duì)位置變化分析

由于篇幅原因,本文只以BJFS為例,對(duì)基線變化量進(jìn)行分析。以2011-2013年華北地區(qū)六個(gè)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站到BJFS站基線平均值作為已知值,各站基線相對(duì)差值及變化情況如表1所示。

表1 與BJFS站基線變化量

由表1可以看出,各陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站與BJFS間的基線變化最大值為3.2 mm,年平均變化量小于2 mm,除了BJFS-SDJX以外,其他基線邊均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。由于嘉祥地區(qū)礦場(chǎng)資源豐富,礦產(chǎn)開發(fā)活動(dòng)以及地下水變化很可能是造成此種現(xiàn)象的主因。該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、電離層變化、接收機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定性等因素也可能影響這種趨勢(shì)。這表明整體的陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站與IGS站點(diǎn)的年坐標(biāo)變化量存在差異,從而導(dǎo)致其基線邊的增大。

2 ITRF框架下位移速率分析

2.1 陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站位移速率分析

由上述對(duì)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站X、Y、Z坐標(biāo)變化的分析,得出這六個(gè)測(cè)站存在整體向某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。現(xiàn)在,通過分析這些站點(diǎn)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)位移速率,分析其具體的變化趨勢(shì)。

從表2可知,華北地區(qū)六個(gè)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站N方向的坐標(biāo)位移速率總體在減小;E方向雖然總體位移速率在減小,但除了SNAK站點(diǎn)2013年的數(shù)據(jù)小于0,其他均大于0;U方向位移速率變化平穩(wěn)。

表2 陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站N、E、U方向年位移速率

綜上所述,這六個(gè)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站總體呈現(xiàn)向東南方向移動(dòng)的趨勢(shì),說明了陸態(tài)網(wǎng)整體穩(wěn)定性較好,與上述對(duì)其X、Y坐標(biāo)變化量的分析相同。同時(shí)與王琪等[5]利用 IGS站定義的運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)計(jì)算出的華北地區(qū)整體向東南方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的結(jié)果一致。

2.2 與IGS站點(diǎn)位移速率的比較

與此同時(shí),也可通過分析這些站點(diǎn)的2011-2013年的平均位移速率,并且與ITRF提供的2011-2013年IGS站點(diǎn)的的平均位移速率進(jìn)行比較,來反映它們的穩(wěn)定性[6]。

如表3、表4所示,IGS站點(diǎn)X、Y、Z方向的平均位移速率都要比陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站小很多。IGS測(cè)站平均位移速率除了X方向的平均值為2.5 cm外,Y、Z方向的平均值均小于5 mm;而陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站平均位移速率三個(gè)方向的平均值都在2.3 cm之上,X方向的平均值甚至達(dá)到了7.9 cm.

表3 2011-2013年陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站三年的平均位移速率

表4 2011-2013年IGS站點(diǎn)三年的平均位移速率

圖5為陸態(tài)網(wǎng)與IGS站點(diǎn)速度場(chǎng)圖,從圖中也能看出,陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站的年平均位移速率總體要比ITRF提供的IGS站的平均位移速率大很多。其中JIXN站有向東北方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),這可能由于站點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)等因素引起的。由于中國及周邊IGS站點(diǎn)存在整體向東南方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)[6],與華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)一致,結(jié)合上述對(duì)其平均位移速率的分析,得出的結(jié)果可以正好解釋BJFS站點(diǎn)與各陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站基線變化的情況。

圖5 陸態(tài)網(wǎng)與IGS站點(diǎn)速度場(chǎng)(深色五角星表示陸態(tài)網(wǎng)站點(diǎn),淺色五角星表示IGS站點(diǎn))

3 置信誤差橢圓法

鑒于上述對(duì)華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站坐標(biāo)變化和位移速率的定量分析,可以看出各測(cè)站具有整體穩(wěn)定性。下面通過采用置信誤差橢圓法,對(duì)各站點(diǎn)的穩(wěn)定性分別進(jìn)行判斷分析。

λ=3置信誤差橢圓與點(diǎn)位誤差橢球類似,只是它們之間存在一個(gè)比例常數(shù)關(guān)系。置信誤差橢圓的重要意義在于把誤差的大小與其出現(xiàn)在橢圓內(nèi)的概率密切聯(lián)系起來。通常情況下,以點(diǎn)位中誤差的3倍作為評(píng)判點(diǎn)位精度的標(biāo)準(zhǔn)。從誤差橢圓的置信度來看,當(dāng)時(shí),點(diǎn)落入誤差橢圓的置信度為98.89%,一般情況下,絕大多數(shù)點(diǎn)都會(huì)落入這個(gè)橢圓內(nèi)。因此,利用置信誤差橢圓法可對(duì)華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

置信誤差橢圓元素的計(jì)算公式為

λ=3通過對(duì)華北地區(qū)六個(gè)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站的水平方向坐標(biāo)誤差進(jìn)行計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)這六個(gè)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站點(diǎn)位誤差均落在的置信誤差橢圓內(nèi)。這表明華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站不僅整體穩(wěn)定性良好,單個(gè)測(cè)站的穩(wěn)定性也較好。

4 結(jié)束語

陸態(tài)網(wǎng)作為我國地震分析和預(yù)報(bào)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其穩(wěn)定性的重要性不言而喻[5]。本文通過對(duì)華北地區(qū)六個(gè)分布較為均勻的陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站2011-2013年的數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象,通過對(duì)其研究分析得出:

1) 在 ITRF2008框架下,華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站存在向東南方向的整體運(yùn)動(dòng), 其整體運(yùn)動(dòng)與ITRF提供的BJFS等中國及其周邊的IGS站在運(yùn)動(dòng)方向上基本一致,這表明華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站整體穩(wěn)定性良好。

2) 由置信誤差橢圓法對(duì)華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)單個(gè)測(cè)站進(jìn)行分析,得出陸態(tài)網(wǎng)單個(gè)測(cè)站也具有較好的穩(wěn)定性。

致謝:感謝麻省理工學(xué)院提供GAMIT/GLOBK軟件。

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The Stability Analysis of the CMONOC Station in North China

YU Xinping1,2, CHENG Yingyan2

(1.CollegeofSurveyingandMapping,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266000,China;2.ChineseAcademyofSurveyingandMapping,Beijing100000,China)

It is significant to analyze the stability of the CMONOC station, which has important significance for maintaining the high precision 3D datum. This paper handles six CMONOC station with more uniform in North China area,and analysis the overall stability of the station and the stability of single station.It is obtained that the overall stability of the CMONOC station is not only good, but also the stability of a single station.

CMONOC; data processing; stability analysis

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.017

2016-06-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：41374014，41404034)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0084-05

余新平 (1992-),男,碩士生,主要從事GPS數(shù)據(jù)處理與時(shí)間序列分析研究。

成英燕 (1965-),女,研究員,主要從事參考框架維持與更新研究。

聯(lián)系人： 余新平 E-mail:862250281@qq.com