云南及周邊地區(qū)GNSS數(shù)據(jù)處理方法優(yōu)化

徐良葉,邵德盛,吳學群,王伶俐,王巖,張秋林

(1.云南省地震局,云南 昆明650041;2.昆明理工大學,云南 昆明650093)

0 引 言

空間大地測量學的發(fā)展,為精確地研究地殼運動規(guī)律,開辟了重要的新途徑.GPS觀測可提供高精度、大范圍和準實時的地殼運動定量數(shù)據(jù),使得在短時間內(nèi)獲取大范圍地殼運動速度場成為可能,GPS 技術已成為監(jiān)測現(xiàn)今地殼運動一種強有力的工具[1].

目前云南省地震局形變測量中心對全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)連續(xù)觀測資料進行深入分析,獲得了各個不同區(qū)域的應變場變化時間序列,并進一步提取出了適合于云南地區(qū)的應變綜合短臨預測指標,利用該指標在預測預報工作中進行了一定的嘗試，為云南省地震局的地震預測工作起到了積極的作用[2].在地震研究中,GNSS原始數(shù)據(jù)的解算十分重要,因為數(shù)據(jù)解算的精細程度決定有效信息能否得到識別.而參考框架是GNSS數(shù)據(jù)處理的基礎,國際地球自轉(zhuǎn)服務(IERS)發(fā)布的國際地球參考框架(ITRF)序列是國際上公認的精度最高,穩(wěn)定性最好的參考框架[3].自1988年起,IERS已經(jīng)發(fā)布了ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005、ITRF2008和ITRF2014共13個版本的地球參考框架[4].2014年年底,IERS將新版本更名為ITRF2014，相比以前的版本,ITRF2014更加穩(wěn)定、精確.在數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量、參數(shù)模型的建立、測站的分布合理上均有較大程度的提高,并且首次考慮了大氣造成的非潮汐負載效應,同時提出了震后形變模型,采用了非線性模型來維持框架點坐標[5-6].

然而每次ITRF框架更新,GNSS數(shù)據(jù)解算的框架也要更新,GNSS數(shù)據(jù)成果都要轉(zhuǎn)到統(tǒng)一的參考框架下.早期有占偉等[7]研究了ITRF2000與ITRF2005的差異對 GNSS數(shù)據(jù)處理的影響,得出經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換后,兩個框架下的測站坐標差異和基線差異在毫米級,水平速度場的差異隨研究范圍的縮小而減小.楊文峰等[8]通過對不同的ITRF參考框架下的同一站點數(shù)據(jù)進行解算,驗證了GAMIT/GLOBK軟件對GNSS數(shù)據(jù)的基線的解算結果精度與ITRF參考框架無關, 而與各種改正模型和數(shù)據(jù)預處理有關.

由于IGS站點數(shù)據(jù)多,解算工作量大,為了統(tǒng)一參考框架目前我們對GNSS數(shù)據(jù)的點位移解算都是依賴于SOPC網(wǎng)站提供的二進制H文件.2017年該網(wǎng)站有將近三個月不更新數(shù)據(jù),我們的點位移解算也跟著停滯了,這非常影響我們工作的時效性.本文主要利用云南及周邊地區(qū)的GNSS觀測資料,通過自主解算全球IGS站點數(shù)據(jù)來統(tǒng)一參考框架,進行坐標精度分析,并與ITRF2014下的測站坐標、基線長度、速度場作比較分析.所以此項研究有利于提高我們解算數(shù)據(jù)的獨立性,即減少對SOPAC網(wǎng)站的依賴,統(tǒng)一參考框架,為云南地區(qū)的短臨預報提供實時、可靠的數(shù)據(jù)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 基線解算

本文采用GAMIT/GLOBK10.6軟件對基線進行處理,選取HYDE、BJFS、IRKT、PIMO、GUAO、IISC、USUD、TSKB、WUHN、TWTF、LHAZ、URUM 等十幾個中國及周邊的 IGS 跟蹤站與2015年-2016年云南及周邊地區(qū)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的35個基準站的GNSS觀測資料(站點如圖1所示,藍色小三角表示基準站)聯(lián)合進行數(shù)據(jù)預處理.IGS 核心站強約束(水平方向 0.005～0.020 m、垂直方向 0.020～0.050 m),主要的模型選擇和參數(shù)設置如表1所示[2-3，9]:

圖1 云南及周邊基準站分布圖

表1 基線解算參數(shù)設置

參數(shù)設置 數(shù)據(jù)采樣間隔/s30衛(wèi)星截止高度角/(°)10° 觀測模式LC-AUTULN 天頂延遲改正模型VMF1 固體潮模型IERS03 海潮模型FES2004 天頂延遲參數(shù)個數(shù)(個/2小時)1

1.2 框架解算及平差

為得到高精度的數(shù)據(jù)處理結果,首先按照連續(xù)性、穩(wěn)定性、高精度、多中解、平衡性和精度一致性等原則優(yōu)化選取框架點[10-11],本文篩選2015年-2016年347個穩(wěn)定性較好的全球IGS測站數(shù)據(jù)(如圖2所示,黃色五角星表示IGS站點),采用麻省理工學院開發(fā)的GAMIT/GLOBK10.6軟件與SOPAC網(wǎng)站提供的全球IGS測站約束文件sittbl.(選取了全球穩(wěn)定性較好分布均勻的IGS站作強約束),運用間距分區(qū)法[12]將347個IGS測站分為7個子網(wǎng)進行了分區(qū)解算,其中IGS 核心站強約束(水平方向0.02～0.05 m,垂直方向0.05～0.1 m),全球IGS站基線解算策略參數(shù)與1.1基線解算的參數(shù)設置是一致的,得到higs1a,…,higs7a(單日松弛解).

圖2 全球IGS站點分布

選取ITRF2014框架為平差基準,利用GLOBK軟件將GAMIT處理得到的云南及周邊測站單日松弛解和上述解算的全球IGS 站的單日松弛解合并.考慮到點位坐標的精度,在點位移的求取過程中對每 4 天的數(shù)據(jù)進行綜合平差,得到一個點位靜態(tài)解.綜合2年來各期基準站的坐標得到自主解算框架下的測站坐標時間序列和速度場.同樣選取ITRF2014框架為平差基準,利用GLOBK軟件將從SOPAC網(wǎng)站上下載全球的H文件與云南及周邊測站單日松弛解進行合并,得到ITRF2014框架下測站點位坐標與速度場.

2 坐標精度分析

GPS常用的評價坐標精度的指標有坐標均方根誤差和坐標重復性精度,其中坐標重復性精度的計算公式如下[13]:

(1)

(2)

在自主解算的框架下,用GLOBK綜合求解2015年-2016年云南及周邊地區(qū)35個基準站的坐標,測站坐標均方根誤差如圖3所示,坐標均方根誤差水平方向在0.7 mm以內(nèi),垂直方向在0.3 mm以內(nèi);按式(1)、(2)計算得到的坐標重復性精度如圖4所示,水平方向的坐標重復性精度在5 mm以內(nèi),滿足精度要求,而垂直方向坐標的重復性精度大多數(shù)在2.5 cm以內(nèi),精度較差.其中,測站季節(jié)性非構造變動對垂直分量的測定有直接的影響.從坐標均方根誤差和坐標重復性精度統(tǒng)計圖來看:在自主解算框架下測站坐標的解算精度是可靠的,可以滿足地震監(jiān)測的實際需要.

圖3 測站坐標均方根誤差

由于在自定義框架和ITRF2014框架下GLOBK平差是所選的平差基準一致(ITRF2014框架),分析兩個框架下的坐標差異,無需做基準轉(zhuǎn)換.在分析測站運動中經(jīng)常用站心坐標系統(tǒng)(NEU),將解算得到的2015年-2016年云南及周邊地區(qū)35個基準站在兩個框架下的空間直角坐標(XYZ)根據(jù)文獻[14-15]方法轉(zhuǎn)化到站心坐標系,坐標時間序列對應值做差比較,分別記為ΔN,ΔE,ΔU,統(tǒng)計分布情況如圖5所示,ΔN絕大多數(shù)在-8.5～2 mm,ΔE絕大多數(shù)在-8～8 mm,ΔU絕大多數(shù)在-3～3 cm,兩套坐標存在明顯的系統(tǒng)誤差,而導致這種誤差的原因有:

1)ITRF2014的輸入數(shù)據(jù)為4種空間大地測量技術(VLBI、SLR、GNSS和DORIS)提供的 SINEX 格式的站坐標,而本文自主解算框架的輸入數(shù)據(jù)只有GNSS.

2)ITRF2014由975個站址向其提供數(shù)據(jù),本文自主解算框架由穩(wěn)定性較好的347個全球分布均勻的IGS站點組成,即框架點個數(shù)和框架點分布不同.

3)加入全球IGS站點平差時,這些全球IGS站點的解算策略,組網(wǎng)方法不同.所以兩套坐標存在系統(tǒng)誤差也是合理的.

圖5 坐標差直方圖

3 基線長度分析

根據(jù)解算得到的兩套坐標分別計算基線長度,相同的基線做差比較,以6條基線長度差為例分析,如表2所示,自定義框架和ITRF2014下基線長度差隨基線長度的增大而增大,但總體而言差異很小(最大值在1～4.8 mm,標準差在2 mm以內(nèi)).

表2 自定義框架和ITRF2014下基線長度差

4 水平場速度分析

使用GLOBK軟件中的glred模塊,得到各測站的時間序列,檢查測站是否存在粗差、跳躍或精度較差的點.這些現(xiàn)象可能是由于地震、儀器更換、多路徑效應、遷站、個別天觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量差等原因?qū)е?應予以剔除[16].根據(jù)解算得到的自定義框架(Cust-om framework)和ITRF2014下的坐標,應用最小二乘法線性擬合2015年-2016年云南及周邊地區(qū)35個測站的水平速度場,如圖6所示,紅色表示在ITRF2014下的水平速度場,藍色表示自定義框架的水平速度場.按式(3)計算各測站水平運動速度標量值V和方位角α.

(3)

將兩個框架下測站的V值和α值對應值做差比較,分別記為ΔV和Δα,如表3所示.

表3 自定義框架和ITRF2014下站點速度差

從圖6和表3可以看出在兩個框架下的水平速度場差異很小,速度值差異在1 mm/a以內(nèi),方位角差異在0.02°以內(nèi),說明參考框架對水平速度場的影響較小,本文的方法也能較好地反應云南地區(qū)不同地塊之間的相互運動.

圖6 自定義框架和ITRF2014下云南水平速度場差異

5 結 論

1)在自定義框架下解算的測站坐標均方根誤差水平方向在0.7 mm以內(nèi),垂直方向在0.3 mm以內(nèi),水平方向的坐標重復性精度在5 mm以內(nèi),滿足精度要求,而垂直方向坐標的重復性精度大多數(shù)在2.5 cm以內(nèi),說明本文解算測站坐標的方法是可靠的;自定義框架和ITRF2014下的測站坐標存在系統(tǒng)誤差,水平方向上的差異在8.5 mm以內(nèi),垂直方向上的差異在3 cm以內(nèi),由于兩個框架的輸入數(shù)據(jù)和框架點分布不同,在求解全球IGS站點坐標時的解算方法和組網(wǎng)方式也不同,測站坐標存在系統(tǒng)誤差是可以接受的;

2)自定義框架和ITRF2014下基線長度的差異在2 mm以內(nèi),說明參考框架對基線長度的影響較小,也說明本文自主解算的參考框架滿足精度要求;

3)自定義框架和ITRF2014下云南及周邊地區(qū)水平速度場速度值差異在1 mm/a以內(nèi),方位角差異在0.02°以內(nèi),表明參考基準對于云南及周邊地區(qū)水平速度場的影響較小,也能用本文解算方法來測量云南地區(qū)不同地塊之間的相互運動,為云南地區(qū)短臨預報提供實時可靠的數(shù)據(jù);

在自主解算框架與ITRF2014框架下云南及周邊地區(qū)測站坐標、基線長度、水平速度場存在毫米級的差異,說明本文自主解算的框架精度是可靠的,此外自主解算參考框架耗時較長、工作量較大,以后我們將從如何提高解算速度方面進行研究.