不同精密星歷對震時(shí)高頻GNSS解算結(jié)果精度分析

師蕓,申靖宇, 鄔康康,張璐,曹翠華,田凡

(西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引 言

近年來,隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)相關(guān)技術(shù)水平的不斷提高,高頻GPS接收機(jī)的性能大大增加,GNSS在監(jiān)測地殼形變中已經(jīng)得到很好的應(yīng)用,同時(shí)對加速度的地震儀器記錄有很大的補(bǔ)充功能[1-3]．

當(dāng)今,具有高頻動態(tài)定位模塊的幾大高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件,如GAMIT中TRACK模塊具有相對差分動態(tài)定位功能,Bernese軟件以及GIPSY軟件和武漢大學(xué)的PANDA軟件都具有精密單點(diǎn)定位(PPP)模塊,采用的是非差動態(tài)定位[4-6]．

在震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)處理中需要星歷數(shù)據(jù),星歷分為廣播星歷和精密星歷．國際GNSS服務(wù)(IGS)為了滿足不同類型用戶的需求提供了不同精度的星歷,如廣播星歷、最終精密星歷(IGF)、快速精密星歷(IGR)、超快速精密星歷．廣播星歷可實(shí)時(shí)獲得、精度最低,一般用于低精度定位;而要高精度定位,則必須應(yīng)用精密星歷．由于IGS數(shù)據(jù)中心提供的IGF存在一定的延遲,在地面形變監(jiān)測、震時(shí)數(shù)據(jù)反演、短臨地震預(yù)測等定位領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用．因此,分析不同星歷文件對震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)解算結(jié)果精度影響分析就顯得尤為重要．

表1示出了IGS公布的不同星歷的精度和時(shí)延信息．

表1 GPS衛(wèi)星星歷產(chǎn)品

由表1可知,不同星歷文件的獲取時(shí)間延遲是不同的,其中,IGR的延遲時(shí)間比IGF延遲時(shí)間大大縮短．因此,隨著震時(shí)高精度高頻率定位工作效率的提高,就需要針對不同精密星歷分析其對震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度比較和分析, 是本文的重點(diǎn)．

采用GAMIT/TRACK軟件動態(tài)單點(diǎn)定位的方法,解算UTC時(shí)間2010年4月4號墨西哥Baja地震周圍GPS站為5 Hz高頻觀測數(shù)據(jù)的結(jié)果來說明不同星歷對震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)解算結(jié)果影響．

1 定位理論

在進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)處理時(shí),一般包括兩種定位模式:單點(diǎn)定位和相對定位．不同精密星歷對兩種定位模式的影響也是不同的．

1.1 單點(diǎn)定位

20世紀(jì)70年代精密單點(diǎn)定位(PPP)概念被提出[7]．通常情況下,不考慮系統(tǒng)誤差、偶然誤差和觀測市場誤差等因素影響時(shí),GPS衛(wèi)星星歷誤差量級與衛(wèi)星單點(diǎn)定位量級總體上一致[8-9]．

1.2 相對定位

GPS衛(wèi)星星歷誤差相對定位的影響公式如下:

2 實(shí)例分析

主要使用由美國麻省理工學(xué)院(MIT)研制的GAMIT/軟件,Track是其中的一個(gè)單歷元?jiǎng)討B(tài)定位模塊,能處理獲取的高頻GNSS數(shù)據(jù)[12-14]．

2.1 數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)報(bào)道,2010年4月4日UTC時(shí)間22點(diǎn)40分42秒,墨西哥Baja California(32.259 °N,115.287 °W) 北部發(fā)生Ms7.2級地震,本文選取了Baja地震周圍的(P494、P496、P497、P501、P508)5個(gè)GPS觀測站采樣率為5 Hz的高頻數(shù)據(jù),圖1為GPS觀測站站點(diǎn)圖,圖中ZX表示Baja震中位置．星歷文件由IGS提供的ftp下載(ftp://igs.ensg.ign.fr/pub/igs/products/),GPS高頻觀測數(shù)據(jù)由UNAVCO機(jī)構(gòu)提供,可從該機(jī)構(gòu)提供的ftp下載(ftp://data-out.unavco.org/pub/highrate/rinex/)．

圖1 GPS觀測站分布圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

對于Baja地震周圍的(P494、P496、P497、P501、P508)5個(gè)GPS觀測站,進(jìn)行震時(shí)高頻數(shù)據(jù)處理時(shí),選取離震源較遠(yuǎn)P508站作為參考站,其他幾個(gè)站為觀測站,利用GAMIT軟件的Track模塊進(jìn)行震時(shí)高頻數(shù)據(jù)解算,選取22:00—24:00時(shí)間段共36 000個(gè)歷元的GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理．

2.3 結(jié)果分析

分別采用IGS數(shù)據(jù)中心提供的IGR和IGF數(shù)據(jù)進(jìn)行震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)解算,處理的結(jié)果大體上都相差很小,選取近震區(qū)的P494和P497兩個(gè)站數(shù)據(jù)處理的結(jié)果進(jìn)行分析,得到兩個(gè)站點(diǎn)瞬時(shí)同震形變時(shí)間序列E、N、U方向的解算結(jié)果,如圖2所示．

圖3 IGR星歷P494、P497兩站E、N、U方向結(jié)果

圖4 不同精密星歷對P494站處理的E、N、U方向結(jié)果對比

從圖4中可以看出采用IGR和IGF兩種星歷在進(jìn)行震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果趨勢基本一致．

由于兩種星歷處理的結(jié)果相差不大并且處理的歷元數(shù)據(jù)量較大,因此,使用MATLAB軟件每隔50個(gè)歷元取一個(gè)數(shù)據(jù)比較兩種星歷處理的震時(shí)高頻數(shù)據(jù)結(jié)果的差值,結(jié)果如圖5所示

圖5 兩種精密星歷對P494站處理的E、N、U方向結(jié)果差值

從圖5中可以看出,兩種星歷處理的結(jié)果差值,在E方向差值閾值為0～3 cm,RMS值為1.071 7;N方向差值閾值為-0.5～3.5,RMS值為1.242 5 cm．U方向差值閾值為-1～4 cm,RMS值1.868 0,E、N、U方向偏差總體來看,當(dāng)X軸值在200～300時(shí)對應(yīng)歷元為10 000～15 000,此時(shí)是地震發(fā)生期間,差值較周圍變化大且變化值在1 cm左右．

圖6 P494站兩種星歷處理結(jié)果E、N、U方向差值圖

圖7 P497站兩種星歷處理結(jié)果E、N、U方向差值圖

綜合圖5、6、7整體分析,在10000～15000歷元時(shí)(地震發(fā)生期間),E、N、U方向兩種星歷處理結(jié)果偏差較其他時(shí)間段的結(jié)果偏差大,最大差值不超過4 cm．其他時(shí)間段的結(jié)果偏差較小,且E、N方向最大差值不超過2.2 cm,U方向結(jié)果偏差較大整體偏差在-1～4 cm．

整體來看,對于IGR和IGF震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)解算結(jié)果的差值,最大差值為4 cm,且在E、N方向偏差很小,U方向差別稍大些．為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果,本文使用美國地質(zhì)調(diào)查局2010年Baja地震發(fā)生的時(shí)間與解算結(jié)果分析得到的時(shí)間進(jìn)行對比,如圖8所示．

圖8 P494站E、N、U方向的同震形變位移時(shí)間序列圖

從圖8中,可以看出,兩種星歷的震時(shí)解算時(shí)間序列和震時(shí)變化幅度的結(jié)果一致,在第12 130個(gè)歷元時(shí)即22時(shí)40分26秒時(shí)刻E、N、U方向發(fā)生突變．美國地質(zhì)調(diào)查局公布Baja地震發(fā)生時(shí)刻為22時(shí)40分42秒,解算結(jié)果反應(yīng)地震波到達(dá)GPS觀測站(P494)的時(shí)間為22時(shí)40分26秒,P494觀測站與震中位置相距約95 km,地震波傳播平均速度為3.939 km/s[15],可以推算出地震發(fā)生時(shí)刻為22時(shí)40分48秒,與美國地質(zhì)調(diào)查局公布發(fā)震時(shí)間相差6 s,這是由于地殼內(nèi)部雜質(zhì)復(fù)雜且分布不均勻,導(dǎo)致地震波在各個(gè)方向上的傳播速度不同造成的．

3 結(jié)束語

本文通過使用不同的精密星歷對2010年4月4日Baja地震周圍5個(gè)GPS觀測站5 Hz的高頻觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得了不同精密星歷對震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)動態(tài)單歷元定位的精度影響,并對不同精密星歷處理結(jié)果進(jìn)行精度分析．可以得到以下結(jié)論:

1)在進(jìn)行震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)處理時(shí),在同一種定位模式下采用不同的精密星歷得到的震時(shí)高頻GNSS解算結(jié)果是大致相同的．

2)不同精密星歷在進(jìn)行震時(shí)高頻數(shù)據(jù)解算時(shí)解算結(jié)果之間的差值不大,在E、N方向上差值最大不超過2.2 cm,RMS值分別為1.071 7和1.242 5,在U方向上差值最大不超過4 cm,RMS值為1.868,U方向的差值較E、N方向差值大些是由于GPS U方向定位精度比E、N方向低．

3)在地震期間不同精密星歷處理結(jié)果之間的差值較平常結(jié)果差值大1 cm左右,但不同精密星歷處理結(jié)果反映地震波到達(dá)觀測站的時(shí)間幾乎是一致的．

4)在進(jìn)行震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)解算過程中,可以進(jìn)行不同精密星歷之間的替代使用,對解決解算震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)獲取IGF時(shí)延較長的問題有很大幫助．