GNSS基準(zhǔn)站連續(xù)觀測(cè)資料應(yīng)用研究

夏小波

摘要：GNSS觀測(cè)資料應(yīng)用的基本思路是通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理的結(jié)果有無約束平差產(chǎn)出的基線和約束平差產(chǎn)出的點(diǎn)位移兩種，數(shù)據(jù)過程中雖然進(jìn)行了各種模型的改正，但解算結(jié)果中仍然存在誤差，因此對(duì)基線進(jìn)行滑動(dòng)均值等方法處理，處理后的結(jié)果可用于斷層的活動(dòng)性分析，點(diǎn)位移則用于分析云南省內(nèi)主要塊體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：GNSS基準(zhǔn)站;連續(xù)觀測(cè)資料應(yīng)用

隨著空間技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（ GNSS） 相關(guān)技術(shù)已經(jīng)逐漸成為導(dǎo)航、定位領(lǐng)域的主要手段，而且占據(jù)了廣闊的市場(chǎng)。而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，又為GNSS 技術(shù)的應(yīng)用拓展了一個(gè)高精度、高效率、高可靠性的應(yīng)用空間。在GNSS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)不斷完善的基礎(chǔ)上，我國GNSS 連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)建設(shè)已全面展開。

1 相關(guān)現(xiàn)狀

連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)可以維持相應(yīng)區(qū)域的高精度、三維、地心、動(dòng)態(tài)坐標(biāo)框架，提供集約化的定位和導(dǎo)航服務(wù)，可廣泛服務(wù)于國家大地基準(zhǔn)、氣象、地球動(dòng)力學(xué)、地學(xué)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，以及位置服務(wù)等領(lǐng)域。但由于地區(qū)和行業(yè)差異，各部門在建設(shè)GNSS 連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)時(shí)技術(shù)要求不盡相同，相互之間也不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，有些地區(qū)存在重復(fù)建設(shè)、資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。因此需要制定相關(guān)技術(shù)規(guī)范，明確規(guī)定基準(zhǔn)站選址、基建、設(shè)備配置、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)等諸多環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，并在數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、信號(hào)編碼和傳輸格式等大的方面提出統(tǒng)一格式，使基準(zhǔn)站網(wǎng)的建設(shè)、管理和運(yùn)行規(guī)范化、制度化，改變過去多樣化、無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，使各系統(tǒng)在全國范圍整體應(yīng)用上充分發(fā)揮其作用，實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、信息共享，并為大地測(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、國家框架基準(zhǔn)的維護(hù)奠定基礎(chǔ)。在基準(zhǔn)站的建設(shè)上應(yīng)采取如下措施：基準(zhǔn)站地基堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，視野應(yīng)寬闊，遠(yuǎn)離大功率無線點(diǎn)發(fā)射源等不利因素。同時(shí)應(yīng)在選定的站址上架站測(cè)試數(shù)據(jù)，采集24h的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，從而更清楚地了解擬建站址周邊的環(huán)境是否存在對(duì)參考站的干擾，有否引起多路徑效應(yīng)的反射物以及電離層，對(duì)流層的影響情況，從而確保參考站系統(tǒng)建設(shè)的質(zhì)量。

2 GNSS基準(zhǔn)站連續(xù)觀測(cè)資料應(yīng)用研究

2.1 處理軟件。目前，國際上廣泛使用三大高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件，由于軟件采用的是開源代碼形式，因此得到了更為廣泛的運(yùn)用，也使用此軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。地球參考框架是天文學(xué)和地學(xué)界研究的基本問題之一，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)地球參考框架的建立與維持提出了越來越高的要求。國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)發(fā)布的國際地球參考框架序列是國際上公認(rèn)的精度最高，穩(wěn)定性最好的參考框架。在數(shù)據(jù)解算過程中，可以通過選擇各種不同的模型對(duì)處理過程進(jìn)行干預(yù)，模型的選擇對(duì)解算結(jié)果的精度有一定的影響，為了滿足分析數(shù)據(jù)處理需求，筆者采用了衛(wèi)星軌道的松弛模式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，有利于最大限度地利用區(qū)域觀測(cè)數(shù)據(jù)精化衛(wèi)星軌道，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)處理結(jié)果的一致性;并引人了固體潮模型和海潮模型對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行改正;此外，由于數(shù)據(jù)的觀測(cè)誤差主要來源于信號(hào)的多路徑效應(yīng)和大氣對(duì)流層的折射，這些誤差與衛(wèi)星的截止高度角密切相關(guān)，因此筆者采用了依據(jù)衛(wèi)星截止高度角ELEV定權(quán)的方法，以減少誤差;數(shù)據(jù)處理時(shí)還引入了極移、歲差、章動(dòng)等物理效應(yīng)數(shù)據(jù)，用模型進(jìn)行改正。如果基準(zhǔn)站延遲時(shí)間過長，則該基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)將不參與整網(wǎng)解算，會(huì)影響差分信息的質(zhì)量。當(dāng)全球坐標(biāo)框架發(fā)生變化、更新時(shí)，或由于地殼運(yùn)動(dòng)、地面沉降等自然或人為因素造成基準(zhǔn)站顯著位移時(shí)?；鶞?zhǔn)站接收機(jī)采樣率越高，生成的虛擬觀測(cè)值與原始觀測(cè)值的一致性越好，且所有觀測(cè)衛(wèi)星均體現(xiàn)這一規(guī)律。分析其原因大概有兩點(diǎn)：一方面，接收機(jī)鐘差隨著時(shí)間變化較為迅速并且沒有規(guī)律，采樣率越小影響越大;另一方面，采樣率越高，對(duì)流層延遲、電離層延遲等誤差項(xiàng)差異越小，保證了觀測(cè)值的一致性。采樣率越高出現(xiàn)跳動(dòng)的次數(shù)越少，且幅值明顯更小，任選一顆衛(wèi)星做星際單差后發(fā)現(xiàn)跳動(dòng)未再出現(xiàn)，故推測(cè)是接收機(jī)鐘差的影響。

2.2 觀測(cè)值生成。基準(zhǔn)站虛擬觀測(cè)值的生成，就是選取非采樣點(diǎn)最近鄰的前后兩個(gè)觀測(cè)歷元的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算其殘差，并擬合得到非采樣點(diǎn)的殘差，最終獲取虛擬觀測(cè)值。接收機(jī)通常使用石英鐘，它的鐘差略大，不夠穩(wěn)定，沒有明顯的變化規(guī)律?；诮邮諜C(jī)鐘的這種特性，將其鐘差作為未知參數(shù)估計(jì)，利用精度能夠達(dá)到對(duì)流層濕延遲難以使用固定的模型加以修正，也將它作為待求解參數(shù)，利用對(duì)流層天頂濕延遲的精度可以達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)別。利用消電離層組合對(duì)非采樣點(diǎn)前后兩個(gè)觀測(cè)歷元的基準(zhǔn)站參數(shù)加以估計(jì)，而基準(zhǔn)站坐標(biāo)精確已知，待估參數(shù)僅包括接收機(jī)鐘差、對(duì)流層天頂濕延遲和消電離層模糊度。對(duì)流層天頂干延遲、衛(wèi)星鐘鐘差等可通過剩余的不能或微小誤差歸入到殘差中。利用測(cè)站真實(shí)坐標(biāo)便可真實(shí)衛(wèi)地距，再與觀測(cè)值和上述誤差項(xiàng)一并求取兩個(gè)同步歷元的殘差。由于電離層延遲隨著時(shí)間變化較為緩慢，因此，通過一階多項(xiàng)式函數(shù)擬合獲取非采樣點(diǎn)殘差中的該項(xiàng)誤差;再通過相關(guān)獲得非采樣點(diǎn)衛(wèi)星鐘鐘差、對(duì)流層延遲、衛(wèi)地距;進(jìn)一步獲取非采樣點(diǎn)的虛擬觀測(cè)值。由于接收機(jī)鐘差變化快、規(guī)律性差且在差分時(shí)完全可以消掉，故在非采樣點(diǎn)處不再考慮。

2.3 點(diǎn)位移的應(yīng)用。點(diǎn)位移在直觀性和可靠性方面更具優(yōu)越性，因?yàn)辄c(diǎn)位移的變化反映的是單點(diǎn)的信息，而基線反映兩個(gè)點(diǎn)間的相對(duì)位置，與兩個(gè)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)相關(guān)，且點(diǎn)位移是通過多條觀測(cè)基線平差得到，存在多余觀測(cè)值，可靠性好。但它也有局限性，因?yàn)辄c(diǎn)位移的求解存在框架的選擇問題，點(diǎn)位的速度場(chǎng)會(huì)因所選取的參考基準(zhǔn)的不同而呈現(xiàn)不同的圖像，但其所包含的相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息不變，為了選擇一個(gè)好的參考框架，能夠真實(shí)反映內(nèi)部各個(gè)塊體問的相對(duì)變化情況，在試算分析之后，我們選擇了點(diǎn)作為參考，因?yàn)樵擖c(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定，求出其他點(diǎn)位為參考的相對(duì)位移。在點(diǎn)位移的求取過程中采用了4天數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差，點(diǎn)位坐標(biāo)的精度得到了大幅提高，確保了點(diǎn)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可靠性。各個(gè)點(diǎn)位由于數(shù)據(jù)時(shí)間長短不同，運(yùn)動(dòng)量的差異也比較大，但點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)方向從最初的東向，這些現(xiàn)象都表明菱形塊體的南向運(yùn)動(dòng)受到了阻擋，地震之前塊體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了背離長期運(yùn)動(dòng)背景的現(xiàn)象。

GNSS基準(zhǔn)站站點(diǎn)的建成，地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作增加了一個(gè)高精度、高可靠性、全天候服務(wù)的監(jiān)測(cè)手段，從基線數(shù)據(jù)、點(diǎn)位移數(shù)據(jù)的分析中可以看出，在地震發(fā)生前，GNSS站點(diǎn)所反映的地殼運(yùn)動(dòng)信息中包含的一些現(xiàn)象值得我們關(guān)注，如何對(duì)這些信息進(jìn)行深加工、處理是今后我們面對(duì)的主要問題，在今后的工作中還有許多方法值得探索，讓GNSS觀測(cè)資料在地震預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)中的作用得到更為充分的體現(xiàn)。

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