GSCORS不穩(wěn)定站坐標(biāo)時(shí)間序列分析

達(dá)朝宗

(1. 甘肅省測(cè)繪工程院, 甘肅 蘭州 730000; 2. 甘肅省應(yīng)急測(cè)繪研究中心, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

甘肅省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站(GanSuContinuously Operating Reference Stations-GSCORS)是甘肅省新一代大地測(cè)量基準(zhǔn)體系的重要組成部分。由站間距在60 km內(nèi)的114座基準(zhǔn)站組成,目前已與青海、陜西、四川等周邊省份接邊,在網(wǎng)運(yùn)行站點(diǎn)140余座?；鶞?zhǔn)站作為全省2000國家大地坐標(biāo)系的框架點(diǎn),其位置穩(wěn)定對(duì)整個(gè)省級(jí)參考框架網(wǎng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。目前已有大量參考文獻(xiàn)介紹了用測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的位置穩(wěn)定性進(jìn)行分析,得到了豐碩的研究成果[1-4]。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列構(gòu)成成分復(fù)雜,穩(wěn)定基準(zhǔn)站序列中的主要信號(hào)有板塊運(yùn)動(dòng)引起的線性趨勢(shì)項(xiàng),水平方向比較明顯,地表物質(zhì)遷移引起的年周期信號(hào),垂直方向比較明顯。通過數(shù)學(xué)建模、地球物理改正可對(duì)這部分信號(hào)予以消除[5-7]。不穩(wěn)定基準(zhǔn)站中的信號(hào)需結(jié)合具體站點(diǎn)進(jìn)行分析,做到“一站一策”,以此維護(hù)基準(zhǔn)站的穩(wěn)定,確保省級(jí)參考框架的穩(wěn)定。本文對(duì)114個(gè)GSCORS站中6個(gè)不穩(wěn)點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)間序列進(jìn)行分析,查明了造成基準(zhǔn)站不穩(wěn)定的因素,通過在實(shí)地檢校、施工等方式對(duì)影響基準(zhǔn)站穩(wěn)定的因素予以消除。本文介紹的不穩(wěn)定測(cè)站時(shí)間序列分析方法對(duì)維護(hù)省級(jí)參考站的穩(wěn)定性具有重要參考意義。

1 數(shù)據(jù)收集與處理

對(duì)收集到的114個(gè)GSCORS站近4.5年(2013年7月至2017年12月)的觀測(cè)數(shù)據(jù)用GAMIT/GLOBK10.7軟件進(jìn)行處理。為獲取ITRF2014框架下的站點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)間序列,數(shù)據(jù)處理時(shí)選取周邊7個(gè)IGS站(BJFS、WUHN、SHAO、URUM、LHAZ、ULAB、TWTF)與6個(gè)中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(CMONOC)站(GSAX、GSJY、GSPL、GSWD、GSMX、GSGL)作為框架點(diǎn)。因站點(diǎn)數(shù)量較多,考慮到計(jì)算機(jī)性能與軟件處理效率,將114個(gè)GSCORS站按等距離法分成3個(gè)子網(wǎng),每個(gè)子網(wǎng)與15個(gè)框架點(diǎn)進(jìn)行解算,子網(wǎng)劃分見圖1[8-9]。

圖1 站點(diǎn)分網(wǎng)圖

數(shù)據(jù)處理分兩部分完成:利用GAMIT處理載波相位觀測(cè)得到各子網(wǎng)的單日解(包括約束解和松弛解);利用GLOBK將區(qū)各子網(wǎng)單日松弛解文件通過選取的框架點(diǎn)合并,得到一個(gè)包含測(cè)站、極移和衛(wèi)星參數(shù)松弛解及方差-協(xié)方差矩陣的單日解文件[10]。對(duì)形成的最終單日解文件用glred命令獲取測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列。

測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列的單日解重復(fù)性(wrms)、標(biāo)準(zhǔn)化均方根是評(píng)價(jià)序列精度的主要指標(biāo),兩個(gè)指標(biāo)分析結(jié)果見圖2、圖3。

由圖2、圖3顯示的測(cè)站W(wǎng)rms、Nrms統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，除GSMQ、BYHN、QYTB測(cè)站外，其余測(cè)站精度指標(biāo)按95%的置信度統(tǒng)計(jì),Wrms指標(biāo)(南北)、(東西)方向優(yōu)于2.1 mm,U(垂直)方向優(yōu)于4 mm;Nrms指標(biāo)N、E方向優(yōu)于4 mm,U方向優(yōu)于2.3 mm。因GSMQ站在2014年第134天高程方向有59 mm的躍階,經(jīng)分析為更換天線所致,BYHN、QYTB站時(shí)間序列變化不穩(wěn)定,故導(dǎo)致3個(gè)站的Wrms、Nrms值偏大。經(jīng)分析測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列精度高,為后續(xù)序列分析奠定基礎(chǔ)。

圖2 測(cè)站單日解重復(fù)性統(tǒng)計(jì)圖

圖3 測(cè)站標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差統(tǒng)計(jì)圖

2 不穩(wěn)定站點(diǎn)時(shí)間序列分析

受各種因素綜合影響,連續(xù)GNSS基準(zhǔn)站不可能絕對(duì)穩(wěn)定,主要原因如下:

(1)基準(zhǔn)站自身因素:基站建設(shè)初期到基本穩(wěn)定期間觀測(cè)墩的位移變化、測(cè)站地質(zhì)不穩(wěn)定導(dǎo)致觀測(cè)墩下沉或傾斜、周邊環(huán)境變化引起站點(diǎn)坐標(biāo)短期變化。

(2)人為因素:受單位基建、動(dòng)土、搬遷等影響,部分基站需要搬遷;基站出現(xiàn)故障時(shí),維護(hù)人員對(duì)天線的更換造成測(cè)站坐標(biāo)特別是高程方向的變化。

(3)地殼運(yùn)動(dòng):省內(nèi)二級(jí)板塊分布較廣,不同小板塊之間的相互運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致各連續(xù)運(yùn)行參考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)向不同方向移動(dòng),從而使整個(gè)CORS基準(zhǔn)網(wǎng)型發(fā)生變化,甚至扭曲。

(4)地質(zhì)災(zāi)害:頻繁發(fā)生的大小地震對(duì)基準(zhǔn)站的影響。

對(duì)獲取的114基準(zhǔn)站的站點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)間序列逐站進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)93%以上的甘肅省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列變化平穩(wěn),站點(diǎn)位置穩(wěn)定,部分穩(wěn)站點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)間序列見圖4。

圖4 穩(wěn)定基準(zhǔn)站序列

BYHN、LZSH、QYTB、GNLM、BYYX、LNKX等站穩(wěn)定性差。其中BYHN、LZSH、QYTB三個(gè)站高程方向沉降量較大;GNLM、BYYX、LNKX表現(xiàn)在水平方向上有異常形變量。以下四類:

(1)地質(zhì)因素不穩(wěn)定引起的站點(diǎn)持續(xù)沉降,如BYHN、QYTB站,站點(diǎn)序列見圖5。BYHN站累積沉降量達(dá)160 mm、QYTB累積沉降量在50 mm左右。而同區(qū)域的測(cè)站在U方向上整體表現(xiàn)為上升趨勢(shì),如圖4中的BYJY站。

圖5 持續(xù)沉降站坐標(biāo)時(shí)間序列圖

(2)站點(diǎn)運(yùn)行初期沉降量較大,后期趨于平穩(wěn)變化,如LZSH站,站點(diǎn)序列見圖6。

圖6 LZSH站坐標(biāo)時(shí)間序列圖

LZSH站U方向在站點(diǎn)運(yùn)行初期(2013年7月至2014年4月)沉降速率約為16 mm/a,在2014年4月至今沉降速率趨于穩(wěn)定,約6 mm/a,前期的大幅沉降對(duì)測(cè)站垂向速率的估計(jì)帶來了很大程度的偏差,如圖6中給出的沉降速率為15.7 mm/a。

(3)站點(diǎn)周圍施工或地基處理不到位導(dǎo)致觀測(cè)墩傾斜,如GNLM、LNKX站,站點(diǎn)序列分析如下:

圖7(a)、(c)、(e)顯示:GNLM站在2017年6月之前站點(diǎn)序列變化平穩(wěn),6月份之后站點(diǎn)序列N、E、U三個(gè)方向短時(shí)間內(nèi)發(fā)生偏移,為確定該站的偏移量,扣除了序列中因板塊運(yùn)動(dòng)引起的固有趨勢(shì)項(xiàng),如7(b)、(d)、(f)顯示:N方向向北偏移、偏移量10 mm,E方向向東偏移、偏移量24 mm,總的偏移方向?yàn)楸逼珫|67°、偏移量約26 mm;U方向沉降約26 mm,站點(diǎn)坐標(biāo)水平序列偏移趨勢(shì)表明測(cè)站高程坐標(biāo)變化是由觀測(cè)墩傾斜引起的。

2017年基準(zhǔn)站巡查維護(hù)中發(fā)現(xiàn)該站觀測(cè)墩有傾斜現(xiàn)象,用全站儀對(duì)墩體垂直度進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)該站向東北方向發(fā)生約2.6 cm位移,與時(shí)間序列分析結(jié)果高度吻合。

圖8(a)、(c)、(e)顯示:LNKX站在2017年7月之前站點(diǎn)序列變化平穩(wěn),7～9月份之后站點(diǎn)序列N、E、U三個(gè)方向短時(shí)間內(nèi)發(fā)生偏移,9月份之后偏移出現(xiàn)拐點(diǎn),有恢復(fù)原狀的趨勢(shì)。類似圖7的處理方式,扣除序列中的趨勢(shì)項(xiàng),如8(b)、(d)、(f)顯示:7～9月份,N方向向南偏移、偏移量30 mm,E方向向東偏移、偏移量32 mm,總的偏移方向?yàn)闁|偏南45°、偏移量約43 mm;U方向約30 mm的沉降,而在9月份之后,觀測(cè)墩偏移狀況與7～9月份相反,U方向開始抬升,因站點(diǎn)數(shù)據(jù)處理到2017年底,后續(xù)變化趨勢(shì)未知。

圖8 LNKX站坐標(biāo)時(shí)間序列圖

圖9 BYYX站坐標(biāo)時(shí)間序列圖

(4)觀測(cè)環(huán)境引起的序列周期性變化,如BYYX站,站點(diǎn)序列見圖9。

圖9(a)、(c)、(e)顯示:BYYX站N方向在2016年1月至2017年12月出現(xiàn)年周期性波動(dòng)?？鄢诵蛄兄械内厔?shì)項(xiàng),如9(b)、(d)、(f)顯示,該站N、E方向出現(xiàn)約9 mm的年周期波動(dòng),U方向沒有明顯變化。不同于第三類中GNLM、LNKX站,該站N、E方向位移波動(dòng)沒有引起U向波動(dòng),分析原因可能與站點(diǎn)環(huán)境變化有關(guān)。2019年基準(zhǔn)站實(shí)地維護(hù)時(shí)發(fā)現(xiàn)該站四周樹木較茂盛,初步分析為樹木遮擋影響數(shù)據(jù)質(zhì)量造成站點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)生微小變化。

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)分析了114個(gè)GSCORS站近4.5年的時(shí)間序列,篩選出6個(gè)具有代表性的不穩(wěn)定基準(zhǔn)站,并對(duì)各站測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間進(jìn)行分析,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)造成省級(jí)CORS站不穩(wěn)定的原因復(fù)雜,分析時(shí)不能僅依據(jù)已有的序列模型,需結(jié)合站點(diǎn)實(shí)際情況,逐一分析。

(2)因觀測(cè)墩傾斜導(dǎo)致站點(diǎn)位置在N、E、U方向偏移時(shí),應(yīng)扣除板塊運(yùn)動(dòng)引起的固有趨勢(shì)項(xiàng)后估測(cè)偏移量,否則估測(cè)的偏移量值不準(zhǔn)確。

(3)對(duì)U方向持續(xù)沉降而N、E無偏移量的測(cè)站,通過定期分析,掌握沉降規(guī)律后在相關(guān)網(wǎng)絡(luò)RTK播發(fā)平臺(tái)中對(duì)高程坐標(biāo)定期予以更新,可視為穩(wěn)定基準(zhǔn)站正常使用。