基于PPP 技術(shù)的省級(jí)CORS 站點(diǎn)速度場(chǎng)及穩(wěn)定性研究

林曉靜

（1. 湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430074）

1 HBCORS概況

HBCORS 系統(tǒng)包含參考站網(wǎng)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制中心、數(shù)據(jù)中心、用戶應(yīng)用子系統(tǒng)等5 個(gè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行情況穩(wěn)定，注冊(cè)用戶量達(dá)到400余家單位，上線用戶達(dá)到100個(gè)/d左右。其中參考站網(wǎng)子系統(tǒng)包括90個(gè)基準(zhǔn)站的雙系統(tǒng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，站點(diǎn)均勻覆蓋全省，站平均間距40～50 km。隨著2017 年湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)完成[1-3]，基準(zhǔn)站站點(diǎn)上均已安裝天寶GPS接收機(jī)和國(guó)產(chǎn)北斗接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)了HBCORS與湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)雙系統(tǒng)運(yùn)行的模式，為全省用戶提供GPS及北斗高精度定位服務(wù)。

2 數(shù)據(jù)處理

獲取HBCORS基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列既可采用雙差定位技術(shù)，也可采用非差模式的PPP技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的雙差定位，PPP 具有數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便、高效的特點(diǎn)，同時(shí)PPP利用GNSS服務(wù)IGS，提供的精密星歷和精密鐘差等產(chǎn)品可以提供基于ITRF 框架的坐標(biāo)值，可以避免雙差解算中由于其他站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)以及區(qū)域性網(wǎng)平差帶來(lái)的坐標(biāo)值影響。因此，本文采用PPP技術(shù)解算HBCORS基準(zhǔn)站坐標(biāo)。

2.1 精密單點(diǎn)定位軟件Trip

Trip 軟件是武漢大學(xué)開發(fā)的PPP 軟件，該軟件可以處理單臺(tái)GPS 雙頻接收機(jī)的非差偽距與相位觀測(cè)值，單點(diǎn)靜態(tài)定位的精度達(dá)到毫米級(jí)到厘米級(jí)，單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位的精度達(dá)到厘米級(jí)到分米級(jí)，并且可以直接得到ITRF 框架下的坐標(biāo)，同時(shí)在解算過程中不需要加入已知站點(diǎn)參與解算，不會(huì)受到解算距離的限制，可用于運(yùn)動(dòng)載體的動(dòng)態(tài)定位以及對(duì)流層參數(shù)估計(jì)等。

2.2 數(shù)據(jù)收集整理

筆者收集了HBCORS站點(diǎn)2015—2019年近5年來(lái)8月份的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，用Trip軟件進(jìn)行PPP單天定位解算，統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)歷年來(lái)坐標(biāo)值的變化情況。為了獲得高精度的速度場(chǎng)，應(yīng)盡可能采用觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)完整性較高的數(shù)據(jù)。由于其中部分站點(diǎn)遷移或者天線更換及接收機(jī)損壞等原因，沒有8月份的觀測(cè)數(shù)據(jù)或者觀測(cè)產(chǎn)生中斷不連續(xù)的情況，選取90個(gè)站點(diǎn)中5 年來(lái)每年8月份的連續(xù)觀測(cè)的65個(gè)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。

2.3 數(shù)據(jù)解算

數(shù)據(jù)解算參數(shù)設(shè)置如下：①觀測(cè)數(shù)據(jù)為65 個(gè)基準(zhǔn)站2015—2019 年8 月份采樣率為30 s 的日觀測(cè)文件；②采用IGS 提供的事后精密星歷及精密鐘差產(chǎn)品，站點(diǎn)坐標(biāo)參考框架為ITRF2014；③將接收機(jī)鐘差當(dāng)做參數(shù)進(jìn)行估計(jì)；④對(duì)流層改正選用薩斯坦莫寧（Saastamoinen）模型；⑤采用IGS 提供的天線文件改正接收機(jī)天線L1、L2相位中心偏差；⑥進(jìn)行地球潮汐改正；⑦觀測(cè)衛(wèi)星截止高度角為5°，觀測(cè)數(shù)據(jù)歷元采樣間隔為30″。

3 站點(diǎn)速度場(chǎng)及穩(wěn)定性分析

3.1 PPP解算結(jié)果精度評(píng)定

利用Trip 軟件解算所有測(cè)站2015—2019 年8 月份單天觀測(cè)數(shù)據(jù)，剔除定位解算結(jié)果中存在的粗差（由于當(dāng)天觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)過短或者其他因素引起的定位結(jié)果誤差太大），以2015年8月份（31 d）的坐標(biāo)值取平均值作為該站點(diǎn)2015年8月份的坐標(biāo)值，評(píng)定Trip軟件PPP解算的內(nèi)符合精度。如圖1所示，選取了ES01（恩施），SY01（十堰），YC01（宜昌），TM01（天門），WH03（江夏），JZ01（荊州）等6個(gè)站的解算結(jié)果進(jìn)行分析（因?yàn)槠拗拼颂幗o出了ES01、SY01、YC01 3 個(gè)站點(diǎn)的圖），統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)的解算中誤差精度，結(jié)果表明PPP單天解算結(jié)果在平面達(dá)到毫米級(jí)的精度，高程方向達(dá)到1～2 cm 左右到的精度水平，因此可以用此次算例的結(jié)果分析湖北CORS 站點(diǎn)的速度場(chǎng)及穩(wěn)定性。

圖1 HBCORS部分站點(diǎn)PPP單天解內(nèi)符合精度

3.2 水平速度場(chǎng)分析

為了分析HBCORS 站2015—2019 年站點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速率，以各站點(diǎn)2015年的坐標(biāo)成作為測(cè)站的坐標(biāo)值，統(tǒng)計(jì)2015—2019年測(cè)站的坐標(biāo)值變化，并計(jì)算出站點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度（圖2）。

圖2 HBCORS參考站在ITRF2014框架下的水平速度場(chǎng)

圖2表示了HBCORS 參考站在ITRF2014 框架下的水平速度場(chǎng)（其中紅色箭頭是單位長(zhǎng)度，表示每年1 mm的長(zhǎng)度，圖3與圖4同理），表1列出了速度值的相應(yīng)區(qū)間以及站點(diǎn)的速度場(chǎng)的中誤差，其中E 方向的平均運(yùn)動(dòng)速度為34.3 mm/a，N 方向的平均運(yùn)動(dòng)速度為-12.5 mm/a，解算精度均優(yōu)于1 mm/a；垂直U方向平均運(yùn)動(dòng)速度為-0.2 mm/a，解算精度優(yōu)于1.5 mm/a。由于這里是所有測(cè)站取平均值，故高程方向數(shù)值較小，實(shí)際上高程方向上升或者下降的幅度在2～8 mm。綜合圖3和表1來(lái)看，HBCORS參考站整體上向東南方向移動(dòng)，各個(gè)站的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本保持一致，在東西方向存在34.3 mm/a，南北方向上約12.5 mm/a的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

表1 ITRF2014框架下HBCORS 6個(gè)參考站的三維速度估值及中誤差統(tǒng)計(jì)/（mm/a）

圖3 HBCORS參考站ITRF2014框架下的垂直速度場(chǎng)

3.3 垂直速度場(chǎng)分析

圖3為湖北CORS 參考站在ITRF 框架下的垂直速度場(chǎng)，從圖3 可以看出HBCORS 站絕大多數(shù)參考站垂直方向上比較穩(wěn)定。需要指出的是，通常需要4～6 a甚至更長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)才能獲得較為客觀準(zhǔn)確的CORS站的垂向速度場(chǎng)。然而，本次收集到的CORS站觀測(cè)數(shù)據(jù)僅為每年8 月份的觀測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間序列的連續(xù)性不夠，因此垂直方向上季節(jié)性及周期性的運(yùn)動(dòng)無(wú)法做詳細(xì)的研究，所以這里得到的僅是初步結(jié)果，需要積累更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)才能獲得準(zhǔn)確的垂向速度場(chǎng)。粗略看出湖北北部有部分地區(qū)呈現(xiàn)抬高的趨勢(shì)，并且湖北中東部沉降趨勢(shì)較為明顯，整體存在2～5 mm/a的沉降。

筆者將本次計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[4]、[5]中關(guān)于HBCORS 站的速度場(chǎng)的研究做了對(duì)比分析，在水平方向上和垂直方向上的速度場(chǎng)數(shù)值接近，驗(yàn)證了本次實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性。

3.4 HBCORS站點(diǎn)穩(wěn)定性分析

前文分析了利用HBCORS站點(diǎn)分析湖北省的水平和垂直速度場(chǎng)，為了探討HBCORS 站點(diǎn)本身的穩(wěn)定性，需扣除本身所處歐亞板塊的運(yùn)動(dòng)速度，故將各站ITRF2014 框架下的速度轉(zhuǎn)換至歐亞板塊框架下[6]，轉(zhuǎn)換后得到HBCORS站相對(duì)于歐亞大陸的運(yùn)動(dòng)速度（圖4），其中測(cè)站在為E、N方向平均運(yùn)動(dòng)速度分別為7.1 mm/a、-3.7 mm/a，測(cè)定精優(yōu)于1 mm/a。與文獻(xiàn)[7]、[8]給出華南地塊6～11 mm/a 的運(yùn)動(dòng)速度基本一致，但由于板塊運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，數(shù)值上仍存在一定偏差。

圖4 HBCORS站相對(duì)于歐亞大陸的運(yùn)動(dòng)速度

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用湖北省北斗基準(zhǔn)站2015—2019年期間每年8 月份的觀測(cè)數(shù)據(jù)，剔除部分缺少8 月份觀測(cè)數(shù)據(jù)和存在粗差的站點(diǎn)，最終選取65個(gè)基準(zhǔn)站。通過分析近5 年來(lái)各站點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)間序列，分析了站點(diǎn)的穩(wěn)定性，并初步建立了湖北的速度場(chǎng)。結(jié)果表明：

1）利用PPP非差模式可以對(duì)省級(jí)CORS站點(diǎn)的速度場(chǎng)及穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，且計(jì)算過程簡(jiǎn)單易操作，計(jì)算精度高，可靠性強(qiáng)，不需要聯(lián)合外部IGS基站建立控制網(wǎng)進(jìn)行整網(wǎng)約束平差，單站即可獨(dú)立解算。

2）HBCORS參考站整體上存在東西方向34.3 mm/a，南北方向12.5 mm/a 的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，與ITRF 框架下華南地區(qū)的水平運(yùn)動(dòng)速度具有較好的一致性；在高程方向上整體存在2～5 mm/a的沉降，其中湖北北部呈現(xiàn)略微抬高的趨勢(shì)，湖北中東部沉降趨勢(shì)較為明顯，整體存在2～5 mm/a的沉降。由于本次收集到的CORS站觀測(cè)數(shù)據(jù)較短，所以這里得到的僅是初步結(jié)果，尤其是高程方向的運(yùn)動(dòng)本次不具體分析探討，因?yàn)楦訙?zhǔn)確的湖北CORS 速度場(chǎng)需要積累5 年甚至更長(zhǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)才能得到。

3）HBCORS站點(diǎn)穩(wěn)定性良好，在扣除歐亞大陸板塊運(yùn)動(dòng)速度之后，站點(diǎn)的水平運(yùn)動(dòng)速度為其中測(cè)站在為E、N方向平均運(yùn)動(dòng)速度分別為7.1 mm/a、-3.7 mm/a，基準(zhǔn)站總體穩(wěn)定性良好，沒有明顯的運(yùn)動(dòng)速度。