占 偉 劉志廣 蘇建鋒 夏 峰 孟憲綱

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

GNSS流動觀測水平速度精度評估*

占 偉 劉志廣 蘇建鋒 夏 峰 孟憲綱

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

利用GNSS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)評估了GNSS流動觀測水平速度精度，并分析了相鄰兩期觀測時間差、每期觀測時長、觀測周期對水平速度精度的影響。結(jié)果表明：按照目前的觀測模式，流動觀測與連續(xù)觀測得到的水平速度值之差的絕對值在3 mm/a以內(nèi);相鄰兩期觀測時間不一致會影響流動觀測水平速度的精度，如果絕對值在3 mm/ a以內(nèi)的速度差為可接受值，那么建議相鄰兩期觀測時期差應(yīng)控制在25天之內(nèi);延長每期觀測時間和縮短觀測周期能提高流動觀測水平速度精度。

GNSS流動觀測;水平速度場;精度評估;觀測時長;觀測周期

1 引言

自中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)(簡稱“網(wǎng)絡(luò)工程”)和中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)投入運行以來，已經(jīng)產(chǎn)生了大量的GNSS連續(xù)和流動觀測數(shù)據(jù)［1］。依據(jù)這些數(shù)據(jù)得到的地殼水平和垂直速度場，已經(jīng)成為中國大陸地殼運動、地震監(jiān)測預(yù)報等多方面研究的基礎(chǔ)［2-5］。

限于國情，網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)都保留了數(shù)千個區(qū)域站。對于這些區(qū)域站，目前采用的流動觀測模式為每隔2～3年觀測一期，每期連續(xù)觀測4天。與連續(xù)觀測相比，流動觀測存在觀測周期長、觀測時間短、觀測儀器不一致等不足，因此流動觀測得到的速度精度值得關(guān)注。盡管速度解算結(jié)果會給出各速度分量的精度，但這個精度只是內(nèi)符合精度，至今還沒有一種有效的外部手段來客觀評估流動觀測速度精度。鑒于此，本文基于GNSS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，按照流動觀測模式模擬流動觀測數(shù)據(jù)，進而評估流動觀測水平速度精度，并針對相鄰兩期觀測時間差、每期觀測時長、觀測周期對該精度的影響進行了分析，以期為流動觀測模式的制定提供依據(jù)或參考。

2 水平速度精度的評估

2.1 評估方法

圖1 YANC時間序列(2004—2007年)Fig.1 Time series of YANC station(2004—2007)

利用GAMIT/GLOBK 10.34解算了網(wǎng)絡(luò)工程基準站及周邊IGS站1999—2009年的觀測數(shù)據(jù)［6］，從中選取較為穩(wěn)定的YANC站數(shù)據(jù)用于分析。圖1為YANC站2004—2007年東向和北向時間序列，分別記為Te和Tn，去除線性運動后的殘差標準差分別為1.90 mm和1.74 mm。對Te和Tn采用最小二乘求解的線性速度，分別記為Vec和Vnc。

由于GNSS觀測會受到季節(jié)性因素的影響［7，8］，因此流動觀測時要求同一測站相鄰兩期觀測時間盡量一致。為此，首先分析相鄰兩期觀測時間嚴格一致時流動觀測水平速度與連續(xù)觀測速度的差異。

將區(qū)域網(wǎng)2004年觀測時段記為Δt1，在Δt1內(nèi)隨機生成100組整數(shù)，記為d1(i)，1≤i≤100。在Te和Tn中從2004年和2007年第d1(i)天起各截取4天數(shù)據(jù)，如隨機生成的某一組整數(shù)為84，則在Te和Tn中截取2004年第84～87天和2007年第84～87天的數(shù)據(jù)。然后每期取坐標平均值和時間平均值，最后兩期的坐標平均值之差除以時間平均值之差得到水平速度，分別記為Vem(i)和Vnm(i)。

將100組Vem(i)和Vnm(i)分別與Vec和Vnc求差，得到水平速度差分別記為Δve1和Δvn1。從表1可以看出，對于YANC站，不考慮諸如兩期觀測儀器不一致帶來的觀測誤差等其他因素，觀測8天得到的水平速度與連續(xù)觀測值之差在±1.27 mm/a以內(nèi)。

2.2 不同噪聲環(huán)境下的水平速度差異

由于選用的YANC站觀測噪聲較小，而大多數(shù)區(qū)域站達不到這個水平，為此另挑選了9個網(wǎng)絡(luò)工程基準站進行計算(表1)，其中測站噪聲水平表示測站東向和北向時間序列去除線性運動后的殘差標準差。從表1可以看出，標準差的整體變化趨勢隨測站觀測噪聲的增大而增大。綜合這10個測站的計算結(jié)果，觀測8天得到的水平速度與連續(xù)觀測值之差在±3 mm/a以內(nèi)。在實際的流動觀測中，由于存在諸如兩期觀測儀器不一致帶來的觀測誤差等影響因素，實際的流動觀測得到的水平速度精度可能要更低一些。

表1 不同噪聲水平下的速度場差異Tab.1 Difference of horizontal velocity with different level of noise

2.3 兩期觀測時間非嚴格一致

實際上，流動觀測很難做到每一個測站相鄰兩期觀測時間嚴格一致，尤其對于網(wǎng)絡(luò)工程和陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)這樣全國性的區(qū)域網(wǎng)，為此以YANC站為例分析相鄰兩期觀測時間非嚴格一致時流動觀測水平速度與連續(xù)觀測速度的差異。

評估方法修改為：

d2(i)=d1(i)+rand［-d d］，

d=10，15，20，25，30，1≤i≤100;

將得到的東向速度差和北向速度差分別記為Δve2和Δvn2，其統(tǒng)計信息見表2，其中比例一列表示Δve2和Δvn2在Δve1和Δvn1分布范圍的比例。從表2可以看出，季節(jié)性因素等非線性運動干擾對流動觀測結(jié)果是有影響的，尤其是線性運動稍差的北向。從表2的“比例”一列來看，相鄰兩期觀測時間差從10～25天的比例均在95%以上，說明這些結(jié)果較為接近相鄰兩期觀測時間嚴格一致的結(jié)果，對觀測精度的影響是可以接受的。而相鄰兩期觀測時間差為30天的北向比例僅為90%，與相鄰兩期觀測時間嚴格一致的結(jié)果相差較大，對觀測精度的影響較為嚴重。綜合考慮實際情況和觀測精度，建議流動觀測相鄰兩期觀測時間盡可能一致，如果達不到嚴格一致，按2.2節(jié)計算得到的±3 mm/a的速度差為可接受值，相鄰兩期觀測時間差應(yīng)控制在25天之內(nèi)。

表2 兩期觀測時間差對水平速度差異的影響Tab.2 Effect of observation time difference on difference of horizontal velocity

3 觀測模式對水平速度精度的影響

3.1 觀測時長的影響

按照2.1節(jié)方法，選用10個網(wǎng)絡(luò)工程基準站的數(shù)據(jù)計算了觀測時長為2～14天時流動觀測與連續(xù)觀測的水平速度差，其標準差隨時間變化曲線見圖2，其中(a)為東向速度差的標準差，(b)為北向速度差的標準差，為了使圖形更清楚，在圖2(a)中將CHUN、DLHA、HRBN、JIXN、LHAS站曲線分別整體向上移動0.8、0.4、0.5、0.5、0.65 mm，將QION站曲線整體向下移動0.5 mm，在圖2(b)中將CHUN、HRBN、ZHNZ站曲線分別整體向上移動0.4、0.1、0.4 mm。從圖2可以看出，速度差的整體變化趨勢是隨著觀測時間的延長而減小。以各站每期觀測4天得到的速度差的標準差為基準，統(tǒng)計各站每期觀測5～8天得到的速度差的標準差與基準的比值，結(jié)果列于表3。從表3中可以看出，對于不同的測站，延長觀測時間提高觀測精度的幅度是不一樣的，因此在制定觀測方案時需要綜合考慮精度要求、觀測成本、測站噪聲水平等因素。

圖2 觀測時長對水平速度差異的影響Fig.2 Effect of observation days on difference of horizontal velocity

表3 觀測5～8天得到的結(jié)果與觀測4天結(jié)果的比值Tab.3 Ratio of results with 5－8-day observation to results with a 4－day observation

3.2 觀測周期的影響

選擇YANC站2001—2007年共7年的東向和北向時間序列，觀測時長設(shè)為4天，計算方法與2.1節(jié)方法大體一致，只是多期觀測數(shù)據(jù)采用線性擬合的方法求解水平速度，例如觀測周期為3年，則有2001、2004、2007年3期共12天觀測數(shù)據(jù)，對這12天數(shù)據(jù)線性擬合解算速度。表3為觀測周期分別為1、2、3、5年時流動觀測與連續(xù)觀測水平速度差的標準差。從表4可以看出，觀測周期越短，流動觀測結(jié)果就越接近連續(xù)觀測結(jié)果。因此，加密觀測也是一種提高流動觀測水平速度精度的有效手段。

表4 觀測周期對水平速度場的影響Tab.4 Effect of observation cycle on the difference of horizontal velocity

4 結(jié)語

1)綜合10個測站的計算結(jié)果，觀測8天得到的水平速度與連續(xù)觀測值之差在±3 mm/a以內(nèi)。在實際的流動觀測中，由于存在諸如兩期觀測儀器不一致帶來的觀測誤差等影響因素，得到的水平速度精度還可能會更低一些。

2)受季節(jié)性因素的干擾，相鄰兩期觀測時間不一致會降低流動觀測水平速度的精度，建議流動觀測相鄰兩期觀測時間盡可能一致。如果實際觀測時達不到嚴格一致，仍以±3mm/a為可接受偏差，那么相鄰兩期觀測時間差應(yīng)控制在25天之內(nèi)。

3)流動觀測與連續(xù)觀測水平速度差會隨著測站觀測噪聲的增加而顯著增大，對于觀測噪聲較大的測站，建議在實際觀測中延長觀測時間。

4)延長觀測時間并縮短觀測周期能提高流動觀測速度精度。對于不同的測站，延長觀測時間提高觀測精度的幅度是不一樣的，因此在制定觀測方案時需要綜合考慮精度要求、觀測成本、測站噪聲水平等因素。

致謝 感謝黃立人研究員對本文的指導(dǎo)。

1 牛之俊，等.中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2002，(3)：88-93.(Niu Zhijun，et al.Crustal Movement Observation Network of China［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2002，(3)：88-93)

2 Wang Qi，et al.Present-day crustal deformation in China constrained by global positioning system measurements［J］.Science，2001，294：574-577.

3 黃立人，等.用速度場得到的華北地區(qū)活動塊體及變形［J］.地震學(xué)報，2003，25(1)：72-81.(Huang Liren，et al.References active blocks and their deformations derived from the velocity field in north China［J］.Acta Seismologica Sinica，2003，25(1)：72-81)

4 賴錫安，等.中國大陸現(xiàn)今地殼運動［M］.北京：地震出版社，2004.(Lai Xi’an，et al.Present-day crustal movement in China constrained［M］.Beijing：Seismological Press， 2004)

5 楊國華，等.中國大陸整體無旋轉(zhuǎn)基準及其應(yīng)用［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2005，(4)：6-10.(Yang Guohua，et al.No-net-rotation on crustal movement of China mainland and its application［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(4)：6-10)

6 占偉，等.GNSS參考框架點的選取對時序位移的影響［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2011，(1)：91-94.(Zhan Wei，et al.Effect of selecting GNSS frame sites on the time series of displacement［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，(1)：91-94)

7 張飛鵬，等.利用GPS監(jiān)測中國地殼的垂向季節(jié)性變化［J］.科學(xué)通報，2002，47(18)：1 370-1 377.(Zhang Feipeng，et al.Crustal vertical seasonal variations in China observed by GPS［J］.Chinese Science Bulletin，2002，47 (18)：1 370-1 377)

8 王敏，等.非構(gòu)造形變對GPS連續(xù)站位置時間序列的影響和修正［J］地球物理學(xué)報，2005，48(5)：1 045-1 052.(Wang Min，et al.Effects of non-tectonic crustal deformation on continuous GPS position time series and correction to them［J］.Chinese J Geophys.，2005，48(5)：1 045 -1 052)

ACCURACY EVALUATION OF HORIZONTAL VELOCITY MEASURED BY GNSS MOBILE OBSERVATION

Zhan Wei，Liu Zhiguang，Su Jianfeng，Xia Feng and Meng Xiangang
(First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin 300180)

The accuracy of horizontal velocity measured by GNSS mobile observation was evaluated by continuous observation，and the effects of difference of observation time period between two adjacent observations，observation time and observation cycle on the accuracy were also analyzed.The results show that，according to the current observation style，the absolute value of difference of horizontal velocity between mobile and continuous observation is less than 3mm/a.The difference of observation time period between two adjacent observations can affect the accuracy of horizontal velocity.If the difference which is less than 3 mm/a can be accepted，it is suggested that the difference of observation time period in the two years should be less than 25 days.The accuracy can be improved by prolonging observation period and shortening observation cycle.

GNSS mobile observation;horizontal velocity field;accuracy evaluation;observation period;observation cycle

1671-5942(2011)05-0084-04

2011-05-25

中國地震局地震行業(yè)科研專項(200908029)

占偉，男，1983年生，工程師，主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理與分析研究工作.E-mail：zw000373@163.com

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