吉淵明

(浙江省測繪科學技術(shù)研究院，浙江 杭州 310012)

1 引 言

ZJCORS(浙江省連續(xù)運行參考站系統(tǒng))是浙江省地理空間框架的重要基礎設施之一，向用戶提供精確的三維定位服務，ZJCORS 系統(tǒng)基準站網(wǎng)自身的穩(wěn)定性是確保系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。ZJCORS 自2010年10月投入運行以來尚未進行坐標時間序列分析。隨著時間的推移，受板塊運動、地質(zhì)構(gòu)造活動、地表水、大氣、土壤、潮汐等諸多因素的影響，站點位置會發(fā)生變化，影響三維定位服務的精度。為確保ZJCORS 系統(tǒng)所提供基準的準確性和時效性，需要對ZJCORS 的穩(wěn)定性進行監(jiān)測分析，從而為定期更新ZJCORS 站點坐標并提高坐標精度提供依據(jù)。

CORS 系統(tǒng)站點穩(wěn)定性分析應該建立在統(tǒng)一的、適當?shù)幕鶞手?。ITRF 框架實現(xiàn)和維持了一個全球統(tǒng)一的、高精度的、三維地心坐標系，是一個定義明確、可以長期穩(wěn)定使用的全球坐標參考框架［1］。目前CORS 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法一般有兩種:一是采用秩虧網(wǎng)平差或經(jīng)典自由網(wǎng)平差，根據(jù)兩期觀測位移及其協(xié)因數(shù)陣采用穩(wěn)健法構(gòu)造統(tǒng)計量進行假設檢驗，搜索和確定CORS 系統(tǒng)可能存在的不穩(wěn)定點位，即確定CORS 系統(tǒng)局部基準的穩(wěn)定性，并建立CORS 系統(tǒng)在全球ITRF 框架下的位移變化率，將其與區(qū)域內(nèi)國際IGS跟蹤站位移速率進行比較，分析CORS 系統(tǒng)整體ITRF框架的穩(wěn)定性［1］。另一種是與周邊IGS 跟蹤站聯(lián)測，并選取周邊站址穩(wěn)定、結(jié)果可靠的IGS 站在ITRF 框架中的坐標和速度值作為約束，獲取CORS 站的坐標時間序列，分析CORS 系統(tǒng)站點穩(wěn)定性。

CORS 站網(wǎng)坐標時間序列中通常包含有地殼構(gòu)造形變信息、地殼非構(gòu)造形變信息、觀測誤差信息和坐標參考框架點誤差等四類信息。國內(nèi)外一些學者采用了不同噪聲模型分析了CORS 站坐標時間序列噪聲性質(zhì)，研究表明CORS 站坐標時間序列中同時包含有白噪聲和有色噪聲的影響，而且白噪聲不是噪聲的主要成分［4］。GNSS 坐標中噪聲的研究主要分為時頻分析和空域分析兩種技術(shù)［2］。時頻分析用來確定坐標序列在時間上的相關(guān)性特征，其方法有譜分析和最大似然估計，能夠確定隨時間相關(guān)噪聲的類型和強度以及有色噪聲對臺站運動速率估計的影響［2］。在空域分析中，有主成分空間濾波方法，提取CORS 網(wǎng)坐標時間序列中公共誤差的時空特性，提高CORS 站本地信號(坐標時間序列)的信噪比，并比較分析空間濾波前后CORS 站成果的精確性［4］。本研究收集計算的CORS 網(wǎng)坐標時間序列由于時間較短，用NNR－NUVEL1A 全球地殼運動模型計算板塊運動引起的站速度，其他地殼非構(gòu)造形變信息如固體潮、海潮、大氣等均采用軟件提供的改正模型。

2 ZJCORS 基本情況及觀測數(shù)據(jù)收集

浙江省省級CORS 站共16 個站，市級CORS 站目前共有41 個站。其中省級CORS 站點中基巖標2 個，巖層標4 個，土層標7 個，房頂標3 個。市級CORS 站點中基巖標4 個，巖層標1 個，土層標15 個，房頂標21 個。系統(tǒng)采用儀器大多數(shù)為Trimble 系列，部分為南方CORS系列(臺州市級CORS)。由于臺州市級CORS 站是單獨進行平差的，本研究未包括臺州市級CORS 站。

收集了ZJCORS 系統(tǒng)2011年1月、2011年4月、2011年7月、2011年10月、2012年1月、2012年4月和2012年7月中每月的1日～5日觀測數(shù)據(jù)進行處理分析，除去數(shù)據(jù)缺失的測站，實際數(shù)據(jù)處理的省級站16 個、市級站34 個。

3 數(shù)據(jù)處理方案

3.1 數(shù)據(jù)準備

采用Bernese V5.0 軟件進行高精度數(shù)據(jù)處理，應考慮多種誤差影響，要進行相應數(shù)據(jù)準備:

①下載相應觀測時間段內(nèi)精密星歷文件、精密鐘差文件、電離層文件和碼偏差文件;②查找觀測文件中的接收機類型、天線類型，明確測站接收機和天線的變更情況，并從NGS 下載相應的天線相位中心改正信息;③更新相應的大地基準文件、跳秒文件、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)信息文件、問題衛(wèi)星文件、測站信息文件、IGS 站坐標和站速度文件;④準備各測站海潮改正文件、固體潮改正文件和測站板塊信息文件。

3.2 基線解算

(1)基準站選取

浙江省2000 國家大地坐標系成果解算采用的起算基準站為BJFS、SHAO、KUNM、URUM、WUHN、ULAB、IRKT、CHAN、KHAJ、NOVM、KIT3、CHUM、TSKB、PIMO。由于CHAN 在2012年的觀測數(shù)據(jù)嚴重缺失，TSKB 位于日本，解算時穩(wěn)定性較差，NOVM 無法獲取ITRF 2008 框架下精確的坐標和速度等原因，所以只采用剩余11 個IGS 站作為基準。

(2)基線解算方案

基線解算的策略為:

①考慮地球板塊運動，IGS 站坐標根據(jù)站速度歸算到解算時的瞬時元;②考慮固體潮和海潮改正，采用IERS Conventions 2003 建立固體潮模型，采用GOT00.2 海潮模型;③軌道及基站松弛約束;④對觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，刪除觀測時間短或數(shù)據(jù)質(zhì)量差的數(shù)據(jù)，保證基線解算質(zhì)量;⑤觀測值采用無電離層組合LC 觀測值;⑥根據(jù)Bernese 提供的OBS －MAX(Maximum Common Observations)原則進行基線選擇;⑦根據(jù)雙差相位觀測量的松弛約束定位殘差，刪除有問題的測站;⑧采用Bernese 中的“COMBINED”方法進行周跳自動探測與修復，采用Bernese中的“QIF”方法進行整周模糊度解算;⑨大氣改正模型采用Saastemoinen 模型及Niell 映射函數(shù)，大氣延遲估計2 h間隔估計一個參數(shù);⑩解算過程中考慮衛(wèi)星鐘差改正、接收機鐘差改正、對流層延遲改正、衛(wèi)星天線相位中心改正、接收機天線相位中心改正和碼偏差改正。

3.3 GPS 網(wǎng)平差

IGS 基準站在ITRF 2008 框架下具有精確的坐標和速度，選取ITRF 2008 框架為參考框架解算每個月的CORS 站坐標。觀測歷元為觀測時間段中心歷元，即每個月3日的12:00:00。網(wǎng)平差過程中考慮固體潮、海潮等影響，約束方式采用Bernese 中的“Minimum Constraint Solution”方式，平差過程中將對流層參數(shù)和站坐標一起解算。利用基線的單天解形成單天的法方程文件，用序貫最小二乘解算5 d的法方程文件，得到每個月的站坐標。

3.4 坐標轉(zhuǎn)換

將ITRF 2008 框架下觀測歷元的每個月站坐標轉(zhuǎn)換為CGCS 2000 所在的ITRF 97、2000.0 歷元下的坐標。整個轉(zhuǎn)換過程可分為歷元轉(zhuǎn)換和框架轉(zhuǎn)換兩部分。

歷元轉(zhuǎn)換采用NNR －NUVEL1A 全球地殼運動模型計算各測站的板塊位移，將站坐標轉(zhuǎn)換到2000.0 歷元下。轉(zhuǎn)換公式為:

式中t1為框架歷元，t2為需轉(zhuǎn)換到的歷元，即CGCS 2000 所在的2000.0 歷元。［VXVYVZ］T為控制點的速率，由NNR －NUVEL1A 全球地殼運動模型計算。

框架轉(zhuǎn)換采用ITRF 網(wǎng)站(http://www．iers．org/IERS/EN/IERSHome)公布的轉(zhuǎn)換參數(shù)。轉(zhuǎn)換的公式為:

式中［XCYCZC］T為CGCS 2000 中的坐標，［X Y Z］T為ITRF 2008 框架下的坐標，其他為ITRF 提供的框架轉(zhuǎn)換參數(shù)。

4 ZJCORS 站點形變分析

CORS 站點位置的變化受板塊運動、地質(zhì)構(gòu)造活動、地表水、大氣、土壤、潮汐、儀器等多種因素的影響。在CORS 站坐標解算的過程中已考慮了固體潮和海潮的影響。本節(jié)利用坐標時間序列分析這些因素的影響。

4.1 觀測歷元下的形變分析

以2011年1月3日坐標為基準，將解算的其余6個月的坐標分別獲取較差，得到ITRF 2008 框架下坐標差值的時間序列。X、Y、Z 方向上坐標差值的時間序列如圖1～圖3所示。對X、Y、Z 方向上的差值進行統(tǒng)計分析，如表1所示。

由圖1～圖3可知，相對于2011年1月，在X 方向上站點坐標向同一方向產(chǎn)生了偏移，在Y 和Z 方向上也有相同的趨勢。若只有板塊運動造成的位移，每個季度的所有測站相同方向上的平均偏移量應該大致成倍數(shù)關(guān)系。由表1的統(tǒng)計值MEAN 可知，每個季度的平均偏移量并不存在這種規(guī)律，說明站點位置變動受每個季度的地表水、大氣、土壤、區(qū)域性構(gòu)造運動等因素影響。

圖1 X 方向坐標差值的時間序列圖

圖2 Y 方向坐標差值的時間序列圖

圖3 Z 方向坐標差值的時間序列圖

表1 X、Y、Z 方向上坐標變化統(tǒng)計

由表1中STD 可知，對于每個季度而言，各個CORS 站點的位移情況大體相同，只有個別站存在較大的位移。站點位置變動最大的點為土層標CORS 站YINZ，房頂標CORS 站DEQI，房頂標CORS 站JIAX，這些站點為非基巖標，易受降水、土壤影響，其他房頂標和土層標的CORS 站則相對穩(wěn)定。

進一步分析計算N、E、U 方向上的差值變化。統(tǒng)計結(jié)果表明，在N、E 方向出現(xiàn)了系統(tǒng)性偏移，其中N方向偏移量較小，在E 方向偏移量較大，浙江CORS 網(wǎng)在平面上整體向東南方向偏移，符合CORS 網(wǎng)所在板塊的運動規(guī)律。CORS 站YINZ、DEQI、JIAX、SHIP 出現(xiàn)相應較大的偏移量，尤其YINZ 在垂直方向發(fā)生了0.073 m的下沉。

4.2 板塊位移改正后的形變分析

用NNR－NUVEL1A 全球地殼運動模型計算板塊運動引起的站速度，將ITRF 2008 框架下每個月的坐標解歸算到2011年1月3日12:00:00。這樣排除了板塊運動產(chǎn)生的位移，站點變動為地表水、大氣、土壤、區(qū)域性構(gòu)造運動等其他因素的影響。從X、Y、Z 方向上坐標差值的時間序列及對X、Y、Z 方向上的差值進行統(tǒng)計分析可知，去除板塊移動的影響，2011年7月～2011年10月，2012年1月～2012年4月，2012年4月～2012年7月的坐標偏移量較大，這與地表水、大氣、土壤、區(qū)域性構(gòu)造運動等因素有關(guān)。2011年7月～2011年10月的偏移量受這些因素的影響較大，與2012年1月和2011年10月所代表的季度偏移量相似，這與上一節(jié)的分析一致。這一現(xiàn)象的原因可能是2011年10月初有陰雨天氣影響了觀測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)解算結(jié)果產(chǎn)生了影響。在YINZ、DEQI、JIAX、SHIP 這些站點也具有相應的較大的位移變化，尤其YINZ 的位移量很大。

4.3 CGCS 2000 下的形變分析

將ITRF 2008 框架下每個月的CORS 站坐標轉(zhuǎn)化到CGCS 2000 坐標系下(ITRF 97，歷元2000.0)。在CGCS 2000 坐標系下，X、Y、Z 三個方向上坐標差值時間序列的變化趨勢與在ITRF 2008 框架下改正板塊位移后的坐標差值變化趨勢相同。在YINZ、DEQI、JIAX、SHIP 這些站點也具有相應的較大位移變化，尤其YINZ 的位移量很大。兩種情況下坐標差值并不相同，這主要是進行框架轉(zhuǎn)化引起的。另外由于觀測歷元為2011年和2012年，與歷元2000.0 相差十多年，坐標轉(zhuǎn)化時站速度直接影響坐標的計算結(jié)果。由于沒有精確的站速度，在CGCS 2000 坐標下的X、Y、Z 三個方向上坐標差值時間序列不夠精確，建議采取ITRF 2008 框架下的坐標差值時間序列。

YINZ、SHIP、DEQI、JIAX 站點在N、E、U 方向上的偏移量如圖4～圖7所示。YINZ 和SHIP 站在垂直方向上由于地面沉降呈現(xiàn)勻速下沉，年均下沉速率約49 mm/a和17 mm/a;JIAX 站在垂直方向上由于地面上升，總體上呈現(xiàn)季節(jié)性上升，年均上升速率約12 mm/a，與嘉興市近年來采用二等水準觀測地面沉降成果一致。

圖4 YINZ 站點坐標差值的時間序列圖

圖5 SHIP 站點坐標差值的時間序列圖

圖6 DEQI 站點坐標差值的時間序列圖

圖7 JIAX 站點坐標差值的時間序列圖

5 結(jié) 語

ZJCORS 站點受板塊運動、地質(zhì)構(gòu)造活動、地表水、大氣、土壤、潮汐、儀器等諸多因素的影響，站點即時坐標在全球ITRF 框架基準中是動態(tài)變化的?？傮w上受板塊運動影響最大，其坐標變化速率為Vx= －31 mm/a，Vy= －10 mm/a，Vz=10 mm/a。由于ZJCORS 部分站點位于房頂、土層中，地面沉降引起平面位移及高程變化也是較顯著的，其中鄞州站位于氣象觀測站地面土層中，高程變化速率達49 mm/a，部分站點平面位移也隨著季節(jié)變化達15 mm/a。因此，為確保ZJCORS 系統(tǒng)所提供基準的準確性和時效性，需要以每季度的周期對ZJCORS 的穩(wěn)定性進行監(jiān)測分析，并更新站點坐標。經(jīng)過若干年后，當計算的站速度趨于穩(wěn)定時，可延長平差計算更新周期，同時利用速度場進行站點坐標更新。

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