王閱兵

研究背景

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），是聯(lián)合國承認(rèn)的全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一，其余三個(gè)是美國全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）和歐盟伽利略系統(tǒng)（Galileo）。

自20世紀(jì)80年代中期以來，以美國GPS為代表的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，不僅使全球范圍的導(dǎo)航與授時(shí)進(jìn)入了穩(wěn)、準(zhǔn)、便、捷的全新時(shí)代，更為高精度、大范圍、全天候和低成本的地殼運(yùn)動(dòng)觀測與構(gòu)造變形研究提供了革命性的空間大地測量技術(shù)手段。GPS在監(jiān)測板塊運(yùn)動(dòng)、海平面上升等應(yīng)用時(shí)，其邊長可達(dá)數(shù)千公里，精度可達(dá)厘米級，甚至毫米級，相對定位精度為10-9，而傳統(tǒng)的經(jīng)典大地測量的精度為10-5～10-6，邊長通常也只能達(dá)到數(shù)十公里，復(fù)測周期通常以年為單位。另外，GPS在300～1500m工程精密定位中，1h以上觀測結(jié)果的平面位置誤差小于1mm，且20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需15～20min，無須測站之間相互通視，只需測站上空開闊即可。相比之下，GPS技術(shù)不僅使觀測精度提高了約3個(gè)數(shù)量級，而且將觀測工作的效率提升了上百倍，為防震減災(zāi)、大地測量和地球動(dòng)力學(xué)研究等諸多領(lǐng)域的業(yè)務(wù)深化和應(yīng)用拓展提供了強(qiáng)勁的技術(shù)支撐。

圖1 全球板塊運(yùn)動(dòng)速度場圖

圖2 全球可見北斗衛(wèi)星數(shù)量分布

GPS在地球動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用，主要是監(jiān)測全球和區(qū)域板塊運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測區(qū)域和局部地殼運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行地球成因及動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究。根據(jù)測定的板塊運(yùn)動(dòng)速度和方向，測定的地殼運(yùn)動(dòng)形變量，分析地傾斜、地應(yīng)變積累，研究地下斷層活動(dòng)模式，應(yīng)力場變化，開展地震危險(xiǎn)性估計(jì)（圖1）。目前用GPS來監(jiān)測板塊運(yùn)動(dòng)和地殼形變的精度，在水平方向可達(dá)1～2mm/a，垂直方向可達(dá)2～4mm/a，基線相對精度可達(dá)10-9。

為了提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位的自主性與安全性，我國啟動(dòng)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)。 2012年建成的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具備了覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航、授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力。圖2給出了當(dāng)前全球可見北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量分布，在亞太地區(qū)任意時(shí)間可見衛(wèi)星數(shù)目大于6顆，這保障了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能為亞太地區(qū)提供穩(wěn)定的定位、導(dǎo)航、授時(shí)和通信服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，國家開始全面推行北斗系統(tǒng)在各行各業(yè)的應(yīng)用開拓與示范。

這就涉及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的大地測量定位精度問題?，F(xiàn)有研究表明，導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度提升主要與兩個(gè)方面有關(guān)：一方面是衛(wèi)星系統(tǒng)的完善和接收技術(shù)的進(jìn)步；另一方面是數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)和各種常數(shù)、模型的精化。其中處理方法主要有相對定位與精密單點(diǎn)定位。相對定位又稱差分定位，是用兩臺(tái)接收機(jī)對兩個(gè)測站上同時(shí)采集的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，通過消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差等公共誤差，以及削弱對流層延遲、電離層延遲等相關(guān)性較強(qiáng)的誤差影響，達(dá)到提高精度的目的。但隨著距離的增大，誤差相關(guān)性的減弱，則只能采用延長觀測時(shí)間來達(dá)到預(yù)期的精度。而精密單點(diǎn)定位方法能直接得到測站坐標(biāo)，測站與測站之間無距離限制，其主要是利用全球IGS（International GPS Service）站數(shù)據(jù)計(jì)算的精密衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，再采用單點(diǎn)的相位和偽距觀測值進(jìn)行非差定位處理。相關(guān)研究結(jié)果表明當(dāng)前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的相對定位精度達(dá)到了毫米級，精密單點(diǎn)定位的精度達(dá)到了厘米級。

鑒于國內(nèi)外這些分析和評定結(jié)果，北斗系統(tǒng)的大地測量功效不僅取決于導(dǎo)航系統(tǒng)本身，而且受限于全球地面跟蹤網(wǎng)的有效配合，即高精度衛(wèi)星軌道、鐘差等參數(shù)的及時(shí)獲取。因此，目前的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能否像GPS一樣勝任高精度的地殼形變與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)監(jiān)測，尚需進(jìn)一步的客觀評測。

本項(xiàng)目主要基于現(xiàn)階段北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星星座分布的情況，探討以下兩個(gè)個(gè)亟須回答的問題：一是在當(dāng)前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星星座分布下，其定位精度如何？二是當(dāng)前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度能否滿足地殼形變與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等高精度監(jiān)測的實(shí)際需求？

關(guān)鍵技術(shù)與主要研究結(jié)果

北斗系統(tǒng)國家防震減災(zāi)應(yīng)用需求主要體現(xiàn)在地殼運(yùn)動(dòng)與變形監(jiān)測高精度定位方面，重點(diǎn)推進(jìn)北斗系統(tǒng)在國家防震減災(zāi)工作中的應(yīng)用，需不斷研究提高北斗地殼運(yùn)動(dòng)觀測精度。以下從三個(gè)方面來分析北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度及其在地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用能力。

1.北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度。在當(dāng)前北斗衛(wèi)星星座分布下，影響北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的主要因素有衛(wèi)星的軌道鐘差產(chǎn)品精度、地面接收機(jī)的觀測環(huán)境、信號(hào)在傳播過程中受電離層和對流層的影響等。為了弄清楚北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度及穩(wěn)定性，我們分別利用位于寧夏鹽池、河北唐山、北斗榮成、山東榮成、四川筠連、山西太原和湖北武漢7個(gè)GNSS觀測站，采用精密單點(diǎn)定位方法處理了上述測站的北斗和GPS觀測數(shù)據(jù)。處理過程中，采用了國際GNSS服務(wù)（IGS）武漢大學(xué)分析中心提供的衛(wèi)星精密軌道和鐘差產(chǎn)品，該產(chǎn)品基于國際參考框架、可以從IGS數(shù)據(jù)中心下載得到。由于接收機(jī)鐘一般采用石英鐘，其與衛(wèi)星原子鐘之間的同步差若為10-6秒，就會(huì)引起300米的誤差，因此在數(shù)據(jù)處理過程中需要估計(jì)兩者之間的同步差，即接收機(jī)鐘差。在高精度定位過程中，本文利用的是載波相位觀測量，其只記錄了GNSS接收機(jī)所接收的衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)參考信號(hào)的相位差，沒有記錄兩者之間的整周數(shù)，我們稱其為整周模糊度。因此，數(shù)據(jù)處理過程中解算的主要參數(shù)包括坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差、大氣延遲及整周模糊度等。在得到處理結(jié)果以后，利用線性回歸方法對三分量時(shí)間序列分別擬合得到三分量的擬合殘差，之后利用殘差均方根來統(tǒng)計(jì)表示定位精度，即RMS值，RMS值越高定位精度越低。北斗與GPS定位精度結(jié)果比較見表1所示。

表1結(jié)果顯示北斗與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)南北向的精度均優(yōu)于東西向，這種特征在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中表現(xiàn)的更明顯的原因是其衛(wèi)星星座并沒有完全建成，可用的中圓軌道衛(wèi)星和傾斜軌道衛(wèi)星較少，受到靜止衛(wèi)星軌道產(chǎn)品精度影響較大。受觀測環(huán)境的影響，四川筠連站北斗與GPS的RMS值明顯高于其他6個(gè)站點(diǎn)。這里所說的觀測環(huán)境主要是指受到觀測站周圍樹木、建筑物等障礙物的遮擋，造成多路徑效應(yīng)顯著增強(qiáng)，從而造成定位精度明顯下降。除四川筠連站外，其他6個(gè)臺(tái)站的北斗三分量RMS均值分別約為7mm、5.4mm和20mm，GPS三分量RMS均值分別約為3.3mm、3.1mm和7.0mm。由此可以得到北斗導(dǎo)航系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位精度在水平和垂向分別約為8mm和20mm，GPS精密單點(diǎn)定位精度在水平和垂向分別約為4mm和7mm。

表 1 北斗與GPS信號(hào)時(shí)間序列三分量RMS值

2.北斗獲取基線向量能力?；€向量可以表征兩個(gè)GNSS臺(tái)站之間的距離與方位，是既具有長度特性又具有方向特性的矢量。隨著觀測時(shí)間的累積，基線向量組成基線時(shí)間序列。基線時(shí)間序列包含了站點(diǎn)間的相對運(yùn)動(dòng)信息，可以用來監(jiān)測板塊相對運(yùn)動(dòng)變化趨勢，也可以用來監(jiān)測斷裂帶構(gòu)造活動(dòng)，因此利用北斗獲取基線時(shí)間序列是其在地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中應(yīng)用的主要手段之一。為了探討北斗獲取基線向量能力，本項(xiàng)目利用長約為5m和450km的兩條基線探討了獲取的基線精度。結(jié)果顯示，北斗與GPS得到的基線絕對長度值一致，且基線長度隨時(shí)間變化速率間沒有顯著差異。北斗能夠準(zhǔn)確反映這兩個(gè)站點(diǎn)間的基線長度與變化速率特征，即北斗可以同GPS一樣用來監(jiān)測站點(diǎn)間基線的線性變化速率。

另外，本項(xiàng)目通過統(tǒng)計(jì)除四川筠連外其他6個(gè)站點(diǎn)間的15條基線速率誤差，給出了北斗與GPS測量基線精度結(jié)果，如圖3所示。圖3結(jié)果顯示基線速率誤差與基線長度成正相關(guān)性，這說明北斗與GPS能更好的監(jiān)測短基線的速率變化。在基線不超過500km時(shí)，北斗與GPS能夠監(jiān)測基線變化率的精度分別為：0.4mm/a和0.2mm/a，且兩者的精度都將隨基線縮短而進(jìn)一步提高。

盡管北斗與GPS都能夠監(jiān)測基線的變化速率，但其精度要弱于GPS，這一弱點(diǎn)在研究基線季節(jié)性波動(dòng)時(shí)得到了體現(xiàn)，GPS能夠明顯監(jiān)測到由季節(jié)性變化或模型誤差帶來的周期性波動(dòng)信號(hào)，而在北斗觀測中并沒有這種波動(dòng)信號(hào)。但因?yàn)楸倍沸盘?hào)的基線殘差幅度與GPS信號(hào)觀測到的周期性波動(dòng)幅度相當(dāng)，所以很難在北斗信號(hào)中檢測出這一周期性信號(hào)。其主要原因在于目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星星座和各種模型尚不完善，以及其衛(wèi)星精密軌道與鐘差產(chǎn)品的精度比GPS稍低等。

圖3 基線速率誤差與基線長度相關(guān)圖

3.北斗獲取速度場的能力。速度能夠表示單個(gè)測站運(yùn)動(dòng)的大小和方向，速度場則是空間范圍內(nèi)多個(gè)測站的速度集合，它能夠很好地反映出地殼運(yùn)動(dòng)的背景趨勢，是長期觀測的結(jié)果，也是地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的主要成果之一。本項(xiàng)目通過對精密單點(diǎn)定位結(jié)果采用線性回歸方法得到了7個(gè)臺(tái)站在2008版國際地球參考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）下的速度場，結(jié)果如表2所示。

表2結(jié)果顯示，北斗與GPS分別獲取的兩套速度場結(jié)果在水平向的差異約為1～2 mm/a，在垂向的差異約為10～15 mm/a。兩套系統(tǒng)在水平方向的速度場不存在朝某一方向的整體性運(yùn)動(dòng)差異，而除四川筠連站點(diǎn)外所有站點(diǎn)的北斗與GPS之間的垂向速度差均有上升趨勢， 這說明北斗與GPS定位結(jié)果之間存在差異性，這一差異體現(xiàn)在垂向?；诳蚣苻D(zhuǎn)換的“七參數(shù)”方法，本項(xiàng)目討論了北斗與GPS定位結(jié)果之間的差異性，該方法由赫爾默特提出，七個(gè)參數(shù)包括了三個(gè)平移參數(shù)、三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和一個(gè)尺度因子。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)尺度因子的偏移并不影響水平和垂向速度場，而尺度因子的趨勢性變化主要影響垂向速度場。因此，我們認(rèn)為北斗與GPS垂向速度場差異是框架尺度因子波動(dòng)所帶來的影響。

另外，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)星座并不完善，雖然能對亞太地區(qū)提供很好的定位服務(wù)，但其地面跟蹤站點(diǎn)只分布在亞太地區(qū)，且北斗衛(wèi)星端和接收端天線相位中心等相關(guān)改正模型還不完善。這都有可能造成框架實(shí)現(xiàn)時(shí)尺度因子的偏離。這一情況將隨著衛(wèi)星星座的完善、地面跟蹤站在全球逐步建設(shè)及北斗相關(guān)改正模型的完善而得到改善。

成果推廣應(yīng)用及下一步工作設(shè)想

通過本項(xiàng)目的研究發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星星座分布下，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位精度在水平和垂向分別約為8mm和20mm。通過對當(dāng)前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度、基線時(shí)間序列和速度場獲取能力的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位能夠準(zhǔn)確監(jiān)測到站點(diǎn)區(qū)域的水平速度場及基線速率變化特征，雖然其監(jiān)測到的垂向速度場誤差較大，但這將隨著北斗系統(tǒng)星座的完善、地面跟蹤站點(diǎn)的加密建設(shè)以及各種模型的改進(jìn)而減弱，屆時(shí)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度將得到進(jìn)一步提高，從而促進(jìn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用。

隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步發(fā)展，其在地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用能力逐漸體現(xiàn)，特別是近些年北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在大地震地表運(yùn)動(dòng)及同震形變獲取中的應(yīng)用：在2015年4月25日尼泊爾8.1級地震中，北斗與GPS聯(lián)合觀測得到地表運(yùn)動(dòng)較單GPS結(jié)果在精度上有了20%的提升；北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)站點(diǎn)在2017年8月8日九寨溝7.0級地震發(fā)生后，快速獲取了地表運(yùn)動(dòng)。如圖4與圖5所示。

表2 北斗與GPS在ITRF08框架下的速度場

圖4 拉薩站獲取的尼泊爾地震地表運(yùn)動(dòng)（綠色為GPS定位結(jié)果，紅色為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位結(jié)果，藍(lán)色為GPS與北斗聯(lián)合定位結(jié)果）

盡管北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中已經(jīng)取得一些研究成果，但是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星星座目前并沒有部署完成，地面基站在項(xiàng)目實(shí)施期間也沒有完全運(yùn)行，因此北斗導(dǎo)航系統(tǒng)受精密單點(diǎn)定位精度的限制，目前在地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用有限，在以后的工作中將進(jìn)行以下幾項(xiàng)工作：

1.隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)第三代衛(wèi)星的逐步發(fā)射及地基增強(qiáng)系統(tǒng)全面展開，其定位精度將逐步提升?，F(xiàn)階段，筆者將利用差分方法減少衛(wèi)星軌道及鐘差產(chǎn)品對定位精度的影響，以期進(jìn)一步提高北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，逐步將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)納入地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測和地震分析預(yù)報(bào)工作中。

圖5 GNSS獲取的九寨溝地震同震位移（紅色五角星為震中位置, 藍(lán)色圓點(diǎn)為余震分布）

2.導(dǎo)航系統(tǒng)定位需地面接收站有開闊的衛(wèi)星通視條件，在觀測條件差的情況下，單系統(tǒng)衛(wèi)星可見性不佳，而組合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可增加可見衛(wèi)星數(shù)，從而改善衛(wèi)星定位結(jié)果。已有研究發(fā)現(xiàn)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS聯(lián)合實(shí)時(shí)定位不僅能夠縮短定位收斂時(shí)間，而且可以提高定位精度。研究北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)間聯(lián)合實(shí)時(shí)定位，需要每個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品的支撐，通過對衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品的實(shí)時(shí)計(jì)算與獲取，促進(jìn)對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS聯(lián)合實(shí)時(shí)定位精度的研究，進(jìn)而提高系統(tǒng)定位精度與穩(wěn)定性，使北斗導(dǎo)航系統(tǒng)最終從米級向厘米級精度導(dǎo)航應(yīng)用進(jìn)軍；促使區(qū)域精細(xì)化農(nóng)業(yè)、車輛車道導(dǎo)航、智慧物流等高精度應(yīng)用走向全球，加快推進(jìn)北斗在全球?qū)崟r(shí)導(dǎo)航定位服務(wù)中的推廣應(yīng)用。

3.限于衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品的更新頻率，GNSS高頻實(shí)時(shí)定位目前采用的頻率大多為1HZ，而強(qiáng)震儀數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)100HZ，然而強(qiáng)震儀記錄的數(shù)據(jù)通常為加速度值，需要通過兩次時(shí)間積分得到位移值，積分就會(huì)存在強(qiáng)震儀儀器漂移和積分誤差等問題。通過研究GNSS實(shí)時(shí)定位結(jié)果與強(qiáng)震觸發(fā)數(shù)據(jù)相融合，可以克服GNSS頻率不高、強(qiáng)震儀儀器漂移及積分誤差等問題，從而得到高精度高頻率的地表運(yùn)動(dòng)結(jié)果。利用地表運(yùn)動(dòng)最大位移與震級間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，可以快速獲取地震震級；利用高精度高頻率地表運(yùn)動(dòng)結(jié)果，基于地下斷裂模型與地表運(yùn)動(dòng)間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以反演得到發(fā)震斷層破裂的時(shí)間進(jìn)程?；讷@取的地表運(yùn)動(dòng)、地震震級和發(fā)震斷層破裂的時(shí)間進(jìn)程，可以快速評估地震可能的破壞范圍和程度，為災(zāi)區(qū)的應(yīng)急救援提供基礎(chǔ)資料。另外，由于地震發(fā)生后會(huì)激發(fā)橫波與縱波兩種波，縱波傳播速度通常是橫波的2倍，而引起建筑物倒塌的往往是橫波，因此可以利用縱波與橫波之間的到時(shí)差來發(fā)布預(yù)警?；诖?，我們將嘗試?yán)脴O震區(qū)GNSS站得到的實(shí)時(shí)震級和破壞范圍及程度，向極震區(qū)外圍實(shí)時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。