徐良葉,邵德盛,吳學(xué)群,王伶俐,王巖,張秋林

(1.云南省地震局,云南 昆明650041;2.昆明理工大學(xué),云南 昆明650093)

0 引 言

空間大地測(cè)量學(xué)的發(fā)展,為精確地研究地殼運(yùn)動(dòng)規(guī)律,開(kāi)辟了重要的新途徑.GPS觀測(cè)可提供高精度、大范圍和準(zhǔn)實(shí)時(shí)的地殼運(yùn)動(dòng)定量數(shù)據(jù),使得在短時(shí)間內(nèi)獲取大范圍地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)成為可能,GPS 技術(shù)已成為監(jiān)測(cè)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)一種強(qiáng)有力的工具[1].

目前云南省地震局形變測(cè)量中心對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)連續(xù)觀測(cè)資料進(jìn)行深入分析,獲得了各個(gè)不同區(qū)域的應(yīng)變場(chǎng)變化時(shí)間序列,并進(jìn)一步提取出了適合于云南地區(qū)的應(yīng)變綜合短臨預(yù)測(cè)指標(biāo),利用該指標(biāo)在預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作中進(jìn)行了一定的嘗試，為云南省地震局的地震預(yù)測(cè)工作起到了積極的作用[2].在地震研究中,GNSS原始數(shù)據(jù)的解算十分重要,因?yàn)閿?shù)據(jù)解算的精細(xì)程度決定有效信息能否得到識(shí)別.而參考框架是GNSS數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ),國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)發(fā)布的國(guó)際地球參考框架(ITRF)序列是國(guó)際上公認(rèn)的精度最高,穩(wěn)定性最好的參考框架[3].自1988年起,IERS已經(jīng)發(fā)布了ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2005、ITRF2008和ITRF2014共13個(gè)版本的地球參考框架[4].2014年年底,IERS將新版本更名為ITRF2014，相比以前的版本,ITRF2014更加穩(wěn)定、精確.在數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量、參數(shù)模型的建立、測(cè)站的分布合理上均有較大程度的提高,并且首次考慮了大氣造成的非潮汐負(fù)載效應(yīng),同時(shí)提出了震后形變模型,采用了非線性模型來(lái)維持框架點(diǎn)坐標(biāo)[5-6].

然而每次ITRF框架更新,GNSS數(shù)據(jù)解算的框架也要更新,GNSS數(shù)據(jù)成果都要轉(zhuǎn)到統(tǒng)一的參考框架下.早期有占偉等[7]研究了ITRF2000與ITRF2005的差異對(duì) GNSS數(shù)據(jù)處理的影響,得出經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后,兩個(gè)框架下的測(cè)站坐標(biāo)差異和基線差異在毫米級(jí),水平速度場(chǎng)的差異隨研究范圍的縮小而減小.楊文峰等[8]通過(guò)對(duì)不同的ITRF參考框架下的同一站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,驗(yàn)證了GAMIT/GLOBK軟件對(duì)GNSS數(shù)據(jù)的基線的解算結(jié)果精度與ITRF參考框架無(wú)關(guān), 而與各種改正模型和數(shù)據(jù)預(yù)處理有關(guān).

由于IGS站點(diǎn)數(shù)據(jù)多,解算工作量大,為了統(tǒng)一參考框架目前我們對(duì)GNSS數(shù)據(jù)的點(diǎn)位移解算都是依賴于SOPC網(wǎng)站提供的二進(jìn)制H文件.2017年該網(wǎng)站有將近三個(gè)月不更新數(shù)據(jù),我們的點(diǎn)位移解算也跟著停滯了,這非常影響我們工作的時(shí)效性.本文主要利用云南及周邊地區(qū)的GNSS觀測(cè)資料,通過(guò)自主解算全球IGS站點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)一參考框架,進(jìn)行坐標(biāo)精度分析,并與ITRF2014下的測(cè)站坐標(biāo)、基線長(zhǎng)度、速度場(chǎng)作比較分析.所以此項(xiàng)研究有利于提高我們解算數(shù)據(jù)的獨(dú)立性,即減少對(duì)SOPAC網(wǎng)站的依賴,統(tǒng)一參考框架,為云南地區(qū)的短臨預(yù)報(bào)提供實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 基線解算

本文采用GAMIT/GLOBK10.6軟件對(duì)基線進(jìn)行處理,選取HYDE、BJFS、IRKT、PIMO、GUAO、IISC、USUD、TSKB、WUHN、TWTF、LHAZ、URUM 等十幾個(gè)中國(guó)及周邊的 IGS 跟蹤站與2015年-2016年云南及周邊地區(qū)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的35個(gè)基準(zhǔn)站的GNSS觀測(cè)資料(站點(diǎn)如圖1所示,藍(lán)色小三角表示基準(zhǔn)站)聯(lián)合進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理.IGS 核心站強(qiáng)約束(水平方向 0.005～0.020 m、垂直方向 0.020～0.050 m),主要的模型選擇和參數(shù)設(shè)置如表1所示[2-3，9]:

圖1 云南及周邊基準(zhǔn)站分布圖

表1 基線解算參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置 數(shù)據(jù)采樣間隔/s30衛(wèi)星截止高度角/(°)10° 觀測(cè)模式LC-AUTULN 天頂延遲改正模型VMF1 固體潮模型IERS03 海潮模型FES2004 天頂延遲參數(shù)個(gè)數(shù)(個(gè)/2小時(shí))1

1.2 框架解算及平差

為得到高精度的數(shù)據(jù)處理結(jié)果,首先按照連續(xù)性、穩(wěn)定性、高精度、多中解、平衡性和精度一致性等原則優(yōu)化選取框架點(diǎn)[10-11],本文篩選2015年-2016年347個(gè)穩(wěn)定性較好的全球IGS測(cè)站數(shù)據(jù)(如圖2所示,黃色五角星表示IGS站點(diǎn)),采用麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的GAMIT/GLOBK10.6軟件與SOPAC網(wǎng)站提供的全球IGS測(cè)站約束文件sittbl.(選取了全球穩(wěn)定性較好分布均勻的IGS站作強(qiáng)約束),運(yùn)用間距分區(qū)法[12]將347個(gè)IGS測(cè)站分為7個(gè)子網(wǎng)進(jìn)行了分區(qū)解算,其中IGS 核心站強(qiáng)約束(水平方向0.02～0.05 m,垂直方向0.05～0.1 m),全球IGS站基線解算策略參數(shù)與1.1基線解算的參數(shù)設(shè)置是一致的,得到higs1a,…,higs7a(單日松弛解).

圖2 全球IGS站點(diǎn)分布

選取ITRF2014框架為平差基準(zhǔn),利用GLOBK軟件將GAMIT處理得到的云南及周邊測(cè)站單日松弛解和上述解算的全球IGS 站的單日松弛解合并.考慮到點(diǎn)位坐標(biāo)的精度,在點(diǎn)位移的求取過(guò)程中對(duì)每 4 天的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合平差,得到一個(gè)點(diǎn)位靜態(tài)解.綜合2年來(lái)各期基準(zhǔn)站的坐標(biāo)得到自主解算框架下的測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列和速度場(chǎng).同樣選取ITRF2014框架為平差基準(zhǔn),利用GLOBK軟件將從SOPAC網(wǎng)站上下載全球的H文件與云南及周邊測(cè)站單日松弛解進(jìn)行合并,得到ITRF2014框架下測(cè)站點(diǎn)位坐標(biāo)與速度場(chǎng).

2 坐標(biāo)精度分析

GPS常用的評(píng)價(jià)坐標(biāo)精度的指標(biāo)有坐標(biāo)均方根誤差和坐標(biāo)重復(fù)性精度,其中坐標(biāo)重復(fù)性精度的計(jì)算公式如下[13]:

(1)

(2)

在自主解算的框架下,用GLOBK綜合求解2015年-2016年云南及周邊地區(qū)35個(gè)基準(zhǔn)站的坐標(biāo),測(cè)站坐標(biāo)均方根誤差如圖3所示,坐標(biāo)均方根誤差水平方向在0.7 mm以內(nèi),垂直方向在0.3 mm以內(nèi);按式(1)、(2)計(jì)算得到的坐標(biāo)重復(fù)性精度如圖4所示,水平方向的坐標(biāo)重復(fù)性精度在5 mm以內(nèi),滿足精度要求,而垂直方向坐標(biāo)的重復(fù)性精度大多數(shù)在2.5 cm以內(nèi),精度較差.其中,測(cè)站季節(jié)性非構(gòu)造變動(dòng)對(duì)垂直分量的測(cè)定有直接的影響.從坐標(biāo)均方根誤差和坐標(biāo)重復(fù)性精度統(tǒng)計(jì)圖來(lái)看:在自主解算框架下測(cè)站坐標(biāo)的解算精度是可靠的,可以滿足地震監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要.

圖3 測(cè)站坐標(biāo)均方根誤差

由于在自定義框架和ITRF2014框架下GLOBK平差是所選的平差基準(zhǔn)一致(ITRF2014框架),分析兩個(gè)框架下的坐標(biāo)差異,無(wú)需做基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換.在分析測(cè)站運(yùn)動(dòng)中經(jīng)常用站心坐標(biāo)系統(tǒng)(NEU),將解算得到的2015年-2016年云南及周邊地區(qū)35個(gè)基準(zhǔn)站在兩個(gè)框架下的空間直角坐標(biāo)(XYZ)根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]方法轉(zhuǎn)化到站心坐標(biāo)系,坐標(biāo)時(shí)間序列對(duì)應(yīng)值做差比較,分別記為ΔN,ΔE,ΔU,統(tǒng)計(jì)分布情況如圖5所示,ΔN絕大多數(shù)在-8.5～2 mm,ΔE絕大多數(shù)在-8～8 mm,ΔU絕大多數(shù)在-3～3 cm,兩套坐標(biāo)存在明顯的系統(tǒng)誤差,而導(dǎo)致這種誤差的原因有:

1)ITRF2014的輸入數(shù)據(jù)為4種空間大地測(cè)量技術(shù)(VLBI、SLR、GNSS和DORIS)提供的 SINEX 格式的站坐標(biāo),而本文自主解算框架的輸入數(shù)據(jù)只有GNSS.

2)ITRF2014由975個(gè)站址向其提供數(shù)據(jù),本文自主解算框架由穩(wěn)定性較好的347個(gè)全球分布均勻的IGS站點(diǎn)組成,即框架點(diǎn)個(gè)數(shù)和框架點(diǎn)分布不同.

3)加入全球IGS站點(diǎn)平差時(shí),這些全球IGS站點(diǎn)的解算策略,組網(wǎng)方法不同.所以兩套坐標(biāo)存在系統(tǒng)誤差也是合理的.

圖5 坐標(biāo)差直方圖

3 基線長(zhǎng)度分析

根據(jù)解算得到的兩套坐標(biāo)分別計(jì)算基線長(zhǎng)度,相同的基線做差比較,以6條基線長(zhǎng)度差為例分析,如表2所示,自定義框架和ITRF2014下基線長(zhǎng)度差隨基線長(zhǎng)度的增大而增大,但總體而言差異很小(最大值在1～4.8 mm,標(biāo)準(zhǔn)差在2 mm以內(nèi)).

表2 自定義框架和ITRF2014下基線長(zhǎng)度差

4 水平場(chǎng)速度分析

使用GLOBK軟件中的glred模塊,得到各測(cè)站的時(shí)間序列,檢查測(cè)站是否存在粗差、跳躍或精度較差的點(diǎn).這些現(xiàn)象可能是由于地震、儀器更換、多路徑效應(yīng)、遷站、個(gè)別天觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量差等原因?qū)е?應(yīng)予以剔除[16].根據(jù)解算得到的自定義框架(Cust-om framework)和ITRF2014下的坐標(biāo),應(yīng)用最小二乘法線性擬合2015年-2016年云南及周邊地區(qū)35個(gè)測(cè)站的水平速度場(chǎng),如圖6所示,紅色表示在ITRF2014下的水平速度場(chǎng),藍(lán)色表示自定義框架的水平速度場(chǎng).按式(3)計(jì)算各測(cè)站水平運(yùn)動(dòng)速度標(biāo)量值V和方位角α.

(3)

將兩個(gè)框架下測(cè)站的V值和α值對(duì)應(yīng)值做差比較,分別記為ΔV和Δα,如表3所示.

表3 自定義框架和ITRF2014下站點(diǎn)速度差

從圖6和表3可以看出在兩個(gè)框架下的水平速度場(chǎng)差異很小,速度值差異在1 mm/a以內(nèi),方位角差異在0.02°以內(nèi),說(shuō)明參考框架對(duì)水平速度場(chǎng)的影響較小,本文的方法也能較好地反應(yīng)云南地區(qū)不同地塊之間的相互運(yùn)動(dòng).

圖6 自定義框架和ITRF2014下云南水平速度場(chǎng)差異

5 結(jié) 論

1)在自定義框架下解算的測(cè)站坐標(biāo)均方根誤差水平方向在0.7 mm以內(nèi),垂直方向在0.3 mm以內(nèi),水平方向的坐標(biāo)重復(fù)性精度在5 mm以內(nèi),滿足精度要求,而垂直方向坐標(biāo)的重復(fù)性精度大多數(shù)在2.5 cm以內(nèi),說(shuō)明本文解算測(cè)站坐標(biāo)的方法是可靠的;自定義框架和ITRF2014下的測(cè)站坐標(biāo)存在系統(tǒng)誤差,水平方向上的差異在8.5 mm以內(nèi),垂直方向上的差異在3 cm以內(nèi),由于兩個(gè)框架的輸入數(shù)據(jù)和框架點(diǎn)分布不同,在求解全球IGS站點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)的解算方法和組網(wǎng)方式也不同,測(cè)站坐標(biāo)存在系統(tǒng)誤差是可以接受的;

2)自定義框架和ITRF2014下基線長(zhǎng)度的差異在2 mm以內(nèi),說(shuō)明參考框架對(duì)基線長(zhǎng)度的影響較小,也說(shuō)明本文自主解算的參考框架滿足精度要求;

3)自定義框架和ITRF2014下云南及周邊地區(qū)水平速度場(chǎng)速度值差異在1 mm/a以內(nèi),方位角差異在0.02°以內(nèi),表明參考基準(zhǔn)對(duì)于云南及周邊地區(qū)水平速度場(chǎng)的影響較小,也能用本文解算方法來(lái)測(cè)量云南地區(qū)不同地塊之間的相互運(yùn)動(dòng),為云南地區(qū)短臨預(yù)報(bào)提供實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù);

在自主解算框架與ITRF2014框架下云南及周邊地區(qū)測(cè)站坐標(biāo)、基線長(zhǎng)度、水平速度場(chǎng)存在毫米級(jí)的差異,說(shuō)明本文自主解算的框架精度是可靠的,此外自主解算參考框架耗時(shí)較長(zhǎng)、工作量較大,以后我們將從如何提高解算速度方面進(jìn)行研究.