甘衛(wèi)軍

引言

GPS（GlobalPositioningSystem） 是 美國國防部歷時20年（1973.12—1994.03）、耗資300億美元研發(fā)建成的第二代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其建設(shè)初衷主要是為海、陸、空三軍提供全世界、全天候、全時段的導(dǎo)航、定位和授時保障，同時兼顧部分民用。GPS在最初的設(shè)計中并未包含高精度測量功能，即GPS空間大地測量技術(shù)（圖1），是后來由美國宇航局（NASA）和麻省理工學(xué)院（MIT）的幾位空間大地測量學(xué)家基于已有的甚長基線干涉測量（VLBI,VeryLongBaselineInterferometry）原理，額外地開發(fā)了這一特別的民用功能，隨即被公認為GPS最引人注目的亮點成就之一。

圖1 GPS系統(tǒng)及GPS大地測量基本原理示意圖

1981年，全球第一套商業(yè)化大地測量型GPS設(shè)備（TI-4100）在美國問世，這是GPS大地測量技術(shù)正式投入使用的里程碑事件。與傳統(tǒng)的大地測量相比，現(xiàn)代GPS大地測量技術(shù)不僅將精度提高了2～3個數(shù)量級，而且將效率提升了千萬倍。具體到大地測量應(yīng)用中最具挑戰(zhàn)的地殼運動和構(gòu)造變形監(jiān)測——從全球板塊運動到局域斷層滑動，目前的GPS大地測量技術(shù)均能做到“四高四全”的觀測，即高精度、高效率、高機動、高動態(tài)；全天候、全時段、全自動、全維度。具體而言，①基于靜態(tài)模式的GPS觀測，能夠以毫米級精度獲得任意觀測站在全球參考框架下的精確坐標(biāo)，水平誤差約2mm，垂直誤差約4mm，由此可有效分辨站點位置每年幾毫米量級的微弱變化。或者，能夠以亞厘米甚至更小的觀測誤差，確定相距數(shù)百乃至上千公里的任意兩站的精確距離；②基于動態(tài)模式的單歷元GPS觀測，能夠以高達50Hz的采樣率（或0.02秒的時間步長）和優(yōu)于15mm的三維坐標(biāo)精度，獲得強震發(fā)生時地表高動態(tài)變化過程。因此，集“高、精、尖、全”于一體的現(xiàn)代GPS大地測量技術(shù)，為各種規(guī)模尺度的地殼運動監(jiān)測提供了革命性的技術(shù)手段。在上世紀(jì)80年代后期，我國瞄準(zhǔn)這一高新技術(shù)所帶來的機遇，與國際準(zhǔn)同步地開啟了GPS地殼運動觀測的實踐應(yīng)用。

GPS地殼運動觀測里程

（一）基于國際合作的開啟階段（1988—1991）

我國基于GPS大地測量技術(shù)的地殼運動觀測，最早可追溯到3項重要的國際合作。

1.中德紅河斷裂帶GPS觀測合作項目

1988年，國家地震局地震研究所與德國漢諾威大學(xué)大地測量研究所合作，在滇西地震試驗場沿紅河斷裂帶兩側(cè)布設(shè)了16個GPS觀測站（圖2），并于1991年進行了復(fù)測?；趦善谟^測的GPS基線變化，定量確定出劍川—麗江斷裂的現(xiàn)今活動比紅河斷裂更強烈，故推測其具有更高的地震危險性。1996年2月，在劍川—麗江斷裂中段發(fā)生了麗江7.0級地震，較好地印證了這一推測，并由此展現(xiàn)出GPS大地測量技術(shù)在地震監(jiān)測方面的巨大潛力。

2.中美青藏高原東部及鄰區(qū)GPS觀測合作項目

1991年，地質(zhì)礦產(chǎn)部成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所和美國麻省理工學(xué)院合作，在青藏高原東部及鄰區(qū)，布設(shè)了27個GPS觀測站（圖2），通過1991—1995年的4期觀測，定量地初步勾畫了青藏高原東南緣現(xiàn)今構(gòu)造變形的東向逃逸和順時針渦旋等特征，為研究青藏高原隆升擴展的地球動力學(xué)機制提供了重要約束。

3.中美意跨喜馬拉雅GPS觀測合作項目

1991年，美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校和意大利里雅斯特大學(xué)牽頭的跨喜馬拉雅GPS觀測合作項目，實施了青藏高原5個GPS觀測的布設(shè)和觀測，我國的西安地質(zhì)學(xué)院、四川省地震局、新疆地震局等單位協(xié)助。

這些國際合作，開啟了我們對GPS地殼運動觀測的實踐，培養(yǎng)和鍛煉了國內(nèi)最早一批GPS大地測量專家，尤為受益的方面是GPS數(shù)據(jù)處理技術(shù)，為日后我國GPS地殼運動觀測的自主大力發(fā)展奠定了至關(guān)重要的基礎(chǔ)。

（二）自主嘗試階段（1991—1995）

在“八五”期間，隨著美國GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建成和國際上GPS地殼運動觀測研究的蔚然興起，我國的GPS地殼運動觀測亦進入了自主布網(wǎng)、全面嘗試的發(fā)展階段。

1992年，國家攀登計劃開展了“現(xiàn)代地殼運動與地球動力學(xué)”研究項目，率先在全國布設(shè)了包含22站的“中國地殼運動GPS監(jiān)測網(wǎng)”。與此同時，由國家地震局的統(tǒng)一部署，在中國大陸一些重要的構(gòu)造活動區(qū)域，地震研究所、第一地形變監(jiān)測中心、第二地形變監(jiān)測中心、山西省地震局、福建省地震局和新疆地震局等單位陸續(xù)布設(shè)了局域性GPS地殼運動觀測網(wǎng)（圖2、表1）。

表1 “八五”期間部分GPS地殼運動觀測網(wǎng)

圖2 中國大陸最早期的GPS地殼運動觀測網(wǎng)（改編自游新兆等，1998）

需要指出的是，鑒于1990年代初期GPS大地測量觀測設(shè)備尚稀少昂貴，故當(dāng)時的主要觀測方式為間歇性的流動式重復(fù)觀測，即每隔一段時期（如1年或數(shù)年），以會戰(zhàn)的方式對全網(wǎng)進行一次復(fù)測，每站的觀測時長為幾小時至幾十小時。而現(xiàn)今的GPS觀測，已逐漸趨向于以連續(xù)觀測方式為主，即一站一套固定設(shè)備進行長期的永久觀測。

（三）整體布局階段（1996—2001）

隨著GPS大地測量技術(shù)的全面成熟，我國在“九五”期間實施了國家重大科學(xué)工程“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”，由中國地震局牽頭聯(lián)合總參測繪局、中國科學(xué)院和國家測繪局，以統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一規(guī)程、統(tǒng)一部署和統(tǒng)一驗收的先進管理方式，建成了覆蓋中國大陸及部分島礁的“中國地殼運動GPS觀測網(wǎng)絡(luò)”（圖3）。

圖3 中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)GPS站分布圖

該GPS觀測網(wǎng)絡(luò)包括27個連續(xù)觀測的GPS基準(zhǔn)站，56個年度復(fù)測的GPS基本站和1000個不定期復(fù)測的GPS區(qū)域站。其中，基準(zhǔn)站和基本站較為均勻地分布于中國大陸，主要監(jiān)測一級構(gòu)造塊體之間的相對運動。而區(qū)域站的70%密集分布于一系列主要斷裂帶和地震重點監(jiān)視區(qū)，直接監(jiān)測斷裂運動和構(gòu)造變形，服務(wù)于地震監(jiān)測預(yù)測和地球科學(xué)研究。其余的30%相對均勻地分布在中國大陸，站距大約為250～350km，主要服務(wù)于軍事測繪保障和基礎(chǔ)測繪需要。

“九五”國家重大科學(xué)工程“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”的實施，最大的成就之一是制定了《中國地殼運動觀測技術(shù)規(guī)程》，并進行了GPS觀測站建設(shè)和應(yīng)用的引領(lǐng)示范。在隨后的二十多年間，中國地震局下屬的一系列省局和研究所，根據(jù)各自的關(guān)注區(qū)域和業(yè)務(wù)特點，加密建設(shè)了數(shù)以千計的地殼運動GPS觀測站，如南北地震帶的GPS加密觀測、973專項《活動地塊邊界帶的動力過程與強震預(yù)測》在鮮水河斷裂帶的GPS加密觀測、山西地震局和陜西地震局在鄂爾多斯周緣地塹的GPS加密觀測、四川地震局的成都連續(xù)GPS觀測網(wǎng)建設(shè)等等。

由于GPS大地測量的最大優(yōu)勢之一是觀測資料在“時-空”兩方面的全球關(guān)聯(lián)性，即我們按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)各自建設(shè)和觀測的區(qū)域性GPS觀測網(wǎng)，能夠完全地合并至中國地殼運動GPS觀測網(wǎng)絡(luò)，使其不斷地得以加密、補充和擴展。

“九五”階段建成的中國地殼運動GPS觀測網(wǎng)絡(luò)，從設(shè)計理念、涵蓋范圍、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面，均到達了同期國際先進水平，因而與全球著名的日本GEONET、美國PBO形成了三足鼎立之勢，受到了全球的廣泛關(guān)注。不過，該時期我們基于國情以流動GPS觀測為主的運行模式，因無法滿足連續(xù)化地殼形變監(jiān)測的需求，日后的大幅升級改造成為必然。

（四）升級加密階段（2006—2012）

2001年，也就是在“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”建成之初就制定了二期發(fā)展的規(guī)劃。進入“十一五”階段，在國家發(fā)改委的大力資助下，在2007—2012年期間實施二期工程，全面升級改造為“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)”）。

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)由中國地震局牽頭，聯(lián)合總參測繪局、中國科學(xué)院、國家測繪局、中國氣象局和教育部共同建設(shè)。其連續(xù)GPS觀測站數(shù)量由原來27站增加至260站；流動GPS觀測站數(shù)量由原來1000站增加至2000站；原來基本網(wǎng)的56個定期流動GPS觀測站，部分升級為連續(xù)觀測站，部分納入2000流動GPS觀測站（圖4）。

圖4 中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)GNSS站分布圖

需要指出，在“十一五”階段的二期工程中，鑒于國際上其他三大衛(wèi)星系統(tǒng)——俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）、歐 盟 的 伽 利 略（GALILEO）和中國的北斗（BDS）相繼發(fā)展，我們嘗試將以往單一依靠的GPS大地測量技術(shù)，拓寬為GNSS大地測量技術(shù)。但時至今日，由于三大系統(tǒng)各自的種種原因，再加之IGS（InternationalGNSSService，國際GNSS服務(wù)）“幕后支撐”的乏力，譬如，無法為BDS和GLONASS提供足夠精度的衛(wèi)星鐘差改正模型和衛(wèi)星軌道等等，GLONASS、GALILEO和BDS的大地測量定位精度尚不能滿足毫米級地殼運動和構(gòu)造變形的監(jiān)測需求，故在“精細”地殼運動監(jiān)測領(lǐng)域，GPS大地測量技術(shù)仍然保持著一枝獨秀的引領(lǐng)地位。

二期工程陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)的實施，建成了覆蓋中國大陸及近海的高精度、高時-空分辨率的地殼運動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，以完整、連續(xù)、可靠的綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品，服務(wù)于地震預(yù)測、科學(xué)研究、軍事測繪、大地測量和氣象預(yù)報等多學(xué)科領(lǐng)域，使我國在空間對地觀測領(lǐng)域的研究和應(yīng)用水平躍入國際先進行列。

在GPS大地測量技術(shù)的應(yīng)用提升方面，最大的亮點是我國自主研發(fā)了一系列應(yīng)用軟件，包括GNSS觀測網(wǎng)運維監(jiān)控系統(tǒng)、GNSS精密定軌定位、GNSS精密單歷元定位、GNSS水汽含量處理分析、可移動基準(zhǔn)站實時定位服務(wù)系統(tǒng)等，實現(xiàn)了大型GNSS觀測網(wǎng)絡(luò)運行管理和高精度數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的自主可控。

（五）引領(lǐng)國際階段（2015—）

近年來，中國大陸以增強導(dǎo)航定位精度和（或）服務(wù)實時工程測量為主要目的GNSS地面參考站（CORS）數(shù)量正在迅猛增加，全國各?。ㄖ陛犑校┗蛟S多城市，都有自己的“連續(xù)GNSS參考站網(wǎng)系統(tǒng)”，平均的站間距通常在60～80km。根據(jù)粗略的統(tǒng)計，這樣的連續(xù)GNSS觀測站總數(shù)不少于30000站。此外，一些行業(yè)部門，如中國氣象局、國土資源部、國家海洋局等部門，也陸續(xù)布設(shè)了總數(shù)愈千的連續(xù)GNSS觀測站。與之相比，我們目前專門針對地殼運動觀測的數(shù)百個連續(xù)GNSS觀測站，數(shù)量僅為其零頭。

圖7 基于1991—2004年GPS觀測的中國地殼運動圖（Niuetal.,2005,ChineseScienceBulletin）

圖8 基于1991—2018年GPS觀測的中國地殼運動圖（Wang&Shen,2020,JGR）

但正如前面所說，由于“九五”中國地殼運動GPS觀測網(wǎng)絡(luò)起到了良好的引領(lǐng)示范作用，在連續(xù)GNSS觀測站的建設(shè)和觀測方面，許多省市、部門或機構(gòu)均在盡可能向地震行業(yè)的最高標(biāo)準(zhǔn)看齊或靠攏?；谖覀兊膰轶w制，完全能夠?qū)⑦@部分連續(xù)GNSS觀測資源與中國地殼運動GPS觀測網(wǎng)絡(luò)共享?？梢栽O(shè)想，如果將這些觀測站按照“分布合理、站基穩(wěn)定”等苛刻條件優(yōu)中選優(yōu)地挑選30%，則中國大陸GPS觀測網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)站數(shù)量將超過10000站。

當(dāng)然，雖然這些觀測站數(shù)量龐大，但分布位置并非專門針對一些緊迫的地震重點監(jiān)測區(qū)。為此，在一系列地震重點監(jiān)測區(qū)，中國地震局近年來也一直進行連續(xù)GNSS觀測站的加密工作。譬如，目前正在穩(wěn)步推進的川滇“地震科學(xué)試驗場”項目，已在該區(qū)域加密布設(shè)了近300站，局部的連續(xù)GPS觀測臺陣站間距不到15km。而在即將實施的下一步規(guī)劃設(shè)計中，還將在該區(qū)域加密布設(shè)近600站（圖5）。因此，中國大陸目前可用于地殼運動觀測的GPS網(wǎng)絡(luò)設(shè)施無論是整體覆蓋范圍和平均密度，還是局部重點構(gòu)造區(qū)域的針對性密集觀測，均已遙遙領(lǐng)先于世界各國。目前的挑戰(zhàn)和機遇，是如何充分利用全球一流的GNSS觀測網(wǎng)絡(luò)和海量的GNSS觀測數(shù)據(jù)，產(chǎn)出全球一流的科學(xué)產(chǎn)品，服務(wù)于國內(nèi)和國際。

圖5 中國地殼運動GNSS觀測網(wǎng)絡(luò)連續(xù)觀測站加密和擴充

應(yīng)用與成果

中國地殼運動GNSS觀測網(wǎng)絡(luò)不但服務(wù)和應(yīng)用于地震科學(xué)觀測、地震監(jiān)測預(yù)測、地球動力學(xué)研究，還可服務(wù)于電離層電子密度變化監(jiān)測、近地空間圈水汽含量變化監(jiān)測和災(zāi)害天氣預(yù)測、城市地面沉降監(jiān)測、地質(zhì)滑坡災(zāi)害監(jiān)測、建筑物/構(gòu)筑物安全性監(jiān)測，同時可兼顧國防軍事測繪保障、民用工程測繪基礎(chǔ)、國家大地測量框架維護、高精度導(dǎo)航差分改正服務(wù)等。這里作為示例，展示我們基于GPS觀測技術(shù)，在不同階段所獲取的中國大陸地殼運動圖像（圖6、7、8），其空間分辨率的不斷提高，可在一定程度上反映出30年的發(fā)展歷程和技術(shù)進步。

圖6 基于1991—2000年GPS觀測的中國地殼運動圖（Wangetal.,2001,Science）