IGS跟蹤站在區域變形監測中的應用＊

陳 遠，李海英，葉聰云，彭曉東

（1.廣東省航道測繪中心，廣東 廣州511483；2.廣州計量檢測技術研究院，廣東 廣州510000）

0 引 言

在區域GPS變形監測的應用中，經典的大地測量參考基準，已經難以滿足現代高精度長距離定位、形變監測和地球動力學研究的需要。因此，一些國家和國際組織先后建立了不同的現代地心大地坐標參考系統，其中精度最高、使用最廣泛的為國際地球自轉服務（IERS）所建立的國際地球參考框架（ITRF）[1]。自1988年以來，IERS已經發布了ITRF88、ITRF89、乃至ITRF2005等全球坐標參考框架，目前廣泛應用的為ITRF2005[2]。國際地球參考框架（ITRF）是基于 VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空間技術所建立的現代全球地面參考框架，它提供一個全球統一的、地心的、三維的和動態的高精度地面坐標參考基準。

由于ITRF框架點的分布密度還不能滿足區域大地測量的要求，因而利用GPS精密基線解算軟件聯合周圍的IGS跟蹤站建立區域性的、與ITRF相一致的三維大地坐標參考基準成為大地測量研究的熱點之一。眾所周知，IGS基準站的選擇和處理在高精度GPS數據處理中至關重要，選擇不當或處理不當，對平差結果的影響是系統性的。主要研究了IGS跟蹤站的選取及不同基準點對GPS監測網點變形量的影響。

1 影響GPS監測網點平差精度的因素分析

在選定IGS基準站與區域GPS網一起平差時，平差模型及其解為[3]

式中：

其中：A1、A2為設計矩陣；XG，XI分別為GPS和IGS站點坐標向量。由式（4）知，平差后GPS點坐標精度除與觀測精度PΔ及IGS基準站的先驗權有關外，還與系數陣A1、A2有關，即與所選IGS基準站的位置和數目有關。

由以上分析可知，影響GPS監測網平差的主要因素是觀測精度和基準點的選擇，其中觀測精度又與觀測時間的長短及數據處理軟件的完善程度有關。由于IGS跟蹤站密度較稀，往往距離變形區達數百公里，此時需要精密基線解算軟件進行處理[4]。由文獻[4]可知，當觀測時間超過4h時，即使基線長度達到500km，使用Bernese軟件解算的基線精度也優于1mm.

2 IGS跟蹤站點的變形分析

跟蹤站點選擇的重點放在GPS跟蹤站的時間序列的穩定性分析及其精度分析上。如果IGS跟蹤站位于形變區域或者其速度場精度偏大，必然會在長期數據處理的精度及其穩定性上顯現出來。給出的變形監測區域位于淮北市附近，距其較近的跟蹤站分別為BJFS、SHAO、WUHN三個站點。此3個站點都位于歐亞板塊，根據ITRF2005給出的全球各跟蹤站點的速度文件IGS05.VEL可知，這3個點的運動趨勢相同，運動的速度很接近。給出BJFS、SHAO、WUHN三個站點2009年以周為時間間隔的三維坐標變化量，如圖1～3所示。

圖1 BJFS、SHAO、WUHN三個站點X方向的變化量

圖2 BJFS、SHAO、WUHN三個站點Y方向的變化量

圖3 BJFS、SHAO、WUHN三個站點Z方向的變化量

圖1～3可知，BJFS、SHAO、WUHN三個站點的X方向的運動的速度較大，一年內最大的變化量達到33.9mm，但三者同一時間對應變化量基本相同，其互差一般在3mm以內；Y和Z方向的變化量相對較小，一般集中在15mm以內，但是三個站間的互差有時則高達7mm以上，在各期監測其基準統一時應予以考慮。

3 實例驗證及分析

實例數據來源于皖北礦區的海孜、青東、楊柳、臨渙、袁店和孫疃六個礦的6個監測點的2009年3月6日和2009年7月9日兩次的GPS實測數據，觀測時間不小于4h，以及離該礦區較近的北京、上海、武漢三個IGS跟蹤站的該天的觀測數據。如圖4所示，各點間的基線平均長度為30 km，該礦區距離BJFS、SHAO、WUHN三個跟蹤站的平均距離大約500km.

圖4 淮北礦區GPS變形監測網點示意圖

利用Bernese軟件分別按照如下方案解算各期坐標：1）方案一：每期只約束BJFS、SHAO、WUHN三個站點，將第二期各點坐標用七參數坐標轉換法統一到第一期框架下，再比較各點的變形量；2）方案二：每期除了約束BJFS、SHAO、WUHN三個站點外，再約束變形區邊緣的YL01點，利用方案一同樣的方法計算出各監測點的變形量。Bernese5.0軟件處理結果表明：各期網點的X、Y、h三個方向的精度均優于5mm.不同方案對應的各監測點的變形量如表1所示。

表1 不同方案對應的各監測點的變形量

由表1可知，兩種不同方案對應的變形量基本一致，最大差值為4mm，平均差值為2mm.圖5、圖6形象地說明了兩種方案的一致性。

圖5 方案一對應的各點變形量

圖6 方案二對應的各點變形量

4 結 論

利用變形區周圍的IGS跟蹤站作為基準點，能夠解決大范圍變形區域內基準點難以建立的難題，同時，只有合理地選擇周圍的IGS跟蹤站、足夠的觀測時間及GPS精密基線解算軟件，才能較準確地獲取GPS監測網點的變形量。

[1]鄂棟臣，張勝凱.國際南極大地參考框架的構建與進展[J].大地測量與地球動力學，2006（2）：104－108.

[2]李征航，張小紅.衛星導航定位新技術及高精度數據處理方法[M].武漢：武漢大學出版社，2009.

[3]隋立芬，許其鳳.GPS數據處理中基準站的加權及其影響[J].測繪學院學報，2002，19（4）：235－238.

[4]卞和方.礦區GPS變形監測及其預報研究[D].徐州：中國礦業大學，2009.

[5]黃聲享，尹 暉，蔣 征.變形監測數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2003.

[6]徐 平，尹繼堯，吳培稚，等.北京市GPS網解算時IGS站的選取實驗[J].大地測量與地球動力學，2006，26（1）：49－54.

[7]張華海，李景芝，GPS定位技術在礦區地面形變測量中的應用[J].測繪通報，2002（4）：10－12.