ZJCORS站點形變分析

吉淵明

(浙江省測繪科學技術研究院，浙江 杭州 310012)

1 引 言

ZJCORS(浙江省連續運行參考站系統)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 系統基準站網自身的穩定性是確保系統正常運行的關鍵。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、地質構造活動、地表水、大氣、土壤、潮汐等諸多因素的影響，站點位置會發生變化，影響三維定位服務的精度。為確保ZJCORS 系統所提供基準的準確性和時效性，需要對ZJCORS 的穩定性進行監測分析，從而為定期更新ZJCORS 站點坐標并提高坐標精度提供依據。

CORS 系統站點穩定性分析應該建立在統一的、適當的基準之上。ITRF 框架實現和維持了一個全球統一的、高精度的、三維地心坐標系，是一個定義明確、可以長期穩定使用的全球坐標參考框架［1］。目前CORS 系統穩定性分析方法一般有兩種:一是采用秩虧網平差或經典自由網平差，根據兩期觀測位移及其協因數陣采用穩健法構造統計量進行假設檢驗，搜索和確定CORS 系統可能存在的不穩定點位，即確定CORS 系統局部基準的穩定性，并建立CORS 系統在全球ITRF 框架下的位移變化率，將其與區域內國際IGS跟蹤站位移速率進行比較，分析CORS 系統整體ITRF框架的穩定性［1］。另一種是與周邊IGS 跟蹤站聯測，并選取周邊站址穩定、結果可靠的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 系統站點穩定性。

CORS 站網坐標時間序列中通常包含有地殼構造形變信息、地殼非構造形變信息、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，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［2］。時頻分析用來確定坐標序列在時間上的相關性特征，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 基本情況及觀測數據收集

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。系統采用儀器大多數為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日觀測數據進行處理分析，除去數據缺失的測站，實際數據處理的省級站16 個、市級站34 個。

3 數據處理方案

3.1 數據準備

采用Bernese V5.0 軟件進行高精度數據處理，應考慮多種誤差影響，要進行相應數據準備:

①下載相應觀測時間段內精密星歷文件、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、地球自轉參數信息文件、問題衛星文件、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年的觀測數據嚴重缺失，TSKB 位于日本，解算時穩定性較差，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對觀測數據進行質量檢查，刪除觀測時間短或數據質量差的數據，保證基線解算質量;⑤觀測值采用無電離層組合LC 觀測值;⑥根據Bernese 提供的OBS －MAX(Maximum Common Observations)原則進行基線選擇;⑦根據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，大氣延遲估計2 h間隔估計一個參數;⑩解算過程中考慮衛星鐘差改正、接收機鐘差改正、對流層延遲改正、衛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 坐標轉換

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

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

式中t1為框架歷元，t2為需轉換到的歷元，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。

框架轉換采用ITRF 網站(http://www．iers．org/IERS/EN/IERSHome)公布的轉換參數。轉換的公式為:

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 提供的框架轉換參數。

4 ZJCORS 站點形變分析

CORS 站點位置的變化受板塊運動、地質構造活動、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關系。由表1的統計值MEAN 可知，每個季度的平均偏移量并不存在這種規律，說明站點位置變動受每個季度的地表水、大氣、土壤、區域性構造運動等因素影響。

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 站則相對穩定。

進一步分析計算N、E、U 方向上的差值變化。統計結果表明，在N、E 方向出現了系統性偏移，其中N方向偏移量較小，在E 方向偏移量較大，浙江CORS 網在平面上整體向東南方向偏移，符合CORS 網所在板塊的運動規律。CORS 站YINZ、DEQI、JIAX、SHIP 出現相應較大的偏移量，尤其YINZ 在垂直方向發生了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生的位移，站點變動為地表水、大氣、土壤、區域性構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、區域性構造運動等因素有關。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，這與上一節的分析一致。這一現象的原因可能是2011年10月初有陰雨天氣影響了觀測數據，對數據解算結果產生了影響。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，坐標轉化時站速度直接影響坐標的計算結果。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，總體上呈現季節性上升，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 語

ZJCORS 站點受板塊運動、地質構造活動、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 框架基準中是動態變化的。總體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變化達15 mm/a。因此，為確保ZJCORS 系統所提供基準的準確性和時效性，需要以每季度的周期對ZJCORS 的穩定性進行監測分析，并更新站點坐標。經過若干年后，當計算的站速度趨于穩定時，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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