蒙城地磁臺測量標志方位角測定

袁 泉 黎哲君 王 雷 陳 俊談 昕 徐如剛

1)中國合肥 230031 安徽省地震局

2)中國蒙城 233527 蒙城地震臺

0 引言

地球磁場的變化研究廣泛應用于地震監測、預報等領域。地磁場是一個矢量場，描述地磁場的物理量有磁偏角D、磁傾角I、總強度F、水平強度H、北向強度X、東向強度Y、垂直強度Z等7個要素。確定某一測點的地磁場需要3個彼此獨立的分量來描述，通常可供選擇的地磁要素有F、D、I、H、Z等，這些要素可以組合成D、I、F或D、H、Z等多種方式，在已知3個獨立要素的前提下，其他要素可通過數學函數求得。其中，磁偏角D在野外流動測量和固定地磁臺站觀測中均是不可或缺的觀測量。若要測得某測點的磁偏角D，首先必須知道該測點的地理正北方向，又稱地理子午線。通過天文方位角的測量可以獲得地理正北方向，通過地磁測量可獲得地磁北方向，兩者之差即為磁偏角D（中國地震局，2001；中國地震局監測預報司，2002）。

蒙城地震臺建于1978年，2007年5月，在中國科學技術大學與安徽省地震局蒙城地球物理聯合觀測站基礎上，國家科技部批準建設安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站 (National Geophysical Observatory at Mengcheng，Anhui) 。近年來，新型觀測儀器陸續投入使用，為滿足新型儀器對觀測設施的要求，蒙城地震臺于2013年6月中旬開始地磁觀測標志改造工作。改造工作完成后，為保證觀測資料的連續性和完整性，觀測室內各觀測墩至室外標志的方位角準確測定工作成為當務之急。為此，安徽省地震局于2013年12月底對蒙城地震臺各室內觀測墩至室外觀測標志的方位角進行精密測量。

1 方位角測量方案

在地震臺站定點地磁觀測和野外流動地磁觀測中，以往觀測標志方位角的主要方法是天文觀測法，即北極星任意時角法測定天文方位角。該方法受觀測環境影響較大，觀測時間較長，目前已不采用（Newitt L R et al，2002）。本次采用GPS差分測量和經緯儀水平角測量相結合的方法測定標志方位角，該方法實施簡單且測量精度較高。測量儀器采用Promark差分GPS測量系統和TDJ2E光學經緯儀。

如圖1所示，蒙城地震臺絕對觀測室內有2個測墩（O1、O2），室外有3個觀測標樁（原標樁、主標樁和副標樁），觀測標樁位于觀測室以北，與觀測室距離分別約110 m、290 m和370 m，其中原標樁僅有一個對角標志，編號為1#，副標樁上有2個銅棒標志和一個對角標志，編號分別為2#、3#和4#。主標樁上的兩個銅棒標志和一個對角標志編號分別為5#、6#和7#。需要觀測的目標方位角為觀測墩O1和O2至6個室外觀測標志的方位角AO1-X和AO2-X（X=1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#）。

由于室外觀測標樁和室內觀測墩上均無法直接架設GPS接收機，因而需要在室外選擇兩個測點形成一條GPS基線，通過GPS差分測量獲得方位角AG1-G2，作為起始方向，而后利用經緯儀進行水平角測量，經過兩次角度轉換，將方位角AG1-G2傳遞至目標方向。測量流程如下。

（1）在觀測標志與觀測墩之間的開闊地帶選擇兩個點位（圖1中G1、G2）架設GPS天線，為保證方位角測量精度，需保證兩個點的距離大于200 m，經GPS差分測量得到G1、G2連線的方位角AG1-G2，以此作為水平角觀測的起始方位角。

（2）GPS觀測結束后將G1、G2點天線撤下，在G2和O1上架設覘標，G1架設經緯儀，盤左依次瞄準G2、O1讀數，盤右依次瞄準O1、G2讀數為一個測回，重復6個測回，得到G1至G2連線和G1至O1連線的夾角αG2G1O1，按公式（1）計算，得到O1至G1連線的方位角AO1-G1，按同樣方法觀測、計算得到方位角AO1-G2。

圖1 測墩、觀測標志分布示意Fig.1 Sketch of the distribution of observe stations and survey marks

（3）在O1上架設經緯儀，G1上架設覘標，盤左順時針依次瞄準G1、1#—7#、G1讀數，盤右逆時針依次瞄準G1、7#—1#、G1讀數為一個測回，如此重復6個測回，得到O1至G1連線與O1至1#—7#共7個觀測標志連線的夾角，并按公式（2）（以AO1-X為例）計算，得到O1至1#—7#的方位角。

（4）在O2上架設經緯儀，采用與步驟（3）類似的觀測方法和計算公式，計算得到O2至1#—7#的方位角AO2-X。

2 測量結果與精度分析

2.1 GPS基線處理結果

GPS基線數據處理采用Ashtech Solution 2.6軟件完成，為保證觀測精度，每次均進行兩組GPS基線觀測，在基線方位角解算結果相差不超過1″的情況下取2組測量結果的平均值作為觀測結果。詳細測量結果見表1，由于整個測量工作分兩天完成，因而有2次GPS測量結果，每次測量2組。

2.2 水平角測量結果與精度

根據測量方案，通過GPS基線測量獲得方位角AG1-G2后，需要測量兩個水平角才能獲得一個目標方向的方位角，每個水平角均測量6個測回。

按式（3）計算每個水平角測量結果算術平均值的標準偏差。

表1 GPS基線測量結果Table1 Measurement result of GPS baselines

其中，n為重復觀測次數，αi為第i次水平角觀測值，為n次水平角觀測值的平均值。

水平角αG2G1O1和αG1G1O1的測量結果及精度見表2，水平角 和 的測量結果及精度見表3。由表2和表3可知，水平角平均值標準差最大值0.41″，標準差平均值分別為0.38″和0.25″，可見單次水平角測量精度較高。

表2 水平角δG2G1O1和δG2G1O2測量結果及精度Table2 Result and accuracy of horizontal angles δG2G1O1 and δG2G1O2

表3 水平角δG1G1O1和δG2G1O1測量結果及精度Table 3 Result and accuracy of horizontal angles δG1G1O1and δG2G1O1

由式(1)和式(2)可以得到目標方向方位角的計算公式（以AO1—X為例）。

由式(4)可知，水平角測量結果由兩個獨立分量αG2G1O1和αG1G1O1共同決定，根據若干獨立誤差聯合影響的計算公式[式(5)]，計算得到兩個獨立水平角觀測量之和的標準差，即水平角測量誤差的聯合影響（表4）。

其中，δO1-X、δG2G1O1和δG1O1X分別為AO1—X、δG2G1O1和δG1O1X的標準差。

表4 水平角測量誤差聯合影響Table4 Combined inf l uences of errors from horizontal angle observations

由表4可見，由于每個目標方位角的確定均需要經過兩次水平角測量，雖然聯合影響精度略低于單次水平角測量精度，但標準偏差平均值不超過0.50″，最大值不超過0.57″。

2.3 方位角計算結果與精度

式（4）為目標方位角的計算公式，計算結果見表5，計算結果精度由GPS基線方位角測量精度和水平角測量精度共同決定。本次測量采用的差分GPS測量系統標稱方位角測量精度為0.1″，采用該精度指標估算GPS測量誤差和水平角測量誤差對目標方位角計算結果的聯合影響，見表5。

表5 目標方位角測量結果與精度Table 5 Result and accuracy of target azimuths

從表5可見，在考慮GPS測量精度影響后，方位角計算結果精度略微低于水平角測量精度，但其最大標準差仍不超過0.58″，優于地震行業標準《地磁數字化觀測技術規范》中地磁觀測墩至室外標志的天文方位角觀測精度需控制在6″以內的要求。

3 結論

采用差分GPS測量獲得起始方位角，通過經緯儀水平角測量方法，經兩次角度轉換得到每個目標方向的方位角，精確測定蒙城地震臺兩個地磁觀測墩至7個室外觀測標志的14個方位角，測量結果精度優于相關規范要求，為蒙城地震臺地磁測量數據的重新歸算和后期磁偏角測量工作提供保障。

通過本次方位角測量工作，發現以下問題：①GPS測量精度受觀測條件影響較大，測量點選擇應避開高大樹木、房屋等遮擋物，并保證GPS基線長度大于200 m；②水平角測量發現，地磁測量標志是否易于照準對水平角測量精度有較大影響，在設置地磁測量標志時，應注意標志尺寸的合理選擇；③通過測量結果精度分析發現，進行6個測回重復觀測，水平角測量精度可以達到較高水平，由于方位角計算結果誤差同時受到GPS基線方位角測量誤差影響，建議有條件時增加測量組數、延長測量時間等手段，保證GPS方位角測量結果精度；④本研究采用方法滿足地磁測量標志方位角測定精度要求，易于操作，可適應大多數地磁臺站測量環境，可在地磁標志方位角測定中廣泛運用，類似方法在部分地磁臺站已得到應用（楊福喜等，2008；史小平等，2009）。

史小平，辛長江，田文通，等.蘭州地磁臺GPS差分方位角的測量[J].高原地震，2009，21（2）：37-40.

楊福喜，楊欣，張向陽，等.烏魯木齊地磁臺標志方位角的測定[J].內陸地震，2008，22（4）：306-313.

中國地震局.地震及前兆數字觀測技術規范（試行）[S].北京：地震出版社，2001：69-70.

中國地震局監測預報司.地震電磁數字觀測技術[M].北京：地震出版社，2002：111-120.

Newitt L R, Barton C E, Bitterly J.地磁復測點測量指南[M].北京：地震出版社，2002：27-31.