海潮負荷和大氣負荷對陸態(tài)網(wǎng)絡的綜合影響

岳彩亞，黨亞民，楊　強，韓雪麗，李　超

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東　青島　266590；2.中國測繪科學研究院，北京　100830)

海潮負荷和大氣負荷對陸態(tài)網(wǎng)絡的綜合影響

岳彩亞1，2，黨亞民2，楊強2，韓雪麗1，2，李超1，2

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東青島266590；2.中國測繪科學研究院，北京100830)

摘要：針對高精度大范圍的GPS控制網(wǎng)進行基線解算和平差時，海潮負荷和大氣負荷對地面測站造成的影響最大可達厘米級的問題，闡述了2種負荷的影響原理和各種負荷常用的改正模型;還結合中國陸態(tài)網(wǎng)絡，從短基線、南北方向長基線、東西方向長基線和靠海基線4個方面對比分析了2種負荷對網(wǎng)和測站的綜合影響。結果表明東西方向的基線比南北方向的基線更容易受到2種負荷的影響，且長、短基線受到的影響表現(xiàn)出一定的季節(jié)性變化。為監(jiān)測中國大陸地殼運動、重力場形態(tài)及變化和現(xiàn)代大地測量基準系統(tǒng)的建立和維持提供了參考。

關鍵詞：海潮負荷；大氣負荷；陸態(tài)網(wǎng)絡；綜合影響

0引言

自1964年第一個衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)Transit誕生以來，經(jīng)過了幾代技術的不斷完善和發(fā)展，目前已經(jīng)建立成一個全球性、全能性、全天候、連續(xù)性、實時性的導航、定位和授時等集于一體的多功能的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。且可向各類靜止或者運動的用戶提供精密的瞬間三維坐標、速度場矢量和精確授時等服務。由美國麻省理工學院(The Massachusetts Institute of Technology，MIT) 和斯克里普斯海洋研究所(The Scripps Institution of Oceanography，SIO) 聯(lián)合開發(fā)的GAMIT/GLOBK數(shù)據(jù)處理分析軟件能夠以高精度的方式處理海量的GPS數(shù)據(jù)，并且以代碼開源、操作簡單等優(yōu)點受到了大量的全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)數(shù)據(jù)處理領域以及地學研究領域的學者的青睞。當采用精密星歷和高精度起算點時，GAMIT軟件解算長基線的相對精度可達到10-9～10-8的數(shù)量級，解算短基線的精度優(yōu)于1 mm[1-2]，目前成為了GPS高精度數(shù)據(jù)處理中最常用的一款軟件。

由于受日月等天體引潮力的影響，海洋出現(xiàn)潮汐現(xiàn)象，促使海水質量重新分布，從而造成了大陸框架的變形，尤其是近海地區(qū)，這種形變在垂直方向可達cm級[3-5]。不僅如此，氣壓負荷引起的地球形變信號也會反映到GPS站坐標高程分量中。根據(jù)國內的研究成果，氣壓變化引起的地面位移占高程分量估值總方差的24%[6]。以前的學者大都是立足于研究2種潮負荷的1種產(chǎn)生的影響；而本論文從2種負荷的綜合影響出發(fā)，分析了其對陸態(tài)網(wǎng)絡以及測站高程方向的影響。

1分析方法

1.1海潮負荷模型

目前國際上有10多種海潮模型，包含了全球海潮模型和區(qū)域海潮模型，且各個模型精度相當、各具優(yōu)點。海潮的起落非常復雜，其根本原因是月亮和太陽產(chǎn)生的影響。在實際中最常用到的是由Farrell理論得出的海潮瞬時潮高與格林函數(shù)褶積算的海潮負荷。采用格林函數(shù)解法，可精確得到海潮負荷各個方向的變化[7-9]，如式(1)所示：

(1)式中：ΔUP為高程方向測站位移，向上為正；ΔWE為東西方向測站位移，向東為正；ΔSN為南北方向測站位移，向北為正；ρ為海洋密度；Hi(φ',λ')為積分面第i個分潮波瞬時潮高；G(θ)為引力常數(shù)；θ為球面角；R為地球半徑；λ為東經(jīng)；φ為余緯。

測站在豎直方向UP的海潮負荷變形、測站南北方向SN的海潮負荷變形以及測站東西方向NE的海潮負荷變形，公式為

(2)式中：N為潮波總數(shù)；fi為與月球升交點經(jīng)度相關系數(shù)；Ai為測站第j個位移分量相適應的第i個分潮波的振幅；φj為格林尼治相位；ωi為角速率；φi為格林尼治相位；ωt+xi+ui為第i個分潮波在t時刻的相位延遲。

在實際應用中，海潮改正模型可以設置成全球海潮改正模型，也可以設置成區(qū)域海潮改正模型。經(jīng)學者研究，對于我國黃海海域和東海海域以及日本地區(qū)適合使用區(qū)域海潮改正模型NA099.b。本論文在研究海潮負荷對我國陸態(tài)網(wǎng)測站的影響時使用全球海潮改正模型FES2006。

1.2大氣負荷模型

經(jīng)學者研究發(fā)現(xiàn)除了海潮負荷外，大氣負荷同樣會對內陸板塊變形產(chǎn)生作用，尤其是在高程方向的影響更為明顯；因此我們在進行地球動力學研究和板塊運動時同樣應考慮大氣負荷的影響[10]。文獻[6]推薦使用一種只依賴于大氣壓變化就可得出地殼垂直變形的簡化公式為

(3)

(4)

P(x，y)=A0+A1x+A2y+A3x2+A4xy+A5y2;

(5)

R=x2+y2。

(6)

式(4)～式(6)中：x、y為采樣點到GPS測站點的N和E方向的距離；A0～A5是需要的6個氣壓數(shù)據(jù)擬合系數(shù)。式(5)用來描述測站周圍的氣壓分布的二次曲線。對于我國陸態(tài)網(wǎng)測站采樣時要保證采樣點分布均勻，并且數(shù)目不宜太小，要根據(jù)具體實際情況進行采樣。論文通過2種方案來設置GAMIT解算參數(shù)，以期探究大氣負荷和海洋潮汐負荷對中國陸態(tài)網(wǎng)的影響。

2海潮負荷和大氣負荷對中國大陸測站的影響分析

中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(以下簡稱陸態(tài)網(wǎng)絡)由260個連續(xù)觀測和2 000個不定期觀測站點構成的，主要用于監(jiān)測中國大陸地殼運動、重力場形態(tài)及變化、大氣圈對流層水汽含量變化及電離層離子濃度的變化，以及現(xiàn)代大地測量基準系統(tǒng)的建立和維持(如圖1所示)。本文使用GAMIT軟件對其中的250個站點的5年數(shù)據(jù)進行解算和平差，在處理過程中分為兩2個方案：其一，使用大氣負荷和海潮負荷文件；其二，不使用大氣負荷和海潮負荷文件。

圖1　部分陸態(tài)網(wǎng)絡站點圖

圖1中是部分陸態(tài)網(wǎng)路測站點圖，從陸態(tài)網(wǎng)絡可以看出西北、西部地區(qū)布設的點相對來說比較稀疏，華北地區(qū)和川滇地區(qū)布設較為稠密，這種布局能夠更好地為監(jiān)測中國陸態(tài)提供幫助。

圖2繪出了通過GAMIT解算出的測站點的GPS坐標時序圖。用N、E、U3個方向來表示南北、東西和高程方向。從時序圖中可以看出站點的水平方向的走向和高程方向的沉降，為研究板塊運動和地震發(fā)生和預測起到關鍵作用。

圖2　GPS時間序列

2.1基線分析

針對選取的全國部分站點組成的陸態(tài)網(wǎng)絡，從4個方面分析對比海潮負荷和大氣負荷對基線的影響(如圖3所示)。

圖3　全年基線圖(采樣間隔為10 d)

圖3中所使用的數(shù)據(jù)來自2012年全年的陸態(tài)網(wǎng)觀測數(shù)據(jù):橫軸代表觀測天數(shù)，縱軸代表基線長的小數(shù)部分，單位為m；縱軸代表有無潮汐負荷和大氣負荷下的基線長；各小圖右上角的數(shù)值為基線長的整數(shù)部分；H-BL和D-BL為有潮負荷改正和無潮負荷改正；右上角分別為基線兩端點和基線長整數(shù)部分。

圖3(a)為靠近海的基線，海潮負荷和大氣負荷的綜合影響比較大，短基線影響均值在0.94 mm，長基線影響均值在2.23 mm。網(wǎng)中的長基線分為南北方向和東西方向進行分析:圖3(b)是南北方向，基線長在1 800 km左右的產(chǎn)生的影響平均值在2.9 mm，最大值為4.6 mm；圖3(c)為東西方向，選取基線長在3 000 km左右，則產(chǎn)生的影響均值為3.8 mm，最大值影響為5.9 mm。圖3(d)是選取的網(wǎng)中短基線，基線長度200 km左右，海潮負荷和大氣負荷對短基線的影響平均在0.46 mm，最大值影響為0.59 mm，靠近海邊的短基線比內陸稍微偏大。

從圖3綜合分析可得：在1年中海潮負荷和大氣負荷的綜合影響最強的時間是在每年的6、7、8月份，原因可能是這段時間中國上空的大氣壓出現(xiàn)了明顯的不同；基線差值出現(xiàn)了正負，可能是海潮負荷和大氣負荷產(chǎn)生力矩的方向不同；東西方向基線比南北方向基線更容易受到2種負荷的影響，原因可能是大致平行于經(jīng)線方向的基線兩端測站受到海潮負荷影響基本相同，在GAMIT解算中被雙差掉的更多。

2.2測站坐標分析

分別從測站的X、Y方向和大地高對選取的250個測站點做統(tǒng)計，并分析海潮負荷和大氣負荷對測站的綜合影響。如表1所示。

表1　部分站點坐標影響差值　mm

研究海潮負荷的學者提出了海潮負荷對地表水平位移的影響達幾個mm到十幾個mm[7，10]，而對地表垂直位移的影響大約是水平方向的3～10倍。大氣負荷對測站高程方向影響有時會達到十幾個cm。本論文分析了2者的綜合影響，2種負荷對測站的東西方向的影響要稍大于南北方向，東西方向的影響值最大為3.65 mm；相對于水平方向，高程方向受到的影響程度大約是其2倍，最大為6.4 mm。

3結束語

本文結合以前學者的研究成果闡述了海潮負荷和大氣負荷分別對基線和測站點坐標的綜合影響；使用GAMIT分2種方案解算250個陸態(tài)網(wǎng)測站點的數(shù)據(jù)，研究了海潮負荷和大氣負荷對基線的影響，結果表明：

1)潮負荷和大氣負荷對短基線影響可以忽略。

2)對長基線而言，東西方向的基線比南北方向的基線更容易受到兩種負荷的影響；對于靠海基線受到的負荷影響會較大。

3)這些變化在每年的夏、秋兩季表現(xiàn)更突出，顯示出明顯的季節(jié)性變化。

4)分析了對測站坐標的影響，發(fā)現(xiàn)負荷造成的垂直位移影響大約是水平位移的2倍。

5)通過GPS時間序列分析得出站點高程方向上下波動具有明顯的周期性，且縱觀整個陸態(tài)網(wǎng)，GPS站點水平方向運動方向不一致，這是否和地震、火山產(chǎn)生有密切的聯(lián)系，有待進一步研究分析。

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Comprehensive effect of ocean tide loading and atmospheric loading on Chinese territory station

YUE Caiya1，2，DANG Yamin2，YANG Qiang2，HAN Xueli1，2，LI Chao1，2

(1.Shandong University of Science and Technology，Shandong,Qingdao 266590，China；2.Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing 100830，China)

Abstract：When solving the baseline and doing adjustment for high precision and large range GPS control network ，tides and atmospheric loads on the ground measuring stations can cause the greatest impact which reach to centimeter grade.This paper described the influence of two kinds of loads and the general model of the loads，and the combination of two kinds of loads on the network and the station.The results showed that the baseline in the east and south direction were more likely to be influenced by two kinds of loads than the east and the west，and the effect of the long and short baseline showed the seasonal.Providing a reference for monitoring the crustal movement，gravity field，and the establishment and maintenance of the modern geodetic datum system in China.

Keywords：ocean tide loading；atmospheric loading；land state network；comprehensive effect

收稿日期：2015-11-10

基金項目：國家自然科學基金項目(41474011)；國家青年科學基金項目(41404034)；國家公益性行業(yè)專項(B1503)；國家基礎測繪科技項目(2016KJ0205)；中國測繪科學研究院科研業(yè)務費支持項目(7771502)。

第一作者簡介：岳彩亞(1990—)，男，河南濮陽人，碩士，研究方向為GNSS數(shù)據(jù)處理與分析。

通信作者簡介：韓雪麗(1991—)，女，山東濱州人，碩士，研究方向為衛(wèi)星導航與定位技術。

中圖分類號：P228

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4999(2016)02-0006-04

引文格式：岳彩亞，黨亞民，楊強，等.海潮負荷和大氣負荷對陸態(tài)網(wǎng)絡的綜合影響[J].導航定位學報，2016，4(2)：6-9.(YUE Caiya，DANG Yamin，YANG Qiang，et al.Comprehensive effect of ocean tide loading and atmospheric loading on Chinese territory station [J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：6-9.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160202.