華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站穩(wěn)定性分析

余新平,成英燕

(1.山東科技大學 測繪學院,青島 266000;2.中國測繪科學研究院,北京 100000)

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華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站穩(wěn)定性分析

余新平1,2,成英燕2

(1.山東科技大學 測繪學院,青島 266000;2.中國測繪科學研究院,北京 100000)

分析陸態(tài)網(wǎng)測站穩(wěn)定性,對維持其高精度三維基準具有重要意義。本文通過華北地區(qū)六個分布較為均勻的陸態(tài)網(wǎng)測站進行數(shù)據(jù)處理,對華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站整體穩(wěn)定性和單個測站穩(wěn)定性進行分析,得到陸態(tài)網(wǎng)測站不僅整體穩(wěn)定性良好,單個測站也有較好的穩(wěn)定性。

陸態(tài)網(wǎng);數(shù)據(jù)處理;穩(wěn)定性分析

0 引 言

隨著全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) (GNSS)、計算機 、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)絡等技術的不斷發(fā)展, 利用多基站網(wǎng)絡RTK技術建立的CORS已成為 GNSS應用的發(fā)展熱點之一[1].由于其長期觀測數(shù)據(jù)的特點,利用高精度基線解算軟件GAMIT,可以對參考站進行周期性地更新。

本文所要分析的中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(簡稱陸態(tài)網(wǎng))正是基于CORS技術。陸態(tài)網(wǎng)是一個綜合性、多用途的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡,它的建立為我國地震監(jiān)測和地殼運動研究提供了良好的前景,隨著時間的推移,越來越顯示其卓越的功能。通過對其站點的坐標變化進行定量分析研究,從而監(jiān)測陸態(tài)網(wǎng)的穩(wěn)定性, 這對維持該地區(qū)高精度三維基準具有重要意義。

1 測站穩(wěn)定性分析

1.1 基線解算

本文選取了分布較為均勻的六個華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站作為研究對象,并對其進行穩(wěn)定性分析。六個華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站分別是SDQD(青島)、SDJX(嘉祥)、JIXN(薊縣)、 HEZJ(張家口)、SXTY(長治)、SNAK(安康),其分步如圖1所示。由于測站單日解精度不是很高,本次分析選取2011、

2012、2013年中年積日為001-007的各七天數(shù)據(jù)進行解算并取均值作為分析基礎,選取BJFS、SHAO、DAEJ、KIT3、POL2等13個中國及其附近的 IGS 跟蹤站進行約束,設置截止高度角為100,采樣間隔為30 s.

圖1 陸態(tài)網(wǎng)測站及周邊IGS站點分布

在數(shù)據(jù)處理前,采用數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測軟件TEQC[2-3],對各陸態(tài)網(wǎng)測站GPS數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析,由獲取的觀測時段內(nèi)的多路徑影響、接收機周跳等信息,可以得到各陸態(tài)網(wǎng)測站數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠,周邊的觀測環(huán)境良好,在以上三個時段均未發(fā)生大的變化。

各測站的的數(shù)據(jù)處理采用GAMIT Ver 10.5進行基線解算,對于基線解算獲得的單日松弛解,設置初始坐標及約束。將13個IGS跟蹤站作為已知點,站坐標采用 SOPAC提供的ITRF2008框架、瞬時歷元坐標,并分別設置適當?shù)目刂萍s束,再利用GLOBK對其進行聯(lián)合平差,最終得到各陸態(tài)網(wǎng)測站包含坐標、速度等參數(shù)估值的松弛聯(lián)合解。

1.2 空間位置變化分析

由于華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站均建立在基巖之上,并且它們主要是用于監(jiān)測地質(zhì)變化和地震的,通過對它們的周期性監(jiān)測,可得他們均穩(wěn)定可靠。因此,本次穩(wěn)定性分析選定距離該地區(qū)較近的BJFS站作為監(jiān)測站,通過對各陸態(tài)網(wǎng)測站空間位置變化來分析的其穩(wěn)定性[4]。

在約束平差結果文件中提取各測站的2011～2013年前七天數(shù)據(jù)的聯(lián)合平差的坐標、速度數(shù)據(jù),并取其均值作為各測站坐標和基線的值,再以2011-2013三年的均值作為已知值。通過與各測站已知值的差值進行比較,分析陸態(tài)網(wǎng)測站的穩(wěn)定性。

從圖2～圖4可知,2011-2013年各陸態(tài)網(wǎng)測站X坐標相對于Y、Z坐標變形較大,X坐標平均變形達到33 mm,而Y、Z坐標平均變形約為15 mm、10 mm;2011-2012年和2012-2013年,X坐標變化量都在33 mm左右,變化量趨于平穩(wěn),其中JIXN變化量最大(達38.72 mm);Y坐標平均變化量由12 mm減少到7 mm,其中JIXN、SDQD變化量較大,分別達到11.51 mm、12.25 mm;Z坐標平均變化量由10 mm減少到7 mm左右,其中SDJX、SDQD變化值依然較大(分別達到11.23 mm、10.99 mm)。

總體看,這六個華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站三個方向坐標都呈減少趨勢,X方向坐標變化較為平穩(wěn),Y和Z方向的變化量越來越小。因此,它們可能存在整體像某個方向運動的趨勢。

圖2 X坐標變化量

圖3 Y坐標變化量

圖4 Z坐標變化量

1.3 與 IGS站點的相對位置變化分析

由于篇幅原因,本文只以BJFS為例,對基線變化量進行分析。以2011-2013年華北地區(qū)六個陸態(tài)網(wǎng)測站到BJFS站基線平均值作為已知值,各站基線相對差值及變化情況如表1所示。

表1 與BJFS站基線變化量

由表1可以看出,各陸態(tài)網(wǎng)測站與BJFS間的基線變化最大值為3.2 mm,年平均變化量小于2 mm,除了BJFS-SDJX以外,其他基線邊均呈現(xiàn)增大趨勢。由于嘉祥地區(qū)礦場資源豐富,礦產(chǎn)開發(fā)活動以及地下水變化很可能是造成此種現(xiàn)象的主因。該地區(qū)地質(zhì)構造活動、電離層變化、接收機設備的穩(wěn)定性等因素也可能影響這種趨勢。這表明整體的陸態(tài)網(wǎng)測站與IGS站點的年坐標變化量存在差異,從而導致其基線邊的增大。

2 ITRF框架下位移速率分析

2.1 陸態(tài)網(wǎng)測站位移速率分析

由上述對陸態(tài)網(wǎng)測站X、Y、Z坐標變化的分析,得出這六個測站存在整體向某個方向運動的趨勢。現(xiàn)在,通過分析這些站點的當?shù)刈鴺宋灰扑俾?分析其具體的變化趨勢。

從表2可知,華北地區(qū)六個陸態(tài)網(wǎng)測站N方向的坐標位移速率總體在減小;E方向雖然總體位移速率在減小,但除了SNAK站點2013年的數(shù)據(jù)小于0,其他均大于0;U方向位移速率變化平穩(wěn)。

表2 陸態(tài)網(wǎng)測站N、E、U方向年位移速率

綜上所述,這六個陸態(tài)網(wǎng)測站總體呈現(xiàn)向東南方向移動的趨勢,說明了陸態(tài)網(wǎng)整體穩(wěn)定性較好,與上述對其X、Y坐標變化量的分析相同。同時與王琪等[5]利用 IGS站定義的運動基準計算出的華北地區(qū)整體向東南方向的運動趨勢的結果一致。

2.2 與IGS站點位移速率的比較

與此同時,也可通過分析這些站點的2011-2013年的平均位移速率,并且與ITRF提供的2011-2013年IGS站點的的平均位移速率進行比較,來反映它們的穩(wěn)定性[6]。

如表3、表4所示,IGS站點X、Y、Z方向的平均位移速率都要比陸態(tài)網(wǎng)測站小很多。IGS測站平均位移速率除了X方向的平均值為2.5 cm外,Y、Z方向的平均值均小于5 mm;而陸態(tài)網(wǎng)測站平均位移速率三個方向的平均值都在2.3 cm之上,X方向的平均值甚至達到了7.9 cm.

表3 2011-2013年陸態(tài)網(wǎng)測站三年的平均位移速率

表4 2011-2013年IGS站點三年的平均位移速率

圖5為陸態(tài)網(wǎng)與IGS站點速度場圖,從圖中也能看出,陸態(tài)網(wǎng)測站的年平均位移速率總體要比ITRF提供的IGS站的平均位移速率大很多。其中JIXN站有向東北方向的運動趨勢,這可能由于站點區(qū)域地質(zhì)構造活動等因素引起的。由于中國及周邊IGS站點存在整體向東南方向運動的趨勢[6],與華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)整體運動趨勢一致,結合上述對其平均位移速率的分析,得出的結果可以正好解釋BJFS站點與各陸態(tài)網(wǎng)測站基線變化的情況。

圖5 陸態(tài)網(wǎng)與IGS站點速度場(深色五角星表示陸態(tài)網(wǎng)站點,淺色五角星表示IGS站點)

3 置信誤差橢圓法

鑒于上述對華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站坐標變化和位移速率的定量分析,可以看出各測站具有整體穩(wěn)定性。下面通過采用置信誤差橢圓法,對各站點的穩(wěn)定性分別進行判斷分析。

λ=3置信誤差橢圓與點位誤差橢球類似,只是它們之間存在一個比例常數(shù)關系。置信誤差橢圓的重要意義在于把誤差的大小與其出現(xiàn)在橢圓內(nèi)的概率密切聯(lián)系起來。通常情況下,以點位中誤差的3倍作為評判點位精度的標準。從誤差橢圓的置信度來看,當時,點落入誤差橢圓的置信度為98.89%,一般情況下,絕大多數(shù)點都會落入這個橢圓內(nèi)。因此,利用置信誤差橢圓法可對華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站的穩(wěn)定性進行分析。

置信誤差橢圓元素的計算公式為

λ=3通過對華北地區(qū)六個陸態(tài)網(wǎng)測站的水平方向坐標誤差進行計算分析,發(fā)現(xiàn)這六個陸態(tài)網(wǎng)測站點位誤差均落在的置信誤差橢圓內(nèi)。這表明華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站不僅整體穩(wěn)定性良好,單個測站的穩(wěn)定性也較好。

4 結束語

陸態(tài)網(wǎng)作為我國地震分析和預報的重要基礎設施,其穩(wěn)定性的重要性不言而喻[5]。本文通過對華北地區(qū)六個分布較為均勻的陸態(tài)網(wǎng)測站2011-2013年的數(shù)據(jù)作為研究對象,通過對其研究分析得出:

1) 在 ITRF2008框架下,華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站存在向東南方向的整體運動, 其整體運動與ITRF提供的BJFS等中國及其周邊的IGS站在運動方向上基本一致,這表明華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)測站整體穩(wěn)定性良好。

2) 由置信誤差橢圓法對華北地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)單個測站進行分析,得出陸態(tài)網(wǎng)單個測站也具有較好的穩(wěn)定性。

致謝:感謝麻省理工學院提供GAMIT/GLOBK軟件。

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The Stability Analysis of the CMONOC Station in North China

YU Xinping1,2, CHENG Yingyan2

(1.CollegeofSurveyingandMapping,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266000,China;2.ChineseAcademyofSurveyingandMapping,Beijing100000,China)

It is significant to analyze the stability of the CMONOC station, which has important significance for maintaining the high precision 3D datum. This paper handles six CMONOC station with more uniform in North China area,and analysis the overall stability of the station and the stability of single station.It is obtained that the overall stability of the CMONOC station is not only good, but also the stability of a single station.

CMONOC; data processing; stability analysis

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.017

2016-06-29

國家自然科學基金項目(批準號：41374014，41404034)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0084-05

余新平 (1992-),男,碩士生,主要從事GPS數(shù)據(jù)處理與時間序列分析研究。

成英燕 (1965-),女,研究員,主要從事參考框架維持與更新研究。

聯(lián)系人： 余新平 E-mail:862250281@qq.com