遼寧省GNSS連續(xù)觀測站建設(shè)與數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

孔祥瑞，羅 勇

（1. 遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2. 四川省地震局，四川 成都 610044）

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS）是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候三維坐標、速度及時間信息的空基對地的無線電導航定位系統(tǒng)。隨著空間對地觀測技術(shù)的快速發(fā)展，GNSS數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地殼形變，大地測量等領(lǐng)域，并且在地震預測及孕震分析等地震相關(guān)領(lǐng)域起到了至關(guān)重要的作用[1]。目前，為了更精確的獲得遼寧地區(qū)現(xiàn)今地殼形變信息，結(jié)合中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”）在遼寧省境內(nèi)現(xiàn)有5 個連續(xù)GNSS 觀測站的分布情況，遼寧省地震局實施了“遼寧省前兆臺網(wǎng)新增觀測手段建設(shè)項目”，在現(xiàn)有5 個GNSS 連續(xù)觀測站基礎(chǔ)上，新建5 個連續(xù)GNSS觀測站，進而補填監(jiān)測空白區(qū)域，使觀測站點更好的覆蓋遼寧地區(qū)，實現(xiàn)對遼寧地區(qū)重大地震構(gòu)造帶郯廬斷裂帶和遼寧地區(qū)主要發(fā)震斷裂活動區(qū)域的監(jiān)測，進而達到遼寧地區(qū)地震預報長、中、短臨預測對形變觀測數(shù)據(jù)的需求。

通過簡要介紹本次建設(shè)的5 個遼寧省GNSS連續(xù)觀測站土建工程中不同觀測墩施工方式，以及處理分析運行一年積累的觀測數(shù)據(jù)，進而評價了基準站的周圍環(huán)境和儀器自身的穩(wěn)定性，為GNSS 連續(xù)觀測站的建設(shè)、維護及升級改造提供了參考。

1 遼寧GNSS連續(xù)觀測站基本概況

目前，陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)在遼寧地區(qū)共建設(shè)5 個連續(xù)運行的GNSS 基準站，分別是遼寧沈陽（LNSY）、 遼寧營口（LNYK）、 遼寧丹東（LNDD）、遼寧金州（LNJZ） 和遼寧葫蘆島（LNHL），雖然基本滿足遼寧地區(qū)GPS地殼運動監(jiān)測的需求，但對遼寧地區(qū)內(nèi)主要斷裂的活動性監(jiān)測依然存在不足。為了更好地監(jiān)測遼寧省內(nèi)主要斷裂活動，如郯廬斷裂帶、金州斷裂帶，遼寧省地震局新建撫順、建昌、鞍山、岫巖、桓仁5個GNSS連續(xù)觀測站（圖1）。

本次新增5 個GNSS 連續(xù)觀測站均為TrimbleNetR9 接收機，Trimble GNSS-TI 扼流圈天線，能夠接收GPS、GLONASS、北斗和伽利略等多個定位導航系統(tǒng)，點位選擇和施工建設(shè)嚴格按照《全球定位系統(tǒng)（GPS） 測量規(guī)范》（GB/T18314—2009）和《地殼運動監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》要求，最大程度減小多路徑和周跳等因素造成的誤差，為GNSS 觀測數(shù)據(jù)資料的后續(xù)使用和分析應(yīng)用提供質(zhì)量保障[2-3]。

2 GNSS基準站的土建工程

GNSS連續(xù)觀測站的土建工程主要包括觀測墩、觀測室以及防雷工程三部分，本文將介紹觀測墩施工建設(shè)中所采取的施工辦法和技術(shù)。本次建設(shè)的5 個站點觀測墩包含基巖觀測墩和土層觀測墩，根據(jù)本項目要求，對于基巖深度不超過10 m的地區(qū)做基巖點設(shè)計，超過10 m地區(qū)做土層點設(shè)計，基巖觀測墩和土層觀測墩在技術(shù)要求上略有不同，且施工方案也存在一定差異。

2.1 觀測墩基坑處理

2.1.1 基巖點觀測墩

基巖觀測墩需要鋼筋混凝土與基巖完整固定一起。由于漏出基巖或埋藏基巖表面存在風化現(xiàn)象，開挖到基巖后需首先將基巖表面風化層清除。同時為了保證基巖的完整性以及鋼筋混凝土與基巖固定緊密接觸，開挖方式選取人工挖掘。開挖時需采取安全措施，開挖邊界使用混凝土井圈進行護壁以防止土方滑坡，當井圈下沉后可繼續(xù)安裝直至達到基巖深度為止。對基巖風化層清理后再向下開鑿0.5 m，并對開鑿后的基巖表面打0.4 m的鉆孔，以讓鋼筋籠下部插入基巖中，使之與基巖固定。

2.1.2 土層點觀測墩

土層點觀測根據(jù)技術(shù)規(guī)范和本次項目設(shè)計要求與基巖點觀測墩施工總體一致，但存在細節(jié)差別，如基巖點設(shè)計觀測墩地下部分需與基巖緊密接觸，而土層點澆筑深度根據(jù)設(shè)計規(guī)范以及技術(shù)章程要求，應(yīng)不少于10 m。由于部分點位水層較淺，以本次施工點南山城站點為例，該站含水層深度為7.5 m，為保障施工安全，停止人工挖掘，更換鉆孔機械設(shè)備繼續(xù)施工。為保證觀測站點穩(wěn)定性，鉆孔穿過水層后繼續(xù)增加地下深度，直至達到基巖，深度共計14 m。水下混凝土澆筑方法選擇導管法澆注，將混凝土攪拌物送至底端，并使導管底部埋置混凝土內(nèi)部，該操作為本次施工重要部分，也是確保混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。

2.2 觀測墩墩體澆鑄

GNSS觀測墩分為地上、地下兩部分，采取一體建筑方式一次性澆筑完成，其施工質(zhì)量取決于本次澆筑的混凝土強度、觀測墩表面光滑度以及觀測墩墩體垂直與平整度。本次混凝土澆筑首先將鋼筋籠主鋼筋插入基巖鉆孔并進行澆筑固定，以保證混凝土建筑與基巖充分接觸，然后至下而上澆筑，澆筑同時用振動棒震蕩，土層點地下部分一般埋藏較深，需保證混凝土達到充分震動，以減少氣泡產(chǎn)生。地面部分首先固定鋼筋籠和模具位置，利用鉛錘、水平尺等工具保證其垂直度、平整度以及鋼筋籠是否位于模具中心位置。澆筑時利用振動棒震動同時輕敲模具外壁，以達到減少汽泡產(chǎn)生、確保觀測墩表明光滑度的目的。

當澆筑完成后，需將天線預埋件、水準點進行安置。預埋件須嚴格居中、整平，利用圓水準器對預埋件進行整平后，每2 小時進行一次校準居中，直至預埋件與混凝土固定牢固。至此觀測墩施工基本全部完成。

防雷改造工程施工應(yīng)選擇土壤條件較好的空地，開挖寬度0.5 m、深度0.8 m 的溝槽，把2.5 m 長、直徑50 mm 的鍍鋅鋼管垂直打入地下，作為地網(wǎng)的垂直接地體；鋼管之間使用石墨材料防雷模塊以達到降低電阻目的；用40×4 mm 的鍍鋅扁鋼沿溝槽把垂直接地體的鍍鋅鋼管和防雷模塊焊接，焊接處要做防腐處理。由于觀測室及防雷改造對數(shù)據(jù)自身影響不大，本文不做過多介紹。

3 GNSS基準站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

3.1 觀測墩墩體穩(wěn)定性分析

為了驗證觀測墩及儀器數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，選用儀器運行一年后的數(shù)據(jù)（2020 年）進行處理，同時加入遼寧地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)（沈陽、金州、營口、丹東），統(tǒng)一利用GAMIT/GLOBK 軟件進行解算，處理軌道策略選用固定軌道參數(shù)解算，獲取單日解，進而獲取各個連續(xù)站點的時間序列曲線（圖2），通過與陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)時間序列曲線對比，分析新建GNSS觀測站自身穩(wěn)定性。

圖2 遼寧地區(qū)GNSS觀測站原始坐標時間序列Fig.2 Data series of GNSS station in Liaoning area

通過2020 年全年數(shù)據(jù)對比可以得出：在統(tǒng)一框架下，不同站點的北向、南向、垂直運動基本一致。其中撫順南山城站（LNSC）由于施工而導致數(shù)據(jù)傳輸故障缺數(shù)，本溪桓仁站（LNHR）3 分量在2020 年7 月之后存在小幅加速的現(xiàn)象，初步分析認為是夏季降雨水庫水位上升造成的應(yīng)力變化所致。

總體來看，本次施工建設(shè)的土層點與基巖點觀測墩墩體在穩(wěn)定性上均滿足GNSS 連續(xù)站的觀測要求，本溪桓仁站由于雨季水庫蓄水影響，存在一定干擾因素。

3.2 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核

本文主要使用TEQC 軟件質(zhì)量檢核功能，TEQC（Translation，Editing and Quality Checking）是對GNSS 觀測數(shù)據(jù)進行預處理軟件[4]，由UNAVCO Facility（美國衛(wèi)星導航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學聯(lián)合體）研制的為地學研究GPS監(jiān)測站數(shù)據(jù)管理服務(wù)的公開免費軟件，主要功能有格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢核。目前該軟件在處理分析數(shù)據(jù)質(zhì)量方面得到了廣泛的應(yīng)用[5-7]，其檢查結(jié)果信息儲存在.S 報告文件中，其中主要結(jié)果參數(shù)為L1，L2載波所對應(yīng)的的多路徑效應(yīng)Mp1和Mp2，以及觀測值與周跳比o/slps。o/slps 越小說明周跳影響越大。為更直觀體現(xiàn)周跳對數(shù)據(jù)的影響，本文通過每千歷元的周跳數(shù)CSR來表示周跳影響：

多路徑效應(yīng)指標Mp1，Mp2通過下式得到：

式中P1、P2為L1、L2載波上觀測獲得的偽距觀測值；?1、?2為L1、L2載波相位觀測值；α為L1、L2波段的頻率f1、f2的平方比，即α =(f1/f2)2。Mp1、Mp2所反映的主要信息是偽距的多路徑效應(yīng)變化，例如GNSS 接收天線周邊存在如樹木，建筑對衛(wèi)星信號產(chǎn)生遮擋，超高壓線路產(chǎn)生的磁場變化、電離層變化，衛(wèi)星信號反射產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)，還有接收機自身性能等等因素均會產(chǎn)生低信噪比的信號導致周跳產(chǎn)生[8]。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核結(jié)果

本文利用TEQC 在qc-full 模式，對遼寧新建5個GNSS 連續(xù)觀測站累積的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，數(shù)據(jù)選取2020 年全年各個站每個月數(shù)據(jù)均值進行統(tǒng)計（表1）。其中撫順南山城觀測站點由于儀器維護，導致6—8 月數(shù)據(jù)缺失未進行統(tǒng)計。

表1 遼寧地區(qū)GNSS連續(xù)觀測站CSR、Mp1、Mp2月均值統(tǒng)計表（2020年）

從表1可見，各個連續(xù)觀測站的CSR、Mp1、Mp2變化都比較平穩(wěn)，其中多路徑效應(yīng)指標Mp1、Mp2值均小于0.5，符合地殼運動監(jiān)測技術(shù)規(guī)程中要求的0.5的指標，這也說明偽距的多路徑效應(yīng)變化對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響不大，因而周跳數(shù)值也很低。從CSR 時間序列圖來看（圖3），CSR值在0~4范圍波動，結(jié)果表明數(shù)據(jù)質(zhì)量良好[9]。

圖3 遼寧地區(qū)GNSS連續(xù)站CSR值Fig.3 CSR values of GNSS continuous stations in Liaoning

從CSR 與時間關(guān)系來看，岫巖臺CSR 值在6—10 月份存在先上升后下降的一個過程，7、8 月份達到最高值，這一現(xiàn)象與觀測站點的觀測環(huán)境相關(guān)。該觀測點南向存在樹林遮擋影響，樹林位于觀測站南向20米處，高約12米，相對天線位置高度角約為25°，盡管對樹木進行了修剪，但對其仍有部分影響。尤其夏季樹木相對茂密，導致多路徑增強，進而CSR值升高。

鞍山臺與岫巖臺環(huán)境類似，存在樹木影響，樹木相對不高，約為3 m，而GNSS 觀測墩高4 m。由于夏季樹木枝葉相對茂盛，且雨后容易產(chǎn)生水汽干擾，會對數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，從圖3 中也可以看出鞍山5—8 月份CSR 均值明顯高于其他月份。由于篇幅限制，本文選取鞍山臺2020年1月28日和2020年7月28日天空圖中的多路徑影響進行對比，分析發(fā)現(xiàn)7 月28 日總體誤差略高于1 月28 日，4 h~16 h 較為明顯，且高度角越小干擾越大（圖4）。結(jié)合7 月27 日鞍山地區(qū)存在降雨，綜合分析認為密集的樹木會對數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，其主要影響因素是受水汽干擾影響導致的多路徑效應(yīng)，但影響有限，觀測數(shù)據(jù)符合技術(shù)要求。

圖4 2020年1月28日和2020年7月28日天空圖對比Fig.4 Comparison of sky map between January 28，2020 and July 28，2020

從圖5 中可以看出：各個觀測站Mp1值、Mp2值平均值均未超過0.5。根據(jù)觀測場地環(huán)境分析，岫巖站200 m 處存在高壓線路傳輸干擾，但其數(shù)據(jù)質(zhì)量相對其他站點并未出現(xiàn)明顯差別，因此有理由認為與高壓線路保持足夠的距離可以降低其干擾，盡管輸電線與塔體結(jié)構(gòu)均為金屬材質(zhì)，但相比其他面狀結(jié)構(gòu)，其組成的反射面很小，并且高壓線路產(chǎn)生的影響隨距離衰減俞發(fā)明顯[10]，相比下，站點旁的2 層辦公樓對其產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)和衛(wèi)星高度角影響要大于電高壓線路的影響[11-12]，桓仁、建昌站與岫巖環(huán)境一致，距離天線10 米處存在2 層辦公樓等建筑，而南山城辦公樓距離接收機150 m，周邊無建筑遮擋，遮擋高度角不超過10°，相比之下其Mp1、Mp2值也優(yōu)于其他觀測站。

圖5 遼寧地區(qū)GPS連續(xù)站Mp1，Mp2值Fig.5 Mp1 and Mp2 values of GPS continuous stations inLiaoning area

4 結(jié)論

（1）從2020 年觀測數(shù)據(jù)時間序列曲線來看，本次設(shè)計10 m 深的土層點與基巖點在時間序列變化速率上一致，且與陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)站點對比分析，其曲線形態(tài)基本相同，可以得出本次建設(shè)的連續(xù)觀測站均滿足觀測需求，但本溪桓仁站點由于水庫影響，導致其受季節(jié)性干擾明顯。在以后選點堪選中需注意。

（2）本文利用TEQC 軟件對GNSS 區(qū)域站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測，通過對遼寧地區(qū)2019 年建設(shè)的5 個GNSS 站2020 年數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合各個站點的環(huán)境影響，對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和軟件結(jié)果聯(lián)合分析，進而驗證進該方法的適用性。從結(jié)果可以看出：觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量是否合格與觀測站周圍環(huán)境密切相關(guān)，因此建設(shè)GNSS 區(qū)域站選址方面，應(yīng)重點考慮環(huán)境因素。

（3）不同干擾因素對數(shù)據(jù)質(zhì)量影響也各不相同，在符合技術(shù)規(guī)范要求下，高壓線路和鐵塔產(chǎn)生對數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響很小，而周邊建筑對數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生的影響依然可見，具體體現(xiàn)為多路徑效應(yīng)。而樹木對觀測數(shù)據(jù)的影響不僅體現(xiàn)在衛(wèi)星信號遮擋上，低于接收機高度的樹木產(chǎn)生的水汽對數(shù)據(jù)質(zhì)量也會有一定影響，其影響程度隨季節(jié)變化而不同，夏季雨后尤為突出。

（4）通過對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，結(jié)果表明各站點數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。個別觀測站指標相對較高的原因與這幾個基準站周圍的樹木產(chǎn)生的水汽和房屋遮擋有關(guān)，可作為后續(xù)對基準站周圍環(huán)境進行管理維護的依據(jù)。

致謝：文中陸態(tài)網(wǎng)GNSS 數(shù)據(jù)由中國地震局臺網(wǎng)中心及一測中心提供，在此表示感謝！