星站差分GPS系统在地震监测中的应用

王 雷，朱志春，张 毅，顾春雷，徐如刚，袁洁浩

星站差分GPS系统在地震监测中的应用

王 雷1，朱志春1，张 毅1，顾春雷1，徐如刚1，袁洁浩2

（1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2.中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

为考察SF-2050星站差分GPS在实际使用中的定位精度、收敛时间与定位重复性等性能指标，对其进行了定位功能测试，详述了测试过程与测试结果的得出，证明该系统具有定位精度高、定位重复性好等优点，辅以一定的使用技巧，可进一步提高其工作效能，能够满足地震监测行业中测点定位的要求。

地震监测；SF-2050星站差分GPS；定位精度

引言

地震监测工作是地震预测与研究的基础环节，监测资料的连续、完整、准确和可靠是进行资料分析的重要保证。对于保证监测资料的质量，监测点点位的准确性极为重要，特别对于野外流动监测手段，测点多，分布广，测点标志保管工作不易展开，一旦测点标志丢失，如无准确可靠的定位手段，则无法找到原测点位置，会极大影响监测资料的可靠性和可追溯性[1]。

SF-2050星站差分GPS系统基于RTG技术，在接收普通GPS卫星信号的同时接收地球同步卫星发出的差分改正信号，能够在南北纬76°之间的所有范围提供稳定的分米级定位精度，具有定位精度高，覆盖面广，不受地面基站及地形情况限制等优点[2]。将SF-2050星站差分GPS系统应用于地震监测领域，可以在无固定标志的情况下，实现测点的精确定位。

1 星站差分GPS定位功能测试

1.1 定位精度测试

SF-2050星站差分GPS是由美国Navcom公司生产的一款高性能的星站差分GPS接收机，它利用StarFireTM网络和NavCom全球差分GPS系统，能够在南北纬76°之间的所有范围提供稳定的分米级定位精度。在实际使用中，通过实地采集或导入现有资料等方法获得测点精确坐标，在复测时对该坐标进行放样，从而完成精确定位。但SF-2050星站差分GPS需要经过一定的初始化时间，才能使定位精度逐步收敛到理想范围内[3]。为考察SF-2050星站差分GPS的定位精度、初始化时间长度等技术指标，对其进行了试验测试。

测试选择在合肥市郊的地磁三分量测点上进行，该处天空开阔，无电磁干扰，测点埋设有标志测桩，具备可重复性。首次测试在2008年3月8日进行，将SF-2050星站差分GPS的接收天线置于标志测桩特定位置，开机5 min后开始同步接受双频信号即GPS卫星信号和差分改正信号，开机15 min双频信号稳定后开始数据采集。采样间隔为5 s，采集时段为15∶00～16∶00，有效采样数据800个。

根据采样数据绘制投影分布图以及偏移距离时序分布图，以采样坐标与测点精确坐标的相对距离作为定位精度评定标准，分析定位精度及收敛过程。根据测试结果，认为15∶20以后定位精度已充分收敛，以收敛后采样坐标的算术平均值作为测点精确坐标的最或是值，定义为绘图的坐标原点，如图1所示。

图1 首次定位精度试验结果Fig.1 The result of the first test of locating precision A）The projection distribution of sampling in former 20 minutes B）The projection distribution of sampling in latter 45 minutes C）The temporal distribution of sampling of migration distance

图1中A和B分别表示的是本次观测中前20 min及后45 min采样数据在坐标系内的投影分布情况，最外圈尺度为0.2 m。图C表示整个试验过程中采样数据与坐标原点偏移距离的时序分布。综合分析，数据采集过程中有较为明显的精度收敛现象，数据投影位置由外围逐渐向中心漂移，与坐标原点距离逐步缩小，最终稳定在5 cm左右。

3月14日进行第二次定位精度测试，天线固定位置与第一次测试相同，开机5 min后开始接收双频信号，即开始数据采集，采样间隔以5 s，采集时段为09∶25～10∶00，有效采样数据379个。

沿用第一次测试中测点坐标的最或是值为坐标原点，绘制采样投影分布以及偏移距离时序分布，如图2所示。

图2 第二次定位精度试验结果Fig.2 The result of the second test of position precision A）The projection distribution of sampling in former 10 minutes B）The projection distribution of sampling in latter 20 minutes C）The temporal distribution of sampling of migration distance

图2中A与B分别为3月14日测试中前10 min和后20 min采样数据在坐标系内的投影分布情况，图2-A的外圈尺度是1 m，图2-B外圈尺度为0.2 m。与上次试验相比，本次测试中数据离散度较大，数据漂移现象更加明显，投影位置与坐标原点距离最初由0.5 m偏离至1.2 m，而后呈现稳定的收敛过程，最终稳定在0.1 m。

1.2 定位精度测试分析

以首次测试中测点坐标的最或是值作为测点精确坐标，以采样坐标与测点精确坐标的相对距离作为定位精度评定标准，统计两次测试中SF-2050星站差分GPS定位精度阶段及相应的测量时间，如表1所示。

表1 测量时间与定位精度统计Table 1 Statistics of testing time and locating precision

从接受双频信号开始，SF-2050星站差分GPS的定位精度随时间推移呈现从离散到收敛的过程，最高定位精度达到5 cm。两次测试相隔一周，观测时段及卫星信号参数均有较大差异，但达到相同定位精度所需的初始化时间基本一致，说明SF-2050星站差分GPS定位精度受观测时段影响较小。

1.3 定位重复性测试

为考察SF-2050星站差分GPS在同一位置不同时间段的定位准确性 （即仪器内符合精度），自2008年3月至7月分别对该系统进行了包括上文两次测试在内的14次定位重复性测试，每次测试天线位置均与首次测试相同，测试时段随机选择，开机30 min后以5 s为采样间隔连续采集20 min，取均值作为单次测试结果。将14次测试数据的平均值作为测点精确坐标的最或是值，再与每次测试结果进行比较，如表2所示。表中X、Y为WGS-84椭球坐标系下星站差分GPS单次测试结果坐标，ΔX、ΔY及ΔD分别为每次测试结果与测点坐标最或是值的差值及相对距离。

ΔX、ΔY正负均匀，数值随机分布，ΔD在0.007～0.054 m之间，表明SF-2050星站差分GPS具有相当高的定位重复性。

综上所述，定位精度测试和定位重复性测试证明，在充分完成初始化过程的情况下，SF-2050星站差分GPS具有良好的定位精度和重复定位准确性，但初始化时间较长，从开机到达到15 cm以上的定位精度需要约半小时的时间。

2 星站差分GPS工作效能的提高

SF-2050星站差分GPS存在初始化时间较长，受树木遮挡时卫星信号不稳定等缺点，制约了测点定位工作效率的提高和应用范围的拓展，但均可通过一定的技术手段予以解决。

针对初始化时间较长的问题，到达测点之前，将星站差分GPS的天线通过连接器固定于车顶，提前半小时开机，SF-2050星站差分GPS在速度小于300 m/s的范围内其动态精度不受影响[4]，可在车辆行驶中顺利完成初始化过程，到达测点即可进行精确定位，缩短了测量时间，提高了工作效率。

当遇到测点位于树林中等无法直接使用SF-2050星站差分GPS进行测量的情况时，可在测点周边天空开阔的区域选取三个以上辅助定位点，使用星站差分GPS定位，分别量取辅助定位点与测点距离作为定为依据，在复测工作中即可通过距离交汇法来确定测点位置。

3 星站差分GPS实际应用情况

SF-2050星站差分GPS系统作为测点定位手段，先后应用于地震流动监测、野外测点勘选、地震地磁三分量测量等多项地震监测工作，近三年的实践使用证明，其具有操作简便，定位精度高，覆盖面广等技术优点，大大提高了测点定位方面的工作效率和监测资料的可靠性。

以地震地磁三分量测量为例，依据 《中国地磁图野外观测规范及实施细则》，测点附近地磁场梯度不超过5 nT/m，原有的GPS手持机导航与点之记说明相结合的导航方式定位精度约2 m，理论上因定位精度引入的测量误差在10 nT左右。SF-2050星站差分GPS系统自2008年开始应用于地震地磁三分量测量，已完成全国范围内数百测点的定位与复测工作，通过对部分埋设固定测桩测点的重复定位精度统计表明，该定位手段在实际使用中的定位精度优于20 cm，引入的理论测量误差小于1 nT，大大提高了测量结果的准确性和可靠性。

4 结论

定位功能测试及长期的实践应用表明，SF-2050星站差分GPS系统作为测点定位手段，具有以下技术特点：

（1）定位精度高，SF-2050星站差分GPS在开机后约20 min时间内即可达到0.2 m的定位精度水平，并且随采样时间的延长，定位精度可进一步提高到0.05 m左右；

（2）定点重复性好，近4个月的定位重复性试验表明，SF-2050星站差分GPS仪器内符合精度优于0.06 m；

（3）通过较简便的技术手段，可以解决实际使用中初始化时间相对较长，卫星信号易受观测环境影响等缺点。

除上述特点外，SF-2050星站差分GPS还具有不依赖基站，覆盖区域广，使用简便等优点，在保证定位准确性的前提下，免除了流动监测中测点标志埋设与维护等工作成本，提高了测量效率，能够较好的满足地震监测工作的需要。

［1］张玉祥，王新改，史彦华，等.改进野外流动地磁测点定位标记的研究 ［J］.华北地震科学，2001,19(1):55-59

［2］杨怀春.星站差分GPS定位技术介绍 ［J］.物探装备,2004,14(3):198-201.

［3］许捍卫，何江，杨艳飞.星站差分GPS在水下地形测量中的应用 ［J］.水利水电科技进展,2008,28(2):76-83.

［4］张振军，谢中华，王永泉.星站差分GPS在河道测量中的应用探讨 ［J］.测绘通报，2006,11:40-42

Application of Satellite Difference GPS in Seismic Monitoring

WANG Lei1,ZHU Zhichun1,ZHANG Yi1,GU Chunlei1,XU Rugang1,YUAN Jiehao2

(1.Earthquake Administration of Anhui Province,Hefei 230031,China;2.Institute geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China)

In order to investigate the practical performance index of SF-2050 satellite difference GPS:positioning accuracy,convergent-time and the positioning repeatability,we tested its locating function.This paper gave the testing process and result.It proves that the system has the advantages of high precision and good reproducibility;The measuring efficiency can be further improved by the help of some skills.The SF-2050 satellite difference GPS can satisfy the requirements of locating in seismic monitoring.

Seismic Monitoring;SF-2050 Satellite Difference GPS;Locating Precision

P315.73

A

1001-8662（2011）02-0110-07

2010-12-26

王雷，男，1984年生，助理工程师.主要从事地震监测工作.E-mail：wanglei_wz@126.com