蒙城地磁台测量标志方位角测定

袁 泉 黎哲君 王 雷 陈 俊谈 昕 徐如刚

1)中国合肥 230031 安徽省地震局

2)中国蒙城 233527 蒙城地震台

0 引言

地球磁场的变化研究广泛应用于地震监测、预报等领域。地磁场是一个矢量场，描述地磁场的物理量有磁偏角D、磁倾角I、总强度F、水平强度H、北向强度X、东向强度Y、垂直强度Z等7个要素。确定某一测点的地磁场需要3个彼此独立的分量来描述，通常可供选择的地磁要素有F、D、I、H、Z等，这些要素可以组合成D、I、F或D、H、Z等多种方式，在已知3个独立要素的前提下，其他要素可通过数学函数求得。其中，磁偏角D在野外流动测量和固定地磁台站观测中均是不可或缺的观测量。若要测得某测点的磁偏角D，首先必须知道该测点的地理正北方向，又称地理子午线。通过天文方位角的测量可以获得地理正北方向，通过地磁测量可获得地磁北方向，两者之差即为磁偏角D（中国地震局，2001；中国地震局监测预报司，2002）。

蒙城地震台建于1978年，2007年5月，在中国科学技术大学与安徽省地震局蒙城地球物理联合观测站基础上，国家科技部批准建设安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站 (National Geophysical Observatory at Mengcheng，Anhui) 。近年来，新型观测仪器陆续投入使用，为满足新型仪器对观测设施的要求，蒙城地震台于2013年6月中旬开始地磁观测标志改造工作。改造工作完成后，为保证观测资料的连续性和完整性，观测室内各观测墩至室外标志的方位角准确测定工作成为当务之急。为此，安徽省地震局于2013年12月底对蒙城地震台各室内观测墩至室外观测标志的方位角进行精密测量。

1 方位角测量方案

在地震台站定点地磁观测和野外流动地磁观测中，以往观测标志方位角的主要方法是天文观测法，即北极星任意时角法测定天文方位角。该方法受观测环境影响较大，观测时间较长，目前已不采用（Newitt L R et al，2002）。本次采用GPS差分测量和经纬仪水平角测量相结合的方法测定标志方位角，该方法实施简单且测量精度较高。测量仪器采用Promark差分GPS测量系统和TDJ2E光学经纬仪。

如图1所示，蒙城地震台绝对观测室内有2个测墩（O1、O2），室外有3个观测标桩（原标桩、主标桩和副标桩），观测标桩位于观测室以北，与观测室距离分别约110 m、290 m和370 m，其中原标桩仅有一个对角标志，编号为1#，副标桩上有2个铜棒标志和一个对角标志，编号分别为2#、3#和4#。主标桩上的两个铜棒标志和一个对角标志编号分别为5#、6#和7#。需要观测的目标方位角为观测墩O1和O2至6个室外观测标志的方位角AO1-X和AO2-X（X=1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#）。

由于室外观测标桩和室内观测墩上均无法直接架设GPS接收机，因而需要在室外选择两个测点形成一条GPS基线，通过GPS差分测量获得方位角AG1-G2，作为起始方向，而后利用经纬仪进行水平角测量，经过两次角度转换，将方位角AG1-G2传递至目标方向。测量流程如下。

（1）在观测标志与观测墩之间的开阔地带选择两个点位（图1中G1、G2）架设GPS天线，为保证方位角测量精度，需保证两个点的距离大于200 m，经GPS差分测量得到G1、G2连线的方位角AG1-G2，以此作为水平角观测的起始方位角。

（2）GPS观测结束后将G1、G2点天线撤下，在G2和O1上架设觇标，G1架设经纬仪，盘左依次瞄准G2、O1读数，盘右依次瞄准O1、G2读数为一个测回，重复6个测回，得到G1至G2连线和G1至O1连线的夹角αG2G1O1，按公式（1）计算，得到O1至G1连线的方位角AO1-G1，按同样方法观测、计算得到方位角AO1-G2。

图1 测墩、观测标志分布示意Fig.1 Sketch of the distribution of observe stations and survey marks

（3）在O1上架设经纬仪，G1上架设觇标，盘左顺时针依次瞄准G1、1#—7#、G1读数，盘右逆时针依次瞄准G1、7#—1#、G1读数为一个测回，如此重复6个测回，得到O1至G1连线与O1至1#—7#共7个观测标志连线的夹角，并按公式（2）（以AO1-X为例）计算，得到O1至1#—7#的方位角。

（4）在O2上架设经纬仪，采用与步骤（3）类似的观测方法和计算公式，计算得到O2至1#—7#的方位角AO2-X。

2 测量结果与精度分析

2.1 GPS基线处理结果

GPS基线数据处理采用Ashtech Solution 2.6软件完成，为保证观测精度，每次均进行两组GPS基线观测，在基线方位角解算结果相差不超过1″的情况下取2组测量结果的平均值作为观测结果。详细测量结果见表1，由于整个测量工作分两天完成，因而有2次GPS测量结果，每次测量2组。

2.2 水平角测量结果与精度

根据测量方案，通过GPS基线测量获得方位角AG1-G2后，需要测量两个水平角才能获得一个目标方向的方位角，每个水平角均测量6个测回。

按式（3）计算每个水平角测量结果算术平均值的标准偏差。

表1 GPS基线测量结果Table1 Measurement result of GPS baselines

其中，n为重复观测次数，αi为第i次水平角观测值，为n次水平角观测值的平均值。

水平角αG2G1O1和αG1G1O1的测量结果及精度见表2，水平角 和 的测量结果及精度见表3。由表2和表3可知，水平角平均值标准差最大值0.41″，标准差平均值分别为0.38″和0.25″，可见单次水平角测量精度较高。

表2 水平角δG2G1O1和δG2G1O2测量结果及精度Table2 Result and accuracy of horizontal angles δG2G1O1 and δG2G1O2

表3 水平角δG1G1O1和δG2G1O1测量结果及精度Table 3 Result and accuracy of horizontal angles δG1G1O1and δG2G1O1

由式(1)和式(2)可以得到目标方向方位角的计算公式（以AO1—X为例）。

由式(4)可知，水平角测量结果由两个独立分量αG2G1O1和αG1G1O1共同决定，根据若干独立误差联合影响的计算公式[式(5)]，计算得到两个独立水平角观测量之和的标准差，即水平角测量误差的联合影响（表4）。

其中，δO1-X、δG2G1O1和δG1O1X分别为AO1—X、δG2G1O1和δG1O1X的标准差。

表4 水平角测量误差联合影响Table4 Combined inf l uences of errors from horizontal angle observations

由表4可见，由于每个目标方位角的确定均需要经过两次水平角测量，虽然联合影响精度略低于单次水平角测量精度，但标准偏差平均值不超过0.50″，最大值不超过0.57″。

2.3 方位角计算结果与精度

式（4）为目标方位角的计算公式，计算结果见表5，计算结果精度由GPS基线方位角测量精度和水平角测量精度共同决定。本次测量采用的差分GPS测量系统标称方位角测量精度为0.1″，采用该精度指标估算GPS测量误差和水平角测量误差对目标方位角计算结果的联合影响，见表5。

表5 目标方位角测量结果与精度Table 5 Result and accuracy of target azimuths

从表5可见，在考虑GPS测量精度影响后，方位角计算结果精度略微低于水平角测量精度，但其最大标准差仍不超过0.58″，优于地震行业标准《地磁数字化观测技术规范》中地磁观测墩至室外标志的天文方位角观测精度需控制在6″以内的要求。

3 结论

采用差分GPS测量获得起始方位角，通过经纬仪水平角测量方法，经两次角度转换得到每个目标方向的方位角，精确测定蒙城地震台两个地磁观测墩至7个室外观测标志的14个方位角，测量结果精度优于相关规范要求，为蒙城地震台地磁测量数据的重新归算和后期磁偏角测量工作提供保障。

通过本次方位角测量工作，发现以下问题：①GPS测量精度受观测条件影响较大，测量点选择应避开高大树木、房屋等遮挡物，并保证GPS基线长度大于200 m；②水平角测量发现，地磁测量标志是否易于照准对水平角测量精度有较大影响，在设置地磁测量标志时，应注意标志尺寸的合理选择；③通过测量结果精度分析发现，进行6个测回重复观测，水平角测量精度可以达到较高水平，由于方位角计算结果误差同时受到GPS基线方位角测量误差影响，建议有条件时增加测量组数、延长测量时间等手段，保证GPS方位角测量结果精度；④本研究采用方法满足地磁测量标志方位角测定精度要求，易于操作，可适应大多数地磁台站测量环境，可在地磁标志方位角测定中广泛运用，类似方法在部分地磁台站已得到应用（杨福喜等，2008；史小平等，2009）。

史小平，辛长江，田文通，等.兰州地磁台GPS差分方位角的测量[J].高原地震，2009，21（2）：37-40.

杨福喜，杨欣，张向阳，等.乌鲁木齐地磁台标志方位角的测定[J].内陆地震，2008，22（4）：306-313.

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