华北地区陆态网测站稳定性分析

余新平,成英燕

(1.山东科技大学 测绘学院,青岛 266000;2.中国测绘科学研究院,北京 100000)



华北地区陆态网测站稳定性分析

余新平1,2,成英燕2

(1.山东科技大学 测绘学院,青岛 266000;2.中国测绘科学研究院,北京 100000)

分析陆态网测站稳定性,对维持其高精度三维基准具有重要意义。本文通过华北地区六个分布较为均匀的陆态网测站进行数据处理,对华北地区陆态网测站整体稳定性和单个测站稳定性进行分析,得到陆态网测站不仅整体稳定性良好,单个测站也有较好的稳定性。

陆态网;数据处理;稳定性分析

0 引 言

随着全球导航卫星系统 (GNSS)、计算机 、数据通信和互联网络等技术的不断发展, 利用多基站网络RTK技术建立的CORS已成为 GNSS应用的发展热点之一[1].由于其长期观测数据的特点,利用高精度基线解算软件GAMIT,可以对参考站进行周期性地更新。

本文所要分析的中国地壳运动观测网络(简称陆态网)正是基于CORS技术。陆态网是一个综合性、多用途的连续动态监测网络,它的建立为我国地震监测和地壳运动研究提供了良好的前景,随着时间的推移,越来越显示其卓越的功能。通过对其站点的坐标变化进行定量分析研究,从而监测陆态网的稳定性, 这对维持该地区高精度三维基准具有重要意义。

1 测站稳定性分析

1.1 基线解算

本文选取了分布较为均匀的六个华北地区陆态网测站作为研究对象,并对其进行稳定性分析。六个华北地区陆态网测站分别是SDQD(青岛)、SDJX(嘉祥)、JIXN(蓟县)、 HEZJ(张家口)、SXTY(长治)、SNAK(安康),其分步如图1所示。由于测站单日解精度不是很高,本次分析选取2011、

2012、2013年中年积日为001-007的各七天数据进行解算并取均值作为分析基础,选取BJFS、SHAO、DAEJ、KIT3、POL2等13个中国及其附近的 IGS 跟踪站进行约束,设置截止高度角为100,采样间隔为30 s.

图1 陆态网测站及周边IGS站点分布

在数据处理前,采用数据质量检测软件TEQC[2-3],对各陆态网测站GPS数据质量进行分析,由获取的观测时段内的多路径影响、接收机周跳等信息,可以得到各陆态网测站数据质量可靠,周边的观测环境良好,在以上三个时段均未发生大的变化。

各测站的的数据处理采用GAMIT Ver 10.5进行基线解算,对于基线解算获得的单日松弛解,设置初始坐标及约束。将13个IGS跟踪站作为已知点,站坐标采用 SOPAC提供的ITRF2008框架、瞬时历元坐标,并分别设置适当的控制约束,再利用GLOBK对其进行联合平差,最终得到各陆态网测站包含坐标、速度等参数估值的松弛联合解。

1.2 空间位置变化分析

由于华北地区陆态网测站均建立在基岩之上,并且它们主要是用于监测地质变化和地震的,通过对它们的周期性监测,可得他们均稳定可靠。因此,本次稳定性分析选定距离该地区较近的BJFS站作为监测站,通过对各陆态网测站空间位置变化来分析的其稳定性[4]。

在约束平差结果文件中提取各测站的2011～2013年前七天数据的联合平差的坐标、速度数据,并取其均值作为各测站坐标和基线的值,再以2011-2013三年的均值作为已知值。通过与各测站已知值的差值进行比较,分析陆态网测站的稳定性。

从图2～图4可知,2011-2013年各陆态网测站X坐标相对于Y、Z坐标变形较大,X坐标平均变形达到33 mm,而Y、Z坐标平均变形约为15 mm、10 mm;2011-2012年和2012-2013年,X坐标变化量都在33 mm左右,变化量趋于平稳,其中JIXN变化量最大(达38.72 mm);Y坐标平均变化量由12 mm减少到7 mm,其中JIXN、SDQD变化量较大,分别达到11.51 mm、12.25 mm;Z坐标平均变化量由10 mm减少到7 mm左右,其中SDJX、SDQD变化值依然较大(分别达到11.23 mm、10.99 mm)。

总体看,这六个华北地区陆态网测站三个方向坐标都呈减少趋势,X方向坐标变化较为平稳,Y和Z方向的变化量越来越小。因此,它们可能存在整体像某个方向运动的趋势。

图2 X坐标变化量

图3 Y坐标变化量

图4 Z坐标变化量

1.3 与 IGS站点的相对位置变化分析

由于篇幅原因,本文只以BJFS为例,对基线变化量进行分析。以2011-2013年华北地区六个陆态网测站到BJFS站基线平均值作为已知值,各站基线相对差值及变化情况如表1所示。

表1 与BJFS站基线变化量

由表1可以看出,各陆态网测站与BJFS间的基线变化最大值为3.2 mm,年平均变化量小于2 mm,除了BJFS-SDJX以外,其他基线边均呈现增大趋势。由于嘉祥地区矿场资源丰富,矿产开发活动以及地下水变化很可能是造成此种现象的主因。该地区地质构造活动、电离层变化、接收机设备的稳定性等因素也可能影响这种趋势。这表明整体的陆态网测站与IGS站点的年坐标变化量存在差异,从而导致其基线边的增大。

2 ITRF框架下位移速率分析

2.1 陆态网测站位移速率分析

由上述对陆态网测站X、Y、Z坐标变化的分析,得出这六个测站存在整体向某个方向运动的趋势。现在,通过分析这些站点的当地坐标位移速率,分析其具体的变化趋势。

从表2可知,华北地区六个陆态网测站N方向的坐标位移速率总体在减小;E方向虽然总体位移速率在减小,但除了SNAK站点2013年的数据小于0,其他均大于0;U方向位移速率变化平稳。

表2 陆态网测站N、E、U方向年位移速率

综上所述,这六个陆态网测站总体呈现向东南方向移动的趋势,说明了陆态网整体稳定性较好,与上述对其X、Y坐标变化量的分析相同。同时与王琪等[5]利用 IGS站定义的运动基准计算出的华北地区整体向东南方向的运动趋势的结果一致。

2.2 与IGS站点位移速率的比较

与此同时,也可通过分析这些站点的2011-2013年的平均位移速率,并且与ITRF提供的2011-2013年IGS站点的的平均位移速率进行比较,来反映它们的稳定性[6]。

如表3、表4所示,IGS站点X、Y、Z方向的平均位移速率都要比陆态网测站小很多。IGS测站平均位移速率除了X方向的平均值为2.5 cm外,Y、Z方向的平均值均小于5 mm;而陆态网测站平均位移速率三个方向的平均值都在2.3 cm之上,X方向的平均值甚至达到了7.9 cm.

表3 2011-2013年陆态网测站三年的平均位移速率

表4 2011-2013年IGS站点三年的平均位移速率

图5为陆态网与IGS站点速度场图,从图中也能看出,陆态网测站的年平均位移速率总体要比ITRF提供的IGS站的平均位移速率大很多。其中JIXN站有向东北方向的运动趋势,这可能由于站点区域地质构造活动等因素引起的。由于中国及周边IGS站点存在整体向东南方向运动的趋势[6],与华北地区陆态网整体运动趋势一致,结合上述对其平均位移速率的分析,得出的结果可以正好解释BJFS站点与各陆态网测站基线变化的情况。

图5 陆态网与IGS站点速度场(深色五角星表示陆态网站点,浅色五角星表示IGS站点)

3 置信误差椭圆法

鉴于上述对华北地区陆态网测站坐标变化和位移速率的定量分析,可以看出各测站具有整体稳定性。下面通过采用置信误差椭圆法,对各站点的稳定性分别进行判断分析。

λ=3置信误差椭圆与点位误差椭球类似,只是它们之间存在一个比例常数关系。置信误差椭圆的重要意义在于把误差的大小与其出现在椭圆内的概率密切联系起来。通常情况下,以点位中误差的3倍作为评判点位精度的标准。从误差椭圆的置信度来看,当时,点落入误差椭圆的置信度为98.89%,一般情况下,绝大多数点都会落入这个椭圆内。因此,利用置信误差椭圆法可对华北地区陆态网测站的稳定性进行分析。

置信误差椭圆元素的计算公式为

λ=3通过对华北地区六个陆态网测站的水平方向坐标误差进行计算分析,发现这六个陆态网测站点位误差均落在的置信误差椭圆内。这表明华北地区陆态网测站不仅整体稳定性良好,单个测站的稳定性也较好。

4 结束语

陆态网作为我国地震分析和预报的重要基础设施,其稳定性的重要性不言而喻[5]。本文通过对华北地区六个分布较为均匀的陆态网测站2011-2013年的数据作为研究对象,通过对其研究分析得出:

1) 在 ITRF2008框架下,华北地区陆态网测站存在向东南方向的整体运动, 其整体运动与ITRF提供的BJFS等中国及其周边的IGS站在运动方向上基本一致,这表明华北地区陆态网测站整体稳定性良好。

2) 由置信误差椭圆法对华北地区陆态网单个测站进行分析,得出陆态网单个测站也具有较好的稳定性。

致谢:感谢麻省理工学院提供GAMIT/GLOBK软件。

[1] 侯至群,张宇琳,杨艳峰,等.昆明市连续运行GPS参考站系统(KMCORS)稳定性分析[J].城市勘测,2010(1):37-40.

[2] 古伟洪,田鹏波,王振辉.运用TEQC软件时GPS数据的预处理与质量评定[J].地理空间信息,2008(6):37-39.

[3] 唐卫明,楼益栋,刘晖,等.GPS 连续运行参考站系统定位精度检测方法研究[J].通信学报,2006,27(8):73-77.

[4] 李江卫,刘经南,肖建华,等.CORS系统稳定性监测数据处理与分析研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2010,35(7):825-829.

[5] 王琪. 用GPS监测中国大陆现今地壳运动: 变形速度场与构造解释[D]. 武汉:武汉大学,2004.

[6] 黄立人.GPS 观测结果形变分析的参考框架及其合理性[J].测绘学报, 2001, 30(1):16-20.

[7] 刘鸿飞,肖玉钢,邓连生，等.GPS 变形监测系统中基准站长期稳定性分析[J].大地测量与地球动学,2013(1):113-118.

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

国家自然科学基金项目(批准号：41374014，41404034)

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0084-05

余新平 (1992-),男,硕士生,主要从事GPS数据处理与时间序列分析研究。

成英燕 (1965-),女,研究员,主要从事参考框架维持与更新研究。

联系人： 余新平 E-mail:862250281@qq.com