中国大陆地壳运动GPS观测技术进展与展望

甘卫军

引言

GPS（GlobalPositioningSystem） 是 美国国防部历时20年（1973.12—1994.03）、耗资300亿美元研发建成的第二代全球卫星导航系统，其建设初衷主要是为海、陆、空三军提供全世界、全天候、全时段的导航、定位和授时保障，同时兼顾部分民用。GPS在最初的设计中并未包含高精度测量功能，即GPS空间大地测量技术（图1），是后来由美国宇航局（NASA）和麻省理工学院（MIT）的几位空间大地测量学家基于已有的甚长基线干涉测量（VLBI,VeryLongBaselineInterferometry）原理，额外地开发了这一特别的民用功能，随即被公认为GPS最引人注目的亮点成就之一。

图1 GPS系统及GPS大地测量基本原理示意图

1981年，全球第一套商业化大地测量型GPS设备（TI-4100）在美国问世，这是GPS大地测量技术正式投入使用的里程碑事件。与传统的大地测量相比，现代GPS大地测量技术不仅将精度提高了2～3个数量级，而且将效率提升了千万倍。具体到大地测量应用中最具挑战的地壳运动和构造变形监测——从全球板块运动到局域断层滑动，目前的GPS大地测量技术均能做到“四高四全”的观测，即高精度、高效率、高机动、高动态；全天候、全时段、全自动、全维度。具体而言，①基于静态模式的GPS观测，能够以毫米级精度获得任意观测站在全球参考框架下的精确坐标，水平误差约2mm，垂直误差约4mm，由此可有效分辨站点位置每年几毫米量级的微弱变化。或者，能够以亚厘米甚至更小的观测误差，确定相距数百乃至上千公里的任意两站的精确距离；②基于动态模式的单历元GPS观测，能够以高达50Hz的采样率（或0.02秒的时间步长）和优于15mm的三维坐标精度，获得强震发生时地表高动态变化过程。因此，集“高、精、尖、全”于一体的现代GPS大地测量技术，为各种规模尺度的地壳运动监测提供了革命性的技术手段。在上世纪80年代后期，我国瞄准这一高新技术所带来的机遇，与国际准同步地开启了GPS地壳运动观测的实践应用。

GPS地壳运动观测里程

（一）基于国际合作的开启阶段（1988—1991）

我国基于GPS大地测量技术的地壳运动观测，最早可追溯到3项重要的国际合作。

1.中德红河断裂带GPS观测合作项目

1988年，国家地震局地震研究所与德国汉诺威大学大地测量研究所合作，在滇西地震试验场沿红河断裂带两侧布设了16个GPS观测站（图2），并于1991年进行了复测。基于两期观测的GPS基线变化，定量确定出剑川—丽江断裂的现今活动比红河断裂更强烈，故推测其具有更高的地震危险性。1996年2月，在剑川—丽江断裂中段发生了丽江7.0级地震，较好地印证了这一推测，并由此展现出GPS大地测量技术在地震监测方面的巨大潜力。

2.中美青藏高原东部及邻区GPS观测合作项目

1991年，地质矿产部成都地质矿产研究所和美国麻省理工学院合作，在青藏高原东部及邻区，布设了27个GPS观测站（图2），通过1991—1995年的4期观测，定量地初步勾画了青藏高原东南缘现今构造变形的东向逃逸和顺时针涡旋等特征，为研究青藏高原隆升扩展的地球动力学机制提供了重要约束。

3.中美意跨喜马拉雅GPS观测合作项目

1991年，美国科罗拉多大学博尔德分校和意大利里雅斯特大学牵头的跨喜马拉雅GPS观测合作项目，实施了青藏高原5个GPS观测的布设和观测，我国的西安地质学院、四川省地震局、新疆地震局等单位协助。

这些国际合作，开启了我们对GPS地壳运动观测的实践，培养和锻炼了国内最早一批GPS大地测量专家，尤为受益的方面是GPS数据处理技术，为日后我国GPS地壳运动观测的自主大力发展奠定了至关重要的基础。

（二）自主尝试阶段（1991—1995）

在“八五”期间，随着美国GPS导航系统的全面建成和国际上GPS地壳运动观测研究的蔚然兴起，我国的GPS地壳运动观测亦进入了自主布网、全面尝试的发展阶段。

1992年，国家攀登计划开展了“现代地壳运动与地球动力学”研究项目，率先在全国布设了包含22站的“中国地壳运动GPS监测网”。与此同时，由国家地震局的统一部署，在中国大陆一些重要的构造活动区域，地震研究所、第一地形变监测中心、第二地形变监测中心、山西省地震局、福建省地震局和新疆地震局等单位陆续布设了局域性GPS地壳运动观测网（图2、表1）。

表1 “八五”期间部分GPS地壳运动观测网

图2 中国大陆最早期的GPS地壳运动观测网（改编自游新兆等，1998）

需要指出的是，鉴于1990年代初期GPS大地测量观测设备尚稀少昂贵，故当时的主要观测方式为间歇性的流动式重复观测，即每隔一段时期（如1年或数年），以会战的方式对全网进行一次复测，每站的观测时长为几小时至几十小时。而现今的GPS观测，已逐渐趋向于以连续观测方式为主，即一站一套固定设备进行长期的永久观测。

（三）整体布局阶段（1996—2001）

随着GPS大地测量技术的全面成熟，我国在“九五”期间实施了国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”，由中国地震局牵头联合总参测绘局、中国科学院和国家测绘局，以统一设计、统一规程、统一部署和统一验收的先进管理方式，建成了覆盖中国大陆及部分岛礁的“中国地壳运动GPS观测网络”（图3）。

图3 中国地壳运动观测网络GPS站分布图

该GPS观测网络包括27个连续观测的GPS基准站，56个年度复测的GPS基本站和1000个不定期复测的GPS区域站。其中，基准站和基本站较为均匀地分布于中国大陆，主要监测一级构造块体之间的相对运动。而区域站的70%密集分布于一系列主要断裂带和地震重点监视区，直接监测断裂运动和构造变形，服务于地震监测预测和地球科学研究。其余的30%相对均匀地分布在中国大陆，站距大约为250～350km，主要服务于军事测绘保障和基础测绘需要。

“九五”国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”的实施，最大的成就之一是制定了《中国地壳运动观测技术规程》，并进行了GPS观测站建设和应用的引领示范。在随后的二十多年间，中国地震局下属的一系列省局和研究所，根据各自的关注区域和业务特点，加密建设了数以千计的地壳运动GPS观测站，如南北地震带的GPS加密观测、973专项《活动地块边界带的动力过程与强震预测》在鲜水河断裂带的GPS加密观测、山西地震局和陕西地震局在鄂尔多斯周缘地堑的GPS加密观测、四川地震局的成都连续GPS观测网建设等等。

由于GPS大地测量的最大优势之一是观测资料在“时-空”两方面的全球关联性，即我们按统一标准各自建设和观测的区域性GPS观测网，能够完全地合并至中国地壳运动GPS观测网络，使其不断地得以加密、补充和扩展。

“九五”阶段建成的中国地壳运动GPS观测网络，从设计理念、涵盖范围、建设标准和数据质量等方面，均到达了同期国际先进水平，因而与全球著名的日本GEONET、美国PBO形成了三足鼎立之势，受到了全球的广泛关注。不过，该时期我们基于国情以流动GPS观测为主的运行模式，因无法满足连续化地壳形变监测的需求，日后的大幅升级改造成为必然。

（四）升级加密阶段（2006—2012）

2001年，也就是在“中国地壳运动观测网络”建成之初就制定了二期发展的规划。进入“十一五”阶段，在国家发改委的大力资助下，在2007—2012年期间实施二期工程，全面升级改造为“中国大陆构造环境监测网络”（简称“陆态网络”）。

陆态网络由中国地震局牵头，联合总参测绘局、中国科学院、国家测绘局、中国气象局和教育部共同建设。其连续GPS观测站数量由原来27站增加至260站；流动GPS观测站数量由原来1000站增加至2000站；原来基本网的56个定期流动GPS观测站，部分升级为连续观测站，部分纳入2000流动GPS观测站（图4）。

图4 中国大陆构造环境监测网络GNSS站分布图

需要指出，在“十一五”阶段的二期工程中，鉴于国际上其他三大卫星系统——俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）、欧 盟 的 伽 利 略（GALILEO）和中国的北斗（BDS）相继发展，我们尝试将以往单一依靠的GPS大地测量技术，拓宽为GNSS大地测量技术。但时至今日，由于三大系统各自的种种原因，再加之IGS（InternationalGNSSService，国际GNSS服务）“幕后支撑”的乏力，譬如，无法为BDS和GLONASS提供足够精度的卫星钟差改正模型和卫星轨道等等，GLONASS、GALILEO和BDS的大地测量定位精度尚不能满足毫米级地壳运动和构造变形的监测需求，故在“精细”地壳运动监测领域，GPS大地测量技术仍然保持着一枝独秀的引领地位。

二期工程陆态网络的实施，建成了覆盖中国大陆及近海的高精度、高时-空分辨率的地壳运动监测网络，以完整、连续、可靠的综合监测数据和数据产品，服务于地震预测、科学研究、军事测绘、大地测量和气象预报等多学科领域，使我国在空间对地观测领域的研究和应用水平跃入国际先进行列。

在GPS大地测量技术的应用提升方面，最大的亮点是我国自主研发了一系列应用软件，包括GNSS观测网运维监控系统、GNSS精密定轨定位、GNSS精密单历元定位、GNSS水汽含量处理分析、可移动基准站实时定位服务系统等，实现了大型GNSS观测网络运行管理和高精度数据处理与应用的自主可控。

（五）引领国际阶段（2015—）

近年来，中国大陆以增强导航定位精度和（或）服务实时工程测量为主要目的GNSS地面参考站（CORS）数量正在迅猛增加，全国各省（直辖市）或许多城市，都有自己的“连续GNSS参考站网系统”，平均的站间距通常在60～80km。根据粗略的统计，这样的连续GNSS观测站总数不少于30000站。此外，一些行业部门，如中国气象局、国土资源部、国家海洋局等部门，也陆续布设了总数愈千的连续GNSS观测站。与之相比，我们目前专门针对地壳运动观测的数百个连续GNSS观测站，数量仅为其零头。

图7 基于1991—2004年GPS观测的中国地壳运动图（Niuetal.,2005,ChineseScienceBulletin）

图8 基于1991—2018年GPS观测的中国地壳运动图（Wang&Shen,2020,JGR）

但正如前面所说，由于“九五”中国地壳运动GPS观测网络起到了良好的引领示范作用，在连续GNSS观测站的建设和观测方面，许多省市、部门或机构均在尽可能向地震行业的最高标准看齐或靠拢。基于我们的国情体制，完全能够将这部分连续GNSS观测资源与中国地壳运动GPS观测网络共享。可以设想，如果将这些观测站按照“分布合理、站基稳定”等苛刻条件优中选优地挑选30%，则中国大陆GPS观测网络的连续站数量将超过10000站。

当然，虽然这些观测站数量庞大，但分布位置并非专门针对一些紧迫的地震重点监测区。为此，在一系列地震重点监测区，中国地震局近年来也一直进行连续GNSS观测站的加密工作。譬如，目前正在稳步推进的川滇“地震科学试验场”项目，已在该区域加密布设了近300站，局部的连续GPS观测台阵站间距不到15km。而在即将实施的下一步规划设计中，还将在该区域加密布设近600站（图5）。因此，中国大陆目前可用于地壳运动观测的GPS网络设施无论是整体覆盖范围和平均密度，还是局部重点构造区域的针对性密集观测，均已遥遥领先于世界各国。目前的挑战和机遇，是如何充分利用全球一流的GNSS观测网络和海量的GNSS观测数据，产出全球一流的科学产品，服务于国内和国际。

图5 中国地壳运动GNSS观测网络连续观测站加密和扩充

应用与成果

中国地壳运动GNSS观测网络不但服务和应用于地震科学观测、地震监测预测、地球动力学研究，还可服务于电离层电子密度变化监测、近地空间圈水汽含量变化监测和灾害天气预测、城市地面沉降监测、地质滑坡灾害监测、建筑物/构筑物安全性监测，同时可兼顾国防军事测绘保障、民用工程测绘基础、国家大地测量框架维护、高精度导航差分改正服务等。这里作为示例，展示我们基于GPS观测技术，在不同阶段所获取的中国大陆地壳运动图像（图6、7、8），其空间分辨率的不断提高，可在一定程度上反映出30年的发展历程和技术进步。

图6 基于1991—2000年GPS观测的中国地壳运动图（Wangetal.,2001,Science）