基于高频GPS的沂沭断裂带两侧震时位移分析

吴玉鑫，韩保民，徐工

(山东理工大学 建筑工程学院,山东 淄博 255049)

沂沭断裂带位于郯庐断裂带主体的北侧，与郯庐断裂带主体相连成一线，是一条延伸长、规模大、切割深、活动时间长的复杂断裂带。该断裂带是山东省区域地质的重要分界线，把山东分为地质上所说的鲁东、鲁西两大块。随着科学技术的发展，为了在全世界范围内更好地进行地球动力学和地球物理学等学科研究，国际GNSS服务组织在全球范围内设立了若干个GPS观测站，并且已经构成了连续的跟踪站网络。许多国家及部分地区为了精确地掌握地表变化情况，实时检测地震活动并且进行相应的预防，也都开始建立用于特定领域或可综合运用的观测站，并且相互之间构成了GPS连续运行的参考站网。中国为了监测灾害天气、海平面的变化以及有关地震活动，已经在沿海地区布设了多个能够持续运行的GPS观测站，这些观测站所提供的观测数据对于研究沿海地区以及陆地地表变化有重要的作用。探究此次日本地震对山东所处块体的影响，以及在此影响下，沂沭断裂带在地震期间发生了怎么样的运动变化及在之后的一段时间内会有什么样的位移变化趋势，对研究沂沭断裂带的运动发展规律以及地质构造有重要的参考作用，可为地震震源机制解提供重要的约束参数，为判断该地区的地震变化趋势及实施防震抗震措施提供依据。除此之外，研究沂沭断裂带两侧地表的运动规律以及该地区的地震活动性对于社会以及经济的发展也有着至关重要的作用。

本文将结合沂沭断裂带两侧的观测站在日本2011年3月11日地震期间采集的高频GPS信号，利用GAMIT/TRACK对其进行解算，并对各个测站之间进行基线分析，选择出最佳观测站作为最优GPS解，利用解算结果分析与总结各个观测站的三维位移变化规律。

1 解算原理

1.1 TRACK解算原理

GAMIT中有许多不同的模块，TRACK是其中可以用来动态定位的一个模块。TRACK通过原始观测文件中的伪距观测量来得到之后要用到的初始值，再采用相对值的方法，利用卡方增量法对载波相位L1和L2整周模糊度的最优结果与次优结果进行相互比较。如果最优值的卡方影响小于次优值，那么这个整周模糊度就可以确定是整数，然后再使用迭代的方法进行计算，一直到将更多其他历元的模糊度都解算出来，最后再通过卡尔曼滤波修正对流层延迟参数和未解决的模糊度参数，解算出想要的结果。

由于研究区的范围比较大，相对应的GPS观测网属于中大尺度观测网，各个站点之间的距离超过了100 km，其处理过程比较复杂，要想对其进行解算也相对比较困难，因此TRACK模块会使用MW-WL组合模型的方法来进行电离层干扰的消除，从而解算出最优的模糊度解[1-4]。MW-WL组合，即相位宽巷组合(MW)和伪距窄巷组合(WL)之差，是由Wubbena和Melbourne在1985年分别提出来的，详细的计算公式如下：

M+e，

(1)

式中：φi为双频相位观测值；Ri为双频伪距观测值；fi为频率(i=1,2)；c为光速；M为伪距多路径；e为观测噪声。

MW-WL组合由双频相位观测值和伪距码组成，对于GPS观测量来说，Δf/Σf≈0.124，这表明其距离噪声减小了约1个数量级。GPS信号从发射到传播，直到最终到达接收机，在此过程中会受到各种误差源以及各种物理效应和地球引力的影响。由公式(1)可以看出来，该组合减小了几何距离、电离层、对流层以及钟差等的影响，但是仍然受到伪距多路径M和观测噪声e的影响。

1.2 高频GPS解算过程

在处理高频GPS数据时选择GAMIT/TRACK软件会得到相对较高精度的解算结果，但是最终解算结果的精度也会受到观测站选取的影响。关于怎样选取观测站才能获得高精度的解算结果，许多专家学者进行了大量的实验研究。尹继尧[4]通过处理北京的GPS连续观测网并对此进行研究发现：在相对理想的情况下，一般选择4个观测站就能够进行数据的处理，并且能够能到较高精度的解算结果；但是对于观测条件较差，所得观测数据不太理想的情况下，要得到所需要的高精度解算结果最好是增加所使用观测站的数目。邬熙娟等[5]通过对相对小区域的GPS网进行解算并分析，最终的实验结果表明，6～7个均匀且分布在测区附近的观测站为较理想的观测站数目。在此基础上，刘小明等[6-10]通过对用于各个方面的GPS网进行了仔细的研究，最终的结果也表明，在解算高频GPS数据时选取6～7个观测站所得到的是最为理想的结果，所以在此次数据处理中，选取6个观测站的数据进行解算并对此进行分析与研究[11-13]。本次实验选取6个观测站的观测数据作为原始数据，分别为SDCY(山东昌邑)、SDJX(山东嘉祥)、SDLY(山东临沂)、SDYT(山东烟台)、SDZB(山东淄博)、TAIN(泰安)。观测数据从2011年3月11日5时50分0.00秒—2011年3月11日6时4分59.98秒。采用igs精密星历，观测的时间长度为15 min，数据的采样间隔为0.02 s。

2 精度分析

2.1 精度分析方法

1)计算流动站的坐标。以基准站的概略坐标(approximate position)以及解算出来的N、E、U三个方向上的变化为基础，计算出其他观测站的坐标。以SDCY为基准站，计算SDJX的坐标公式如下：

Xsdcysdjx=APXsdcy+dNsdcysdjx，

(2)

Ysdcysdjx=APYsdcy+dEsdcysdjx，

(3)

Zsdcysdjx=APZsdcy+dUsdcysdjx，

(4)

式中：Xsdcysdjx、Ysdcysdjx、Zsdcysdjx为以SDCY为基准站计算所得的SDJX的X、Y、Z坐标；APXsdcy、APYsdcy、APZsdcy为SDCY站X、Y、Z方向的概略坐标；dNsdcysdjx、dEsdcysdjx、dUsdcysdjx为GAMIT/TRACK为解算出来的N方向的分量变化。其他各观测站的坐标计算如上。

2)计算各个观测站的标准差。对每个观测站计算出来的坐标进行标准差的运算。以SDYC为基准站，计算SDJX坐标的标准差公式如下：

(5)

(6)

(7)

3)计算点位误差。每个观测站会计算出X、Y、Z三个方向的标准差，对它们进行点位误差的运算。以SDCY为基准站计算所得SDJX坐标的点位误差计算公式如下：

(8)

式中：σsdcysdjx为以SDCY为基准站计算所得SDJX的X、Y、Z坐标的点位误差，其他各观测站的点位误差计算如上。

4)计算基准站的点位误差的均值。

(9)

2.2 精度计算

把6个观测站分别作为基准站，剩余的5个观测站作为流动站并且分别于基准站构成单基线，最终解算出6套结果数据。在计算出来的结果中包含着6个结果文件，其中以观测站本身命名的结果文件中的数值全部为0，剩余其他的结果文件中就包括观测的时间、观测的时间间隔以及该流动站相对于基准站在观测期间N、E、U三个方向上的位移分量。下面以SDCY作为基准站，其他5个观测站作为流动站解算出来的结果为例进行详细的分析说明。由SDCY观测文件中可以获取基准站的概略坐标XYZ，然后再根据结果文件中的N、E、U三个方向的分量计算出各个流动站的坐标，再计算出每个观测站坐标的中误差以及点位误差。按照以上步骤将剩余5个观测站的结果数据也进行同样的处理。

各个观测站进过计算所得的点位误差以及点位误差的均值见表1、表2。

表1 各个观测站的点位误差Tab.1 Position errors of each observation station 单位：m

表2 各个基准站的点位误差平均值 Tab.2 Average position error of each reference station 单位：m

3 运动规律分析

经过精度分析，将稳定性相对较好的SDJX站作为基准站，之后利用以SDJX为基准站计算所得的数据进行其他各个观测站的运动规律分析。

3.1 永久位移

要想知道观测站在开始记录数据与停止记录数据时的瞬时位置变化，就要进行永久位移的分析，把最后时刻观测站的位置坐标与起始时刻观测站的位置坐标进行运算，得到观测站的永久位移。

从表3可以看出在N方向上SDLY观测站的永久位移变化最大，SDYT观测站的变化最小；在E方向上TAIN观测站的永久位移变化最大，SDZB观测站的变化最小；U方向上SDZB观测站的永久位移变化最大，SDYT观测站的变化最小。各测站在东西方向和垂直方向发生的位移总变化较大，在南北方向受到的影响较小。

表3 以SDJX为基准站其他五个观测站在N、E、U三个方向上的永久位移Tab.3 Permanent displacements of other five observation stations in three directions of N、E、U with SDJX as reference station 单位：m

3.2 震时位移

3.2.1N、E、U三个方向上的震时位移变化

在计算过程中将各个观测站的所有坐标全部减去该观测站开始记录时的第一个坐标数据，为了将各个观测站的变化曲线区分开来，又在上述计算所得数据的基础上分别加上了不同的数值数，图1为各个观测站在N、E、U三个方向上的位移变化情况，其中图1a、图1b、图1c分别为各个观测站在N、E、U方向上的震时位移变化。

(a)N方向

从图1a可以看出在N方向上SDYT观测站最先受到影响开始发生位移的变化，接着SDCY观测站开始变化，剩余三个观测站发生位移变化的时间相隔较短，在整个观测过程中，TAIN和SDLY总体向北方向移动，其他三个观测站总体上向南方向变化。从图1b可以看出SDYT最先发生明显的位移变化，各个观测站位移变化的最高峰都出现在400～550 s之间，在整个观测过程中，SDLY和TAIN总体上向东方向移动，其他三个观测站总体上发生了西方向的位移变化。从图1c可以看出SDCY和SDYT最先受到影响开始发生位移的变化，其他三个观测站位移开始发生明显变化的时间大致相同。在500 s左右的时候各个观测站达到了位移变化的一个波峰，在整个观测过程中，SDZB和TAIN有垂直地面向上运动的趋势，位移逐渐垂直地面向上变化，其余三个观测站有垂直地面下移的趋势。

3.2.2 三维位移变化

图2为各基准站的三维运动轨迹，其中图2a、图2b、图2c、图2d、图2e分别为SDCY观测站、SDYT观测站、SDLY观测站、SDZB观测站、和TAIN观测站在受到地震的影响之后所发生的三维位移变化。可以看出SDCY观测站在垂直地面的上下方向上变化的幅度较大，在东西方向和南北方向大致呈圆圈形状变化；SDYT观测站在垂直地面的上下方向上变化的幅度较小，在东西方向和南北方向大致呈圆圈形状变化；SDLY观测站在垂直地面的上下方向上变化的幅度相对较大，在东西方向和南北方向大致呈圆圈形状变化；SDZB观测站在垂直地面的上下方向上变化的幅度较大，在东西方向和南北方向分别呈线性形状变化；TAIN观测站在垂直地面的上下方向上变化的幅度较大，在东西方向变化较小，在南北方向大致呈线状变化。

(a)SDCY测站三维运动轨迹

4 结论与讨论

本文利用以SDJX(山东嘉祥)为基准站解算所得的数据对各个观测站进行了N、E、U三个方向上的位移变化分析。分析结果表明：各个观测站所处地区在东西方向和垂直方向受到日本地震的影响较大，在南北方向受到的影响相对较小，断裂带西侧的观测站有向西移动的趋势，东侧观测站有向东运动的趋势，进一步研究发现位于北侧的观测站发生的位移大于南侧观测站所发生的位移变化，说明在日本地震期间，沂沭断裂带向两侧发生了扩张的变化，而且北侧的扩张程度相对较大。

随着技术的发展和GPS接收机存储数据的能力不断提高，高频GPS技术逐渐运用于精度要求较高的观测领域，比如监测震时地表位移变化以及进行地表变形的监测等。高频GPS记录到了2011年3月11日日本Ms 9.0级大地震发生时，沂沭断裂带两侧地表真实的运动方式及其运动规律，为以后该区域发生地震时的震时情况判断以及在地震发生之后进行相应的应急防范措施提供了参考依据。在后续的研究中将利用遥感技术手段对震后研究区内地物的变化进行监测，分析地震对地物变化产生的影响。