辽宁省GNSS连续观测站建设与数据质量分析

孔祥瑞，罗 勇

（1. 辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2. 四川省地震局，四川 成都 610044）

0 引言

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称GNSS）是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候三维坐标、速度及时间信息的空基对地的无线电导航定位系统。随着空间对地观测技术的快速发展，GNSS数据已经广泛应用于地壳形变，大地测量等领域，并且在地震预测及孕震分析等地震相关领域起到了至关重要的作用[1]。目前，为了更精确的获得辽宁地区现今地壳形变信息，结合中国大陆构造环境监测网络（简称“陆态网络”）在辽宁省境内现有5 个连续GNSS 观测站的分布情况，辽宁省地震局实施了“辽宁省前兆台网新增观测手段建设项目”，在现有5 个GNSS 连续观测站基础上，新建5 个连续GNSS观测站，进而补填监测空白区域，使观测站点更好的覆盖辽宁地区，实现对辽宁地区重大地震构造带郯庐断裂带和辽宁地区主要发震断裂活动区域的监测，进而达到辽宁地区地震预报长、中、短临预测对形变观测数据的需求。

通过简要介绍本次建设的5 个辽宁省GNSS连续观测站土建工程中不同观测墩施工方式，以及处理分析运行一年积累的观测数据，进而评价了基准站的周围环境和仪器自身的稳定性，为GNSS 连续观测站的建设、维护及升级改造提供了参考。

1 辽宁GNSS连续观测站基本概况

目前，陆态网络在辽宁地区共建设5 个连续运行的GNSS 基准站，分别是辽宁沈阳（LNSY）、 辽宁营口（LNYK）、 辽宁丹东（LNDD）、辽宁金州（LNJZ） 和辽宁葫芦岛（LNHL），虽然基本满足辽宁地区GPS地壳运动监测的需求，但对辽宁地区内主要断裂的活动性监测依然存在不足。为了更好地监测辽宁省内主要断裂活动，如郯庐断裂带、金州断裂带，辽宁省地震局新建抚顺、建昌、鞍山、岫岩、桓仁5个GNSS连续观测站（图1）。

本次新增5 个GNSS 连续观测站均为TrimbleNetR9 接收机，Trimble GNSS-TI 扼流圈天线，能够接收GPS、GLONASS、北斗和伽利略等多个定位导航系统，点位选择和施工建设严格按照《全球定位系统（GPS） 测量规范》（GB/T18314—2009）和《地壳运动监测技术规程》要求，最大程度减小多路径和周跳等因素造成的误差，为GNSS 观测数据资料的后续使用和分析应用提供质量保障[2-3]。

2 GNSS基准站的土建工程

GNSS连续观测站的土建工程主要包括观测墩、观测室以及防雷工程三部分，本文将介绍观测墩施工建设中所采取的施工办法和技术。本次建设的5 个站点观测墩包含基岩观测墩和土层观测墩，根据本项目要求，对于基岩深度不超过10 m的地区做基岩点设计，超过10 m地区做土层点设计，基岩观测墩和土层观测墩在技术要求上略有不同，且施工方案也存在一定差异。

2.1 观测墩基坑处理

2.1.1 基岩点观测墩

基岩观测墩需要钢筋混凝土与基岩完整固定一起。由于漏出基岩或埋藏基岩表面存在风化现象，开挖到基岩后需首先将基岩表面风化层清除。同时为了保证基岩的完整性以及钢筋混凝土与基岩固定紧密接触，开挖方式选取人工挖掘。开挖时需采取安全措施，开挖边界使用混凝土井圈进行护壁以防止土方滑坡，当井圈下沉后可继续安装直至达到基岩深度为止。对基岩风化层清理后再向下开凿0.5 m，并对开凿后的基岩表面打0.4 m的钻孔，以让钢筋笼下部插入基岩中，使之与基岩固定。

2.1.2 土层点观测墩

土层点观测根据技术规范和本次项目设计要求与基岩点观测墩施工总体一致，但存在细节差别，如基岩点设计观测墩地下部分需与基岩紧密接触，而土层点浇筑深度根据设计规范以及技术章程要求，应不少于10 m。由于部分点位水层较浅，以本次施工点南山城站点为例，该站含水层深度为7.5 m，为保障施工安全，停止人工挖掘，更换钻孔机械设备继续施工。为保证观测站点稳定性，钻孔穿过水层后继续增加地下深度，直至达到基岩，深度共计14 m。水下混凝土浇筑方法选择导管法浇注，将混凝土搅拌物送至底端，并使导管底部埋置混凝土内部，该操作为本次施工重要部分，也是确保混凝土质量的关键步骤。

2.2 观测墩墩体浇铸

GNSS观测墩分为地上、地下两部分，采取一体建筑方式一次性浇筑完成，其施工质量取决于本次浇筑的混凝土强度、观测墩表面光滑度以及观测墩墩体垂直与平整度。本次混凝土浇筑首先将钢筋笼主钢筋插入基岩钻孔并进行浇筑固定，以保证混凝土建筑与基岩充分接触，然后至下而上浇筑，浇筑同时用振动棒震荡，土层点地下部分一般埋藏较深，需保证混凝土达到充分震动，以减少气泡产生。地面部分首先固定钢筋笼和模具位置，利用铅锤、水平尺等工具保证其垂直度、平整度以及钢筋笼是否位于模具中心位置。浇筑时利用振动棒震动同时轻敲模具外壁，以达到减少汽泡产生、确保观测墩表明光滑度的目的。

当浇筑完成后，需将天线预埋件、水准点进行安置。预埋件须严格居中、整平，利用圆水准器对预埋件进行整平后，每2 小时进行一次校准居中，直至预埋件与混凝土固定牢固。至此观测墩施工基本全部完成。

防雷改造工程施工应选择土壤条件较好的空地，开挖宽度0.5 m、深度0.8 m 的沟槽，把2.5 m 长、直径50 mm 的镀锌钢管垂直打入地下，作为地网的垂直接地体；钢管之间使用石墨材料防雷模块以达到降低电阻目的；用40×4 mm 的镀锌扁钢沿沟槽把垂直接地体的镀锌钢管和防雷模块焊接，焊接处要做防腐处理。由于观测室及防雷改造对数据自身影响不大，本文不做过多介绍。

3 GNSS基准站数据质量分析

3.1 观测墩墩体稳定性分析

为了验证观测墩及仪器数据稳定性，选用仪器运行一年后的数据（2020 年）进行处理，同时加入辽宁地区陆态网络数据（沈阳、金州、营口、丹东），统一利用GAMIT/GLOBK 软件进行解算，处理轨道策略选用固定轨道参数解算，获取单日解，进而获取各个连续站点的时间序列曲线（图2），通过与陆态网络时间序列曲线对比，分析新建GNSS观测站自身稳定性。

图2 辽宁地区GNSS观测站原始坐标时间序列Fig.2 Data series of GNSS station in Liaoning area

通过2020 年全年数据对比可以得出：在统一框架下，不同站点的北向、南向、垂直运动基本一致。其中抚顺南山城站（LNSC）由于施工而导致数据传输故障缺数，本溪桓仁站（LNHR）3 分量在2020 年7 月之后存在小幅加速的现象，初步分析认为是夏季降雨水库水位上升造成的应力变化所致。

总体来看，本次施工建设的土层点与基岩点观测墩墩体在稳定性上均满足GNSS 连续站的观测要求，本溪桓仁站由于雨季水库蓄水影响，存在一定干扰因素。

3.2 观测数据质量检核

本文主要使用TEQC 软件质量检核功能，TEQC（Translation，Editing and Quality Checking）是对GNSS 观测数据进行预处理软件[4]，由UNAVCO Facility（美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体）研制的为地学研究GPS监测站数据管理服务的公开免费软件，主要功能有格式转换、编辑和质量检核。目前该软件在处理分析数据质量方面得到了广泛的应用[5-7]，其检查结果信息储存在.S 报告文件中，其中主要结果参数为L1，L2载波所对应的的多路径效应Mp1和Mp2，以及观测值与周跳比o/slps。o/slps 越小说明周跳影响越大。为更直观体现周跳对数据的影响，本文通过每千历元的周跳数CSR来表示周跳影响：

多路径效应指标Mp1，Mp2通过下式得到：

式中P1、P2为L1、L2载波上观测获得的伪距观测值；∅1、∅2为L1、L2载波相位观测值；α为L1、L2波段的频率f1、f2的平方比，即α =(f1/f2)2。Mp1、Mp2所反映的主要信息是伪距的多路径效应变化，例如GNSS 接收天线周边存在如树木，建筑对卫星信号产生遮挡，超高压线路产生的磁场变化、电离层变化，卫星信号反射产生的多路径效应，还有接收机自身性能等等因素均会产生低信噪比的信号导致周跳产生[8]。

3.2 数据质量检核结果

本文利用TEQC 在qc-full 模式，对辽宁新建5个GNSS 连续观测站累积的数据进行质量检查，数据选取2020 年全年各个站每个月数据均值进行统计（表1）。其中抚顺南山城观测站点由于仪器维护，导致6—8 月数据缺失未进行统计。

表1 辽宁地区GNSS连续观测站CSR、Mp1、Mp2月均值统计表（2020年）

从表1可见，各个连续观测站的CSR、Mp1、Mp2变化都比较平稳，其中多路径效应指标Mp1、Mp2值均小于0.5，符合地壳运动监测技术规程中要求的0.5的指标，这也说明伪距的多路径效应变化对数据质量的影响不大，因而周跳数值也很低。从CSR 时间序列图来看（图3），CSR值在0~4范围波动，结果表明数据质量良好[9]。

图3 辽宁地区GNSS连续站CSR值Fig.3 CSR values of GNSS continuous stations in Liaoning

从CSR 与时间关系来看，岫岩台CSR 值在6—10 月份存在先上升后下降的一个过程，7、8 月份达到最高值，这一现象与观测站点的观测环境相关。该观测点南向存在树林遮挡影响，树林位于观测站南向20米处，高约12米，相对天线位置高度角约为25°，尽管对树木进行了修剪，但对其仍有部分影响。尤其夏季树木相对茂密，导致多路径增强，进而CSR值升高。

鞍山台与岫岩台环境类似，存在树木影响，树木相对不高，约为3 m，而GNSS 观测墩高4 m。由于夏季树木枝叶相对茂盛，且雨后容易产生水汽干扰，会对数据质量产生一定的影响，从图3 中也可以看出鞍山5—8 月份CSR 均值明显高于其他月份。由于篇幅限制，本文选取鞍山台2020年1月28日和2020年7月28日天空图中的多路径影响进行对比，分析发现7 月28 日总体误差略高于1 月28 日，4 h~16 h 较为明显，且高度角越小干扰越大（图4）。结合7 月27 日鞍山地区存在降雨，综合分析认为密集的树木会对数据质量产生一定影响，其主要影响因素是受水汽干扰影响导致的多路径效应，但影响有限，观测数据符合技术要求。

图4 2020年1月28日和2020年7月28日天空图对比Fig.4 Comparison of sky map between January 28，2020 and July 28，2020

从图5 中可以看出：各个观测站Mp1值、Mp2值平均值均未超过0.5。根据观测场地环境分析，岫岩站200 m 处存在高压线路传输干扰，但其数据质量相对其他站点并未出现明显差别，因此有理由认为与高压线路保持足够的距离可以降低其干扰，尽管输电线与塔体结构均为金属材质，但相比其他面状结构，其组成的反射面很小，并且高压线路产生的影响随距离衰减俞发明显[10]，相比下，站点旁的2 层办公楼对其产生的多路径效应和卫星高度角影响要大于电高压线路的影响[11-12]，桓仁、建昌站与岫岩环境一致，距离天线10 米处存在2 层办公楼等建筑，而南山城办公楼距离接收机150 m，周边无建筑遮挡，遮挡高度角不超过10°，相比之下其Mp1、Mp2值也优于其他观测站。

图5 辽宁地区GPS连续站Mp1，Mp2值Fig.5 Mp1 and Mp2 values of GPS continuous stations inLiaoning area

4 结论

（1）从2020 年观测数据时间序列曲线来看，本次设计10 m 深的土层点与基岩点在时间序列变化速率上一致，且与陆态网络站点对比分析，其曲线形态基本相同，可以得出本次建设的连续观测站均满足观测需求，但本溪桓仁站点由于水库影响，导致其受季节性干扰明显。在以后选点堪选中需注意。

（2）本文利用TEQC 软件对GNSS 区域站观测数据质量检测，通过对辽宁地区2019 年建设的5 个GNSS 站2020 年数据进行处理，结合各个站点的环境影响，对观测数据质量和软件结果联合分析，进而验证进该方法的适用性。从结果可以看出：观测数据质量是否合格与观测站周围环境密切相关，因此建设GNSS 区域站选址方面，应重点考虑环境因素。

（3）不同干扰因素对数据质量影响也各不相同，在符合技术规范要求下，高压线路和铁塔产生对数据产生的影响很小，而周边建筑对数据质量产生的影响依然可见，具体体现为多路径效应。而树木对观测数据的影响不仅体现在卫星信号遮挡上，低于接收机高度的树木产生的水汽对数据质量也会有一定影响，其影响程度随季节变化而不同，夏季雨后尤为突出。

（4）通过对观测数据质量分析，结果表明各站点数据质量良好。个别观测站指标相对较高的原因与这几个基准站周围的树木产生的水汽和房屋遮挡有关，可作为后续对基准站周围环境进行管理维护的依据。

致谢：文中陆态网GNSS 数据由中国地震局台网中心及一测中心提供，在此表示感谢！