劉辛中 李拴虎 宋成科
摘要:采用統(tǒng)一的參考框架和數(shù)據(jù)處理方案,對(duì)中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)GPS連續(xù)觀測(cè)站自2010年6月正式運(yùn)行以來(lái)所有觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,得到可靠的連續(xù)站坐標(biāo)時(shí)間序列結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,對(duì)GPS連續(xù)觀測(cè)時(shí)間序列出現(xiàn)的非線性、非周期性異常變化,開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研核實(shí)與分析,梳理異常GPS觀測(cè)站的環(huán)境變化情況并確定可能影響因素,針對(duì)樹(shù)木等遮擋物對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響,選取部分測(cè)站的已有數(shù)據(jù)通過(guò)人為設(shè)定環(huán)視角、屏蔽部分衛(wèi)星信號(hào)等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明環(huán)視角提高對(duì)垂向的影響大于水平方向,當(dāng)環(huán)視角提高到20°時(shí)可以有效地改善多路徑效應(yīng)引起的影響,對(duì)凈化原始數(shù)據(jù)很有利,環(huán)視角增大到30°時(shí)坐標(biāo)的精度下降比較明顯;屏蔽部分衛(wèi)星信號(hào)在一定程度上能夠提高坐標(biāo)的精度,但比較繁瑣,不適合處理大規(guī)模的數(shù)據(jù),對(duì)個(gè)別流動(dòng)站不超過(guò)4天的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和改正具有一定可行性。
關(guān)鍵詞:陸態(tài)網(wǎng)絡(luò);GPS;時(shí)間序列;異常核實(shí);多路徑效應(yīng)
中圖分類號(hào):P315.725 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-0666(2018)03-0472-08
0 引言
GPS連續(xù)觀測(cè)已成為現(xiàn)今主要的地殼形變觀測(cè)手段之一,被廣泛應(yīng)用于區(qū)域地殼形變分析(甘衛(wèi)軍等,2005;許厚澤,熊熊,2004;江在森等,2004;周海濤等,2017)、強(qiáng)震形變場(chǎng)監(jiān)測(cè)(王敏等,2011;楊國(guó)華等,2007;朱爽,周偉,2015)、地震中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)(尹繼堯等,2007)、全球板塊模型建立(Kogan,Steblov,2008)等,對(duì)于揭示其它手段難以認(rèn)知的地球物理現(xiàn)象起到了重要作用。中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)GPS連續(xù)觀測(cè)站自2010年6月正式運(yùn)行以來(lái),已積累了260個(gè)臺(tái)站約8年的觀測(cè)資料。其運(yùn)行為大地測(cè)量學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)研究提供了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)為我國(guó)的地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供了更為完善的數(shù)據(jù)支持(張風(fēng)霜,占偉,2015)。
由于陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)站建站初期選址在視野開(kāi)闊、地質(zhì)條件良好的地方,獲得的GPS連續(xù)資料數(shù)據(jù)質(zhì)量良好,對(duì)這些連續(xù)資料解算主要從優(yōu)化誤差模型和解算方案上進(jìn)行研究,如郭金運(yùn)等(2014)利用球冠諧分析建立單測(cè)站歷元偽距多路徑效應(yīng)與衛(wèi)星經(jīng)緯度之間的函數(shù)關(guān)系,提高定位的精度;王濤(2014)利用小波分析策略對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪預(yù)處理,有效地消除了GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)中接收機(jī)的隨機(jī)噪聲和多路徑效應(yīng)的影響,提高了解算精度。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和自然環(huán)境的變化,某些GPS連續(xù)站周圍環(huán)境發(fā)生了巨大變化,對(duì) GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響,目前對(duì)這類環(huán)境因素或人為因素引起的影響研究還相對(duì)較少或不夠深入。因此,本文在對(duì)中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)所有觀測(cè)站數(shù)據(jù)解算的基礎(chǔ)上,首先對(duì)出現(xiàn)異常的GPS觀測(cè)站時(shí)間序列進(jìn)行初步分析,并結(jié)合實(shí)地調(diào)研,有針對(duì)性地選取樹(shù)木、建筑等遮擋物這類影響因素引起的異常開(kāi)展實(shí)驗(yàn)性研究,優(yōu)化陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理方案,為異常識(shí)別與判定提供參考依據(jù)。
1 GPS資料概況及解算
本文采用中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(以下簡(jiǎn)稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)共260個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站自2010年以來(lái)的觀測(cè)數(shù)據(jù),其中網(wǎng)絡(luò)一期連續(xù)站33個(gè),網(wǎng)絡(luò)二期連續(xù)站227個(gè),參與解算的還有相同時(shí)間段內(nèi)的全球90個(gè)IGS觀測(cè)數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)解算采用統(tǒng)一的參考框架和數(shù)據(jù)處理方案。首先利用GAMIT獲得“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”連續(xù)站和IGS站的區(qū)域單日松弛解,計(jì)算中適當(dāng)約束IGS站坐標(biāo),而對(duì)“網(wǎng)絡(luò)工程”連續(xù)站給予較松弛的約束,同步觀測(cè)的測(cè)站較多時(shí),采用分區(qū)處理。再使用QOCA進(jìn)行整體平差、解算得到可靠的連續(xù)站時(shí)間序列結(jié)果。
GAMIT計(jì)算部分參數(shù)設(shè)置如下:RELAX模式;電離層延遲:采用LC-HELP對(duì)一階電離層進(jìn)行修正;光壓模型:BERNE(與SIO的全球解一致);對(duì)流層天頂延遲參數(shù)個(gè)數(shù):13;潮汐模型參數(shù):31;天線高計(jì)算模型:ELEV;大氣改正模型:GMF;觀測(cè)值定權(quán):隨高度角定權(quán);衛(wèi)星軌道約束:20cm;天頂延遲模型:PWL。
對(duì)獲得連續(xù)站時(shí)間序列剔除粗差、原因明確的突變,并進(jìn)行震后的同震位移改正,獲得精化的時(shí)間序列結(jié)果。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)部分GPS時(shí)間序列呈現(xiàn)非線性的上下波動(dòng),造成這種波動(dòng)的因素有許多,如連續(xù)站周圍環(huán)境發(fā)生變化,圖1為甘肅平?jīng)稣綠PS時(shí)間序列結(jié)果。甘肅平?jīng)鯣NSS基準(zhǔn)站觀測(cè)環(huán)境受到破壞,西北方向受到遮擋比較嚴(yán)重,2013年6月開(kāi)始東西向時(shí)間序列有明顯的向東偏移的趨勢(shì),2014年3月,中國(guó)地震局地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心對(duì)靜寧的大樹(shù)進(jìn)行了削高處理,此后東向偏移出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。
2 樹(shù)木等遮擋物對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響分析
針對(duì)樹(shù)木等遮擋物對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響,本文選取部分測(cè)站的數(shù)據(jù),通過(guò)人為設(shè)定環(huán)視角、屏蔽部分衛(wèi)星信號(hào)等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析遮擋前后數(shù)據(jù)解算結(jié)果的差異,總結(jié)測(cè)站環(huán)視角變化對(duì)觀測(cè)結(jié)果影響的規(guī)律。
2.1 人為設(shè)定環(huán)視角實(shí)驗(yàn)
2.1.1 觀測(cè)站選取與數(shù)據(jù)計(jì)算
通過(guò)對(duì)出現(xiàn)異常的觀測(cè)站進(jìn)行篩選,并經(jīng)過(guò)實(shí)地環(huán)境調(diào)研,選取甘肅天水、靜寧、平?jīng)?、蘭州測(cè)站作為人為設(shè)定高度角研究實(shí)驗(yàn)的測(cè)站,因?yàn)檫@4個(gè)觀測(cè)站站址四周都有高大樹(shù)木、建筑物等遮擋,對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響比較典型,而且無(wú)法通過(guò)屏蔽某一方向的衛(wèi)星信號(hào)減弱對(duì)觀測(cè)質(zhì)量的影響,參考框架和數(shù)據(jù)處理方案不變,通過(guò)提高高度角來(lái)減弱遮擋物對(duì)觀測(cè)質(zhì)量的影響,高度角分別設(shè)定為10°,20°和30°。
2.1.2 高度角實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
由于篇幅所限,文中只給出靜寧和平?jīng)稣靖叨冉欠謩e為20°,30°時(shí),與高度角為10°的N,E,U 3個(gè)方向的坐標(biāo)時(shí)間序列對(duì)比結(jié)果(圖2、3),由圖2a,3a可以看出,靜寧站和平?jīng)稣靖叨冉窃O(shè)定為20°時(shí),其水平方向坐標(biāo)時(shí)間序列和高度角與10°時(shí)的坐標(biāo)時(shí)間序列總體趨勢(shì)和量值基本一致,而垂直方向的坐標(biāo)時(shí)間序列總體趨勢(shì)與高度角為10°時(shí)相一致,但在量值上偏大;由圖2b,3b可見(jiàn),靜寧站和平?jīng)稣靖叨冉窃O(shè)定為30°時(shí),水平方向的坐標(biāo)時(shí)間序列和高度角為10°時(shí)的坐標(biāo)時(shí)間序列總體趨勢(shì)和量值也基本一致,但垂直方向上的坐標(biāo)值比高度角為10°時(shí)的坐標(biāo)值離散,可見(jiàn),高度角的提升對(duì)垂直方向的影響明顯大于水平方向。
本文還給出了靜寧站、平?jīng)稣靖叨冉欠謩e為20°和30°時(shí)與高度角為10°時(shí)的三維坐標(biāo)差異及其精度差的統(tǒng)計(jì)。由圖4,5和表1可知,靜寧、平?jīng)稣靖叨冉菫?0°和20°的坐標(biāo)差異值在3個(gè)方向大體符合正態(tài)分布,水平方向坐標(biāo)差異值在0.3 mm以內(nèi),垂直方向在6 mm以內(nèi);靜寧、平?jīng)稣靖叨冉菫?0°和30°的坐標(biāo)差異值在3個(gè)方向也大體符合正態(tài)分布,水平方向坐標(biāo)差異值在0.3 mm以內(nèi),垂直方向在9 mm以內(nèi);靜寧、平?jīng)稣驹诖怪狈较蛏细叨冉菫?0°和10°的坐標(biāo)差異值比高度角為20°和10°的坐標(biāo)差異值更離散;隨著高度角的增大,解算得到的三維站坐標(biāo)差異量值增大,并且垂直方向上的量值明顯大于水平方向,說(shuō)明高度角增大對(duì)垂向坐標(biāo)的影響大于水平向,當(dāng)高度角由20°增大到30°時(shí),由表1可以看出,蘭州站垂向坐標(biāo)最大平均差異量由5.98 mm增大至8.53 mm。
由不同高度角的坐標(biāo)精度值可以看出,坐標(biāo)精度值明顯都有峰值,不符合正態(tài)分布,但靜寧、平?jīng)稣靖叨冉菫?0°和20°時(shí)水平方向的精度差異值在0.1 mm以內(nèi),垂直方向在5 mm左右,而在
垂直方向精度差異值最大的是甘肅天水站,達(dá)到了5.3 mm;靜寧、平?jīng)稣靖叨冉菫?0°和30°時(shí)的水平方向精度差異值在0.3 mm以內(nèi),垂直方向精度差異值在20 mm左右,甘肅天水站垂直方向精度差異值仍最大,達(dá)到了20.8 mm。由此可見(jiàn)隨著高度角增大,水平向和垂直向的坐標(biāo)解算精度有所下降,而垂向解算精度隨著高度角的增大下降更為明顯。當(dāng)高度角增大到20°時(shí),垂向坐標(biāo)精度平均下降約4~5.5 mm,當(dāng)高度角增大到30°時(shí),垂向坐標(biāo)精度平均下降16~21 mm,因此我們認(rèn)為當(dāng)環(huán)視角提高到20°時(shí)獲得的結(jié)果精度可以接受,可以有效地改善多路徑效應(yīng)引起的影響,對(duì)凈化原始數(shù)據(jù)有利,而高度角為30°時(shí)獲得的坐標(biāo)值是不可信的。
2.2 屏蔽部分衛(wèi)星信號(hào)實(shí)驗(yàn)
2.2.1 觀測(cè)站選取依據(jù)及數(shù)據(jù)處理流程
本文選取了同仁、萬(wàn)州、廣州站3個(gè)GPS連續(xù)站進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選實(shí)驗(yàn),這3個(gè)觀測(cè)站代表了3種不同的類型,多路徑效應(yīng)的影響比較典型。通過(guò)TEQC軟件對(duì)這3個(gè)觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查,結(jié)果見(jiàn)表2。
數(shù)據(jù)篩選實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程:先用TEQC軟件檢核數(shù)據(jù)質(zhì)量生成繪圖文件,再用QCVIEW軟件顯示繪圖文件并分析和記錄多路徑誤差較大的衛(wèi)星時(shí)段,最后用TEQC的編輯功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯,對(duì)由于樹(shù)木遮擋產(chǎn)生較大多路徑觀測(cè)誤差的時(shí)段衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除,然后采用統(tǒng)一的參考框架和數(shù)據(jù)處理方案解算得到可靠的連續(xù)站時(shí)間序列結(jié)果。
2.2.2 數(shù)據(jù)篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果
TEQC+QCVIEW進(jìn)行預(yù)處理,可剔除較大多路徑效應(yīng)時(shí)段的衛(wèi)星數(shù)據(jù),由表3可知,預(yù)處理改正后的觀測(cè)數(shù)據(jù)mp1和mp2相應(yīng)減小,減小值為0.05~0.23,說(shuō)明能在一定程度上改善數(shù)據(jù)質(zhì)量,減弱多路徑觀測(cè)誤差,提高定位精度。由表3還可以看出,廣州站經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理改正后的3方向坐標(biāo)分量解算精度都有一定提高,萬(wàn)州站精度有微小提高,廣州站精度提高最為明顯。但這種方法也有弊端,QCVIEW繪圖是在DOS系統(tǒng)下,數(shù)據(jù)篩選的過(guò)程需要對(duì)各測(cè)站每天逐顆衛(wèi)星逐一檢查并記錄,過(guò)程繁瑣且容易出錯(cuò),對(duì)連續(xù)站長(zhǎng)時(shí)間段的樹(shù)木遮擋數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一檢查并改正費(fèi)時(shí)費(fèi)力,不太實(shí)際,對(duì)個(gè)別流動(dòng)站不超過(guò)4天的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和改正具有一定可行性。
這種方法是通過(guò)剔除多路徑觀測(cè)誤差大的衛(wèi)星時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理改正,整體來(lái)看有效率降低的幅度可以接受,但如果觀測(cè)數(shù)據(jù)本身有效率較低(嚴(yán)密遮擋、其它干擾等影響),如青海同仁站,采用這種方法改正后的數(shù)據(jù)解算精度并無(wú)改善,且會(huì)由于數(shù)據(jù)的剔除使得數(shù)據(jù)有效率進(jìn)一步降低而導(dǎo)致解算精度下降。
3 引起GPS連續(xù)站異常的其他因素
幾乎所有GPS連續(xù)觀測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列都呈現(xiàn)非線性的上下波動(dòng),造成波動(dòng)的因素包括GPS接收機(jī)及天線更換引起的突變、觀測(cè)墩底部變動(dòng)(夏峰等,2014;趙國(guó)強(qiáng)等,2013),地震引起的突變及長(zhǎng)時(shí)間衰變,外部未模型化或模型化不完善的長(zhǎng)期地球物理效應(yīng)以及內(nèi)部與GPS技術(shù)相關(guān)的誤差(王敏等,2005a;黃立人,2006;朱文耀等,2003)。地表流體負(fù)載的質(zhì)量再分布(如非潮汐海洋負(fù)載、大氣負(fù)載、冰期后回彈等),以及水文負(fù)載等地球物理效應(yīng)的作用,也可能使得測(cè)站發(fā)生非線性位移(李昭等,2012;梁洪寶等,2014,2015;姜衛(wèi)平等,2013)。另外,GNSS信號(hào)傳播過(guò)程中的對(duì)流層、電離層延遲模型改正的不完善,GPS天線的多路徑效應(yīng)(趙潤(rùn),趙治華,2009)等技術(shù)類誤差同樣是造成測(cè)站非線性變化的重要來(lái)源。相關(guān)研究表明,GPS數(shù)據(jù)處理模型及策略的不完善會(huì)導(dǎo)致GPS基準(zhǔn)站時(shí)間序列產(chǎn)生虛假的非線性變化(姜衛(wèi)平等,2013;王敏等,2005b;王敏,2007),而參考框架站的非線性變化會(huì)導(dǎo)致框架轉(zhuǎn)換參數(shù)的扭曲,并通過(guò)框架傳遞到未知點(diǎn),造成坐標(biāo)的失真。如果不考慮環(huán)境變化等影響直接對(duì)結(jié)果進(jìn)行形變分析和地球物理解釋,可能會(huì)得出與實(shí)際情況不符的結(jié)果,因此連續(xù)站周圍環(huán)境變化也導(dǎo)致時(shí)間序列的偏頗,例如周圍樹(shù)木長(zhǎng)高及建筑物的建設(shè)。此外,大地震的同震位移同樣會(huì)引起連續(xù)站時(shí)間序列的波動(dòng)(張風(fēng)霜,郭良廷,2014)。因此,對(duì)GPS連續(xù)觀測(cè)站的非線性異常變化進(jìn)行核實(shí)是利用GPS連續(xù)觀測(cè)時(shí)間序列進(jìn)行形變分析和震情跟蹤的基礎(chǔ)。
4 討論與結(jié)論
本文基于統(tǒng)一的參考基準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理方案獲取的部分陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GPS連續(xù)站資料時(shí)間序列結(jié)果表現(xiàn)出來(lái)的顯著的非線性、非周期性的異常變化特征,通過(guò)實(shí)地調(diào)研、數(shù)據(jù)解算實(shí)驗(yàn)、調(diào)閱最新的環(huán)視圖等方法對(duì)影響GPS連續(xù)資料質(zhì)量的因素進(jìn)行分類,并重點(diǎn)對(duì)遮擋較嚴(yán)重的天水、靜寧、平?jīng)?、蘭州站和數(shù)據(jù)量比較典型的廣州、萬(wàn)州、同仁站,分別通過(guò)選取人為設(shè)定環(huán)視角和屏蔽部分衛(wèi)星信號(hào)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,選取高度角為20°時(shí),可以有效地改善多路徑效應(yīng)引起的影響,對(duì)凈化原始數(shù)據(jù)很有利,但是過(guò)高的提高衛(wèi)星高度角會(huì)“篩掉”部分衛(wèi)星,提高衛(wèi)星高度角到30°時(shí),會(huì)使參與解算的衛(wèi)星數(shù)減少,影響解算精度;而通過(guò)TEQC+QCVIEW預(yù)處理剔除掉多路徑效應(yīng)嚴(yán)重時(shí)段的方法雖能在一定程度上改善數(shù)據(jù)質(zhì)量、提高結(jié)果的精度,但是加大了“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”大量連續(xù)數(shù)據(jù)處理的工作量。
因此,建議在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于發(fā)現(xiàn)異常的連續(xù)站盡快落實(shí)引起異常的因素,加大對(duì)出現(xiàn)異常原因的追究和異常性質(zhì)的判定,對(duì)于環(huán)境變化等可以處理的引起異常因素要及時(shí)排除,例如本文中甘肅天水連續(xù)站出現(xiàn)異常的原因是站址地勢(shì)較低且周圍樹(shù)木較高,地殼工程中心及時(shí)對(duì)觀測(cè)室周圍樹(shù)木進(jìn)行了清理,有效地降低了多路徑效應(yīng);對(duì)于一些客觀因素不能及時(shí)排除而引起異常的連續(xù)資料采用提高高度角到20°和“篩掉”部分多路徑影響嚴(yán)重的衛(wèi)星相結(jié)合的辦法,通過(guò)時(shí)間序列結(jié)果的比較分析來(lái)得出最終結(jié)果。
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Abstract In this paper,we calculated reliable coordinate time series of continues GPS stations of Crust Movement Observation Network Of China(CMONOC)by unified reference frame and data processing scheme since June 2010.And then non-linear and non-periodic abnormal changes from those coordinate time series have been carried out in-depth and detailed field verification and analysis to determine environmental changes and their influences.For the effect on the observation results from trees and other obstructions,we set data screening experiments by artificially set ring angle,shielding part of the satellite signal and other means based on part of existing coordinate time series.The results show that the effect on coordinate time series is that when the ring angle increases,the the precision for vertical direction is worse in contrast to horizontal direction.When the ring angle is increased to 20 degrees,the multi-path effect can be effectively improved which is very favorable for the purification of raw data.When the ring angle is increased to 30 degrees,the accuracy degree of coordinate time series significantly decreased.Shielding part of the satellite signal can improve the accuracy of coordinates to a certain extent,but not suitable when processing large-scale data.However,it is feasible,to a certain extent,to check and correct the data of individual mobile stations within 4 days.
Keywords:CMONOC;GPS;time series;anormaly verification;multipath effect