甘衛(wèi)軍

引言

GPS（GlobalPositioningSystem） 是 美國(guó)國(guó)防部歷時(shí)20年（1973.12—1994.03）、耗資300億美元研發(fā)建成的第二代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其建設(shè)初衷主要是為海、陸、空三軍提供全世界、全天候、全時(shí)段的導(dǎo)航、定位和授時(shí)保障，同時(shí)兼顧部分民用。GPS在最初的設(shè)計(jì)中并未包含高精度測(cè)量功能，即GPS空間大地測(cè)量技術(shù)（圖1），是后來(lái)由美國(guó)宇航局（NASA）和麻省理工學(xué)院（MIT）的幾位空間大地測(cè)量學(xué)家基于已有的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI,VeryLongBaselineInterferometry）原理，額外地開(kāi)發(fā)了這一特別的民用功能，隨即被公認(rèn)為GPS最引人注目的亮點(diǎn)成就之一。

圖1 GPS系統(tǒng)及GPS大地測(cè)量基本原理示意圖

1981年，全球第一套商業(yè)化大地測(cè)量型GPS設(shè)備（TI-4100）在美國(guó)問(wèn)世，這是GPS大地測(cè)量技術(shù)正式投入使用的里程碑事件。與傳統(tǒng)的大地測(cè)量相比，現(xiàn)代GPS大地測(cè)量技術(shù)不僅將精度提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，而且將效率提升了千萬(wàn)倍。具體到大地測(cè)量應(yīng)用中最具挑戰(zhàn)的地殼運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造變形監(jiān)測(cè)——從全球板塊運(yùn)動(dòng)到局域斷層滑動(dòng)，目前的GPS大地測(cè)量技術(shù)均能做到“四高四全”的觀測(cè)，即高精度、高效率、高機(jī)動(dòng)、高動(dòng)態(tài)；全天候、全時(shí)段、全自動(dòng)、全維度。具體而言，①基于靜態(tài)模式的GPS觀測(cè)，能夠以毫米級(jí)精度獲得任意觀測(cè)站在全球參考框架下的精確坐標(biāo)，水平誤差約2mm，垂直誤差約4mm，由此可有效分辨站點(diǎn)位置每年幾毫米量級(jí)的微弱變化?；蛘撸軌蛞詠喞迕咨踔粮〉挠^測(cè)誤差，確定相距數(shù)百乃至上千公里的任意兩站的精確距離；②基于動(dòng)態(tài)模式的單歷元GPS觀測(cè)，能夠以高達(dá)50Hz的采樣率（或0.02秒的時(shí)間步長(zhǎng)）和優(yōu)于15mm的三維坐標(biāo)精度，獲得強(qiáng)震發(fā)生時(shí)地表高動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。因此，集“高、精、尖、全”于一體的現(xiàn)代GPS大地測(cè)量技術(shù)，為各種規(guī)模尺度的地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了革命性的技術(shù)手段。在上世紀(jì)80年代后期，我國(guó)瞄準(zhǔn)這一高新技術(shù)所帶來(lái)的機(jī)遇，與國(guó)際準(zhǔn)同步地開(kāi)啟了GPS地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)的實(shí)踐應(yīng)用。

GPS地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)里程

（一）基于國(guó)際合作的開(kāi)啟階段（1988—1991）

我國(guó)基于GPS大地測(cè)量技術(shù)的地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)，最早可追溯到3項(xiàng)重要的國(guó)際合作。

1.中德紅河斷裂帶GPS觀測(cè)合作項(xiàng)目

1988年，國(guó)家地震局地震研究所與德國(guó)漢諾威大學(xué)大地測(cè)量研究所合作，在滇西地震試驗(yàn)場(chǎng)沿紅河斷裂帶兩側(cè)布設(shè)了16個(gè)GPS觀測(cè)站（圖2），并于1991年進(jìn)行了復(fù)測(cè)?；趦善谟^測(cè)的GPS基線變化，定量確定出劍川—麗江斷裂的現(xiàn)今活動(dòng)比紅河斷裂更強(qiáng)烈，故推測(cè)其具有更高的地震危險(xiǎn)性。1996年2月，在劍川—麗江斷裂中段發(fā)生了麗江7.0級(jí)地震，較好地印證了這一推測(cè)，并由此展現(xiàn)出GPS大地測(cè)量技術(shù)在地震監(jiān)測(cè)方面的巨大潛力。

2.中美青藏高原東部及鄰區(qū)GPS觀測(cè)合作項(xiàng)目

1991年，地質(zhì)礦產(chǎn)部成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所和美國(guó)麻省理工學(xué)院合作，在青藏高原東部及鄰區(qū)，布設(shè)了27個(gè)GPS觀測(cè)站（圖2），通過(guò)1991—1995年的4期觀測(cè)，定量地初步勾畫(huà)了青藏高原東南緣現(xiàn)今構(gòu)造變形的東向逃逸和順時(shí)針渦旋等特征，為研究青藏高原隆升擴(kuò)展的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了重要約束。

3.中美意跨喜馬拉雅GPS觀測(cè)合作項(xiàng)目

1991年，美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校和意大利里雅斯特大學(xué)牽頭的跨喜馬拉雅GPS觀測(cè)合作項(xiàng)目，實(shí)施了青藏高原5個(gè)GPS觀測(cè)的布設(shè)和觀測(cè)，我國(guó)的西安地質(zhì)學(xué)院、四川省地震局、新疆地震局等單位協(xié)助。

這些國(guó)際合作，開(kāi)啟了我們對(duì)GPS地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)的實(shí)踐，培養(yǎng)和鍛煉了國(guó)內(nèi)最早一批GPS大地測(cè)量專(zhuān)家，尤為受益的方面是GPS數(shù)據(jù)處理技術(shù)，為日后我國(guó)GPS地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)的自主大力發(fā)展奠定了至關(guān)重要的基礎(chǔ)。

（二）自主嘗試階段（1991—1995）

在“八五”期間，隨著美國(guó)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建成和國(guó)際上GPS地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)研究的蔚然興起，我國(guó)的GPS地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)亦進(jìn)入了自主布網(wǎng)、全面嘗試的發(fā)展階段。

1992年，國(guó)家攀登計(jì)劃開(kāi)展了“現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)與地球動(dòng)力學(xué)”研究項(xiàng)目，率先在全國(guó)布設(shè)了包含22站的“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)”。與此同時(shí)，由國(guó)家地震局的統(tǒng)一部署，在中國(guó)大陸一些重要的構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域，地震研究所、第一地形變監(jiān)測(cè)中心、第二地形變監(jiān)測(cè)中心、山西省地震局、福建省地震局和新疆地震局等單位陸續(xù)布設(shè)了局域性GPS地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)（圖2、表1）。

表1 “八五”期間部分GPS地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)

圖2 中國(guó)大陸最早期的GPS地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)（改編自游新兆等，1998）

需要指出的是，鑒于1990年代初期GPS大地測(cè)量觀測(cè)設(shè)備尚稀少昂貴，故當(dāng)時(shí)的主要觀測(cè)方式為間歇性的流動(dòng)式重復(fù)觀測(cè)，即每隔一段時(shí)期（如1年或數(shù)年），以會(huì)戰(zhàn)的方式對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行一次復(fù)測(cè)，每站的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為幾小時(shí)至幾十小時(shí)。而現(xiàn)今的GPS觀測(cè)，已逐漸趨向于以連續(xù)觀測(cè)方式為主，即一站一套固定設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期的永久觀測(cè)。

（三）整體布局階段（1996—2001）

隨著GPS大地測(cè)量技術(shù)的全面成熟，我國(guó)在“九五”期間實(shí)施了國(guó)家重大科學(xué)工程“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”，由中國(guó)地震局牽頭聯(lián)合總參測(cè)繪局、中國(guó)科學(xué)院和國(guó)家測(cè)繪局，以統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一規(guī)程、統(tǒng)一部署和統(tǒng)一驗(yàn)收的先進(jìn)管理方式，建成了覆蓋中國(guó)大陸及部分島礁的“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”（圖3）。

圖3 中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)GPS站分布圖

該GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括27個(gè)連續(xù)觀測(cè)的GPS基準(zhǔn)站，56個(gè)年度復(fù)測(cè)的GPS基本站和1000個(gè)不定期復(fù)測(cè)的GPS區(qū)域站。其中，基準(zhǔn)站和基本站較為均勻地分布于中國(guó)大陸，主要監(jiān)測(cè)一級(jí)構(gòu)造塊體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。而區(qū)域站的70%密集分布于一系列主要斷裂帶和地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)，直接監(jiān)測(cè)斷裂運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造變形，服務(wù)于地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)和地球科學(xué)研究。其余的30%相對(duì)均勻地分布在中國(guó)大陸，站距大約為250～350km，主要服務(wù)于軍事測(cè)繪保障和基礎(chǔ)測(cè)繪需要。

“九五”國(guó)家重大科學(xué)工程“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”的實(shí)施，最大的成就之一是制定了《中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)技術(shù)規(guī)程》，并進(jìn)行了GPS觀測(cè)站建設(shè)和應(yīng)用的引領(lǐng)示范。在隨后的二十多年間，中國(guó)地震局下屬的一系列省局和研究所，根據(jù)各自的關(guān)注區(qū)域和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，加密建設(shè)了數(shù)以千計(jì)的地殼運(yùn)動(dòng)GPS觀測(cè)站，如南北地震帶的GPS加密觀測(cè)、973專(zhuān)項(xiàng)《活動(dòng)地塊邊界帶的動(dòng)力過(guò)程與強(qiáng)震預(yù)測(cè)》在鮮水河斷裂帶的GPS加密觀測(cè)、山西地震局和陜西地震局在鄂爾多斯周緣地塹的GPS加密觀測(cè)、四川地震局的成都連續(xù)GPS觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)等等。

由于GPS大地測(cè)量的最大優(yōu)勢(shì)之一是觀測(cè)資料在“時(shí)-空”兩方面的全球關(guān)聯(lián)性，即我們按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)各自建設(shè)和觀測(cè)的區(qū)域性GPS觀測(cè)網(wǎng)，能夠完全地合并至中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，使其不斷地得以加密、補(bǔ)充和擴(kuò)展。

“九五”階段建成的中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，從設(shè)計(jì)理念、涵蓋范圍、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面，均到達(dá)了同期國(guó)際先進(jìn)水平，因而與全球著名的日本GEONET、美國(guó)PBO形成了三足鼎立之勢(shì)，受到了全球的廣泛關(guān)注。不過(guò)，該時(shí)期我們基于國(guó)情以流動(dòng)GPS觀測(cè)為主的運(yùn)行模式，因無(wú)法滿(mǎn)足連續(xù)化地殼形變監(jiān)測(cè)的需求，日后的大幅升級(jí)改造成為必然。

（四）升級(jí)加密階段（2006—2012）

2001年，也就是在“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”建成之初就制定了二期發(fā)展的規(guī)劃。進(jìn)入“十一五”階段，在國(guó)家發(fā)改委的大力資助下，在2007—2012年期間實(shí)施二期工程，全面升級(jí)改造為“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”（簡(jiǎn)稱(chēng)“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”）。

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)由中國(guó)地震局牽頭，聯(lián)合總參測(cè)繪局、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家測(cè)繪局、中國(guó)氣象局和教育部共同建設(shè)。其連續(xù)GPS觀測(cè)站數(shù)量由原來(lái)27站增加至260站；流動(dòng)GPS觀測(cè)站數(shù)量由原來(lái)1000站增加至2000站；原來(lái)基本網(wǎng)的56個(gè)定期流動(dòng)GPS觀測(cè)站，部分升級(jí)為連續(xù)觀測(cè)站，部分納入2000流動(dòng)GPS觀測(cè)站（圖4）。

圖4 中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)GNSS站分布圖

需要指出，在“十一五”階段的二期工程中，鑒于國(guó)際上其他三大衛(wèi)星系統(tǒng)——俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）、歐 盟 的 伽 利 略（GALILEO）和中國(guó)的北斗（BDS）相繼發(fā)展，我們嘗試將以往單一依靠的GPS大地測(cè)量技術(shù)，拓寬為GNSS大地測(cè)量技術(shù)。但時(shí)至今日，由于三大系統(tǒng)各自的種種原因，再加之IGS（InternationalGNSSService，國(guó)際GNSS服務(wù)）“幕后支撐”的乏力，譬如，無(wú)法為BDS和GLONASS提供足夠精度的衛(wèi)星鐘差改正模型和衛(wèi)星軌道等等，GLONASS、GALILEO和BDS的大地測(cè)量定位精度尚不能滿(mǎn)足毫米級(jí)地殼運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造變形的監(jiān)測(cè)需求，故在“精細(xì)”地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，GPS大地測(cè)量技術(shù)仍然保持著一枝獨(dú)秀的引領(lǐng)地位。

二期工程陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施，建成了覆蓋中國(guó)大陸及近海的高精度、高時(shí)-空分辨率的地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以完整、連續(xù)、可靠的綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品，服務(wù)于地震預(yù)測(cè)、科學(xué)研究、軍事測(cè)繪、大地測(cè)量和氣象預(yù)報(bào)等多學(xué)科領(lǐng)域，使我國(guó)在空間對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用水平躍入國(guó)際先進(jìn)行列。

在GPS大地測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用提升方面，最大的亮點(diǎn)是我國(guó)自主研發(fā)了一系列應(yīng)用軟件，包括GNSS觀測(cè)網(wǎng)運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)、GNSS精密定軌定位、GNSS精密單歷元定位、GNSS水汽含量處理分析、可移動(dòng)基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)定位服務(wù)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了大型GNSS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理和高精度數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的自主可控。

（五）引領(lǐng)國(guó)際階段（2015—）

近年來(lái)，中國(guó)大陸以增強(qiáng)導(dǎo)航定位精度和（或）服務(wù)實(shí)時(shí)工程測(cè)量為主要目的GNSS地面參考站（CORS）數(shù)量正在迅猛增加，全國(guó)各省（直轄市）或許多城市，都有自己的“連續(xù)GNSS參考站網(wǎng)系統(tǒng)”，平均的站間距通常在60～80km。根據(jù)粗略的統(tǒng)計(jì)，這樣的連續(xù)GNSS觀測(cè)站總數(shù)不少于30000站。此外，一些行業(yè)部門(mén)，如中國(guó)氣象局、國(guó)土資源部、國(guó)家海洋局等部門(mén)，也陸續(xù)布設(shè)了總數(shù)愈千的連續(xù)GNSS觀測(cè)站。與之相比，我們目前專(zhuān)門(mén)針對(duì)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)的數(shù)百個(gè)連續(xù)GNSS觀測(cè)站，數(shù)量?jī)H為其零頭。

圖7 基于1991—2004年GPS觀測(cè)的中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)圖（Niuetal.,2005,ChineseScienceBulletin）

圖8 基于1991—2018年GPS觀測(cè)的中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)圖（Wang&Shen,2020,JGR）

但正如前面所說(shuō)，由于“九五”中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)起到了良好的引領(lǐng)示范作用，在連續(xù)GNSS觀測(cè)站的建設(shè)和觀測(cè)方面，許多省市、部門(mén)或機(jī)構(gòu)均在盡可能向地震行業(yè)的最高標(biāo)準(zhǔn)看齊或靠攏?；谖覀兊膰?guó)情體制，完全能夠?qū)⑦@部分連續(xù)GNSS觀測(cè)資源與中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)共享?？梢栽O(shè)想，如果將這些觀測(cè)站按照“分布合理、站基穩(wěn)定”等苛刻條件優(yōu)中選優(yōu)地挑選30%，則中國(guó)大陸GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)站數(shù)量將超過(guò)10000站。

當(dāng)然，雖然這些觀測(cè)站數(shù)量龐大，但分布位置并非專(zhuān)門(mén)針對(duì)一些緊迫的地震重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)。為此，在一系列地震重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)，中國(guó)地震局近年來(lái)也一直進(jìn)行連續(xù)GNSS觀測(cè)站的加密工作。譬如，目前正在穩(wěn)步推進(jìn)的川滇“地震科學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)”項(xiàng)目，已在該區(qū)域加密布設(shè)了近300站，局部的連續(xù)GPS觀測(cè)臺(tái)陣站間距不到15km。而在即將實(shí)施的下一步規(guī)劃設(shè)計(jì)中，還將在該區(qū)域加密布設(shè)近600站（圖5）。因此，中國(guó)大陸目前可用于地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)的GPS網(wǎng)絡(luò)設(shè)施無(wú)論是整體覆蓋范圍和平均密度，還是局部重點(diǎn)構(gòu)造區(qū)域的針對(duì)性密集觀測(cè)，均已遙遙領(lǐng)先于世界各國(guó)。目前的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，是如何充分利用全球一流的GNSS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)和海量的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，產(chǎn)出全球一流的科學(xué)產(chǎn)品，服務(wù)于國(guó)內(nèi)和國(guó)際。

圖5 中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)GNSS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)觀測(cè)站加密和擴(kuò)充

應(yīng)用與成果

中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)GNSS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)不但服務(wù)和應(yīng)用于地震科學(xué)觀測(cè)、地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)、地球動(dòng)力學(xué)研究，還可服務(wù)于電離層電子密度變化監(jiān)測(cè)、近地空間圈水汽含量變化監(jiān)測(cè)和災(zāi)害天氣預(yù)測(cè)、城市地面沉降監(jiān)測(cè)、地質(zhì)滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)、建筑物/構(gòu)筑物安全性監(jiān)測(cè)，同時(shí)可兼顧國(guó)防軍事測(cè)繪保障、民用工程測(cè)繪基礎(chǔ)、國(guó)家大地測(cè)量框架維護(hù)、高精度導(dǎo)航差分改正服務(wù)等。這里作為示例，展示我們基于GPS觀測(cè)技術(shù)，在不同階段所獲取的中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)圖像（圖6、7、8），其空間分辨率的不斷提高，可在一定程度上反映出30年的發(fā)展歷程和技術(shù)進(jìn)步。

圖6 基于1991—2000年GPS觀測(cè)的中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)圖（Wangetal.,2001,Science）