达朝宗

(1. 甘肃省测绘工程院, 甘肃 兰州 730000; 2. 甘肃省应急测绘研究中心, 甘肃 兰州 730000)

0 引言

甘肃省卫星定位连续运行基准站(GanSuContinuously Operating Reference Stations-GSCORS)是甘肃省新一代大地测量基准体系的重要组成部分。由站间距在60 km内的114座基准站组成,目前已与青海、陕西、四川等周边省份接边,在网运行站点140余座。基准站作为全省2000国家大地坐标系的框架点,其位置稳定对整个省级参考框架网的稳定性至关重要。目前已有大量参考文献介绍了用测站坐标时间序列对全球卫星导航定位连续运行基准站的位置稳定性进行分析,得到了丰硕的研究成果[1-4]。

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)连续运行基准站坐标时间序列构成成分复杂,稳定基准站序列中的主要信号有板块运动引起的线性趋势项,水平方向比较明显,地表物质迁移引起的年周期信号,垂直方向比较明显。通过数学建模、地球物理改正可对这部分信号予以消除[5-7]。不稳定基准站中的信号需结合具体站点进行分析,做到“一站一策”,以此维护基准站的稳定,确保省级参考框架的稳定。本文对114个GSCORS站中6个不稳点坐标时间序列进行分析,查明了造成基准站不稳定的因素,通过在实地检校、施工等方式对影响基准站稳定的因素予以消除。本文介绍的不稳定测站时间序列分析方法对维护省级参考站的稳定性具有重要参考意义。

1 数据收集与处理

对收集到的114个GSCORS站近4.5年(2013年7月至2017年12月)的观测数据用GAMIT/GLOBK10.7软件进行处理。为获取ITRF2014框架下的站点坐标时间序列,数据处理时选取周边7个IGS站(BJFS、WUHN、SHAO、URUM、LHAZ、ULAB、TWTF)与6个中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)站(GSAX、GSJY、GSPL、GSWD、GSMX、GSGL)作为框架点。因站点数量较多,考虑到计算机性能与软件处理效率,将114个GSCORS站按等距离法分成3个子网,每个子网与15个框架点进行解算,子网划分见图1[8-9]。

图1 站点分网图

数据处理分两部分完成:利用GAMIT处理载波相位观测得到各子网的单日解(包括约束解和松弛解);利用GLOBK将区各子网单日松弛解文件通过选取的框架点合并,得到一个包含测站、极移和卫星参数松弛解及方差-协方差矩阵的单日解文件[10]。对形成的最终单日解文件用glred命令获取测站坐标时间序列。

测站坐标时间序列的单日解重复性(wrms)、标准化均方根是评价序列精度的主要指标,两个指标分析结果见图2、图3。

由图2、图3显示的测站Wrms、Nrms统计结果表明，除GSMQ、BYHN、QYTB测站外，其余测站精度指标按95%的置信度统计,Wrms指标(南北)、(东西)方向优于2.1 mm,U(垂直)方向优于4 mm;Nrms指标N、E方向优于4 mm,U方向优于2.3 mm。因GSMQ站在2014年第134天高程方向有59 mm的跃阶,经分析为更换天线所致,BYHN、QYTB站时间序列变化不稳定,故导致3个站的Wrms、Nrms值偏大。经分析测站坐标时间序列精度高,为后续序列分析奠定基础。

图2 测站单日解重复性统计图

图3 测站标准化均方根误差统计图

2 不稳定站点时间序列分析

受各种因素综合影响,连续GNSS基准站不可能绝对稳定,主要原因如下:

(1)基准站自身因素:基站建设初期到基本稳定期间观测墩的位移变化、测站地质不稳定导致观测墩下沉或倾斜、周边环境变化引起站点坐标短期变化。

(2)人为因素:受单位基建、动土、搬迁等影响,部分基站需要搬迁;基站出现故障时,维护人员对天线的更换造成测站坐标特别是高程方向的变化。

(3)地壳运动:省内二级板块分布较广,不同小板块之间的相互运动导致各连续运行参考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)向不同方向移动,从而使整个CORS基准网型发生变化,甚至扭曲。

(4)地质灾害:频繁发生的大小地震对基准站的影响。

对获取的114基准站的站点坐标时间序列逐站进行分析,发现93%以上的甘肃省卫星定位连续运行基准站坐标时间序列变化平稳,站点位置稳定,部分稳站点坐标时间序列见图4。

图4 稳定基准站序列

BYHN、LZSH、QYTB、GNLM、BYYX、LNKX等站稳定性差。其中BYHN、LZSH、QYTB三个站高程方向沉降量较大;GNLM、BYYX、LNKX表现在水平方向上有异常形变量。以下四类:

(1)地质因素不稳定引起的站点持续沉降,如BYHN、QYTB站,站点序列见图5。BYHN站累积沉降量达160 mm、QYTB累积沉降量在50 mm左右。而同区域的测站在U方向上整体表现为上升趋势,如图4中的BYJY站。

图5 持续沉降站坐标时间序列图

(2)站点运行初期沉降量较大,后期趋于平稳变化,如LZSH站,站点序列见图6。

图6 LZSH站坐标时间序列图

LZSH站U方向在站点运行初期(2013年7月至2014年4月)沉降速率约为16 mm/a,在2014年4月至今沉降速率趋于稳定,约6 mm/a,前期的大幅沉降对测站垂向速率的估计带来了很大程度的偏差,如图6中给出的沉降速率为15.7 mm/a。

(3)站点周围施工或地基处理不到位导致观测墩倾斜,如GNLM、LNKX站,站点序列分析如下:

图7(a)、(c)、(e)显示:GNLM站在2017年6月之前站点序列变化平稳,6月份之后站点序列N、E、U三个方向短时间内发生偏移,为确定该站的偏移量,扣除了序列中因板块运动引起的固有趋势项,如7(b)、(d)、(f)显示:N方向向北偏移、偏移量10 mm,E方向向东偏移、偏移量24 mm,总的偏移方向为北偏东67°、偏移量约26 mm;U方向沉降约26 mm,站点坐标水平序列偏移趋势表明测站高程坐标变化是由观测墩倾斜引起的。

2017年基准站巡查维护中发现该站观测墩有倾斜现象,用全站仪对墩体垂直度进行检测,发现该站向东北方向发生约2.6 cm位移,与时间序列分析结果高度吻合。

图8(a)、(c)、(e)显示:LNKX站在2017年7月之前站点序列变化平稳,7～9月份之后站点序列N、E、U三个方向短时间内发生偏移,9月份之后偏移出现拐点,有恢复原状的趋势。类似图7的处理方式,扣除序列中的趋势项,如8(b)、(d)、(f)显示:7～9月份,N方向向南偏移、偏移量30 mm,E方向向东偏移、偏移量32 mm,总的偏移方向为东偏南45°、偏移量约43 mm;U方向约30 mm的沉降,而在9月份之后,观测墩偏移状况与7～9月份相反,U方向开始抬升,因站点数据处理到2017年底,后续变化趋势未知。

图8 LNKX站坐标时间序列图

图9 BYYX站坐标时间序列图

(4)观测环境引起的序列周期性变化,如BYYX站,站点序列见图9。

图9(a)、(c)、(e)显示:BYYX站N方向在2016年1月至2017年12月出现年周期性波动。扣除了序列中的趋势项,如9(b)、(d)、(f)显示,该站N、E方向出现约9 mm的年周期波动,U方向没有明显变化。不同于第三类中GNLM、LNKX站,该站N、E方向位移波动没有引起U向波动,分析原因可能与站点环境变化有关。2019年基准站实地维护时发现该站四周树木较茂盛,初步分析为树木遮挡影响数据质量造成站点坐标发生微小变化。

3 结束语

本文详细分析了114个GSCORS站近4.5年的时间序列,筛选出6个具有代表性的不稳定基准站,并对各站测站坐标时间进行分析,得出以下几点结论:

(1)造成省级CORS站不稳定的原因复杂,分析时不能仅依据已有的序列模型,需结合站点实际情况,逐一分析。

(2)因观测墩倾斜导致站点位置在N、E、U方向偏移时,应扣除板块运动引起的固有趋势项后估测偏移量,否则估测的偏移量值不准确。

(3)对U方向持续沉降而N、E无偏移量的测站,通过定期分析,掌握沉降规律后在相关网络RTK播发平台中对高程坐标定期予以更新,可视为稳定基准站正常使用。