ZJCORS站点形变分析

吉渊明

(浙江省测绘科学技术研究院，浙江 杭州 310012)

1 引 言

ZJCORS(浙江省连续运行参考站系统)是浙江省地理空间框架的重要基础设施之一，向用户提供精确的三维定位服务，ZJCORS 系统基准站网自身的稳定性是确保系统正常运行的关键。ZJCORS 自2010年10月投入运行以来尚未进行坐标时间序列分析。随着时间的推移，受板块运动、地质构造活动、地表水、大气、土壤、潮汐等诸多因素的影响，站点位置会发生变化，影响三维定位服务的精度。为确保ZJCORS 系统所提供基准的准确性和时效性，需要对ZJCORS 的稳定性进行监测分析，从而为定期更新ZJCORS 站点坐标并提高坐标精度提供依据。

CORS 系统站点稳定性分析应该建立在统一的、适当的基准之上。ITRF 框架实现和维持了一个全球统一的、高精度的、三维地心坐标系，是一个定义明确、可以长期稳定使用的全球坐标参考框架［1］。目前CORS 系统稳定性分析方法一般有两种:一是采用秩亏网平差或经典自由网平差，根据两期观测位移及其协因数阵采用稳健法构造统计量进行假设检验，搜索和确定CORS 系统可能存在的不稳定点位，即确定CORS 系统局部基准的稳定性，并建立CORS 系统在全球ITRF 框架下的位移变化率，将其与区域内国际IGS跟踪站位移速率进行比较，分析CORS 系统整体ITRF框架的稳定性［1］。另一种是与周边IGS 跟踪站联测，并选取周边站址稳定、结果可靠的IGS 站在ITRF 框架中的坐标和速度值作为约束，获取CORS 站的坐标时间序列，分析CORS 系统站点稳定性。

CORS 站网坐标时间序列中通常包含有地壳构造形变信息、地壳非构造形变信息、观测误差信息和坐标参考框架点误差等四类信息。国内外一些学者采用了不同噪声模型分析了CORS 站坐标时间序列噪声性质，研究表明CORS 站坐标时间序列中同时包含有白噪声和有色噪声的影响，而且白噪声不是噪声的主要成分［4］。GNSS 坐标中噪声的研究主要分为时频分析和空域分析两种技术［2］。时频分析用来确定坐标序列在时间上的相关性特征，其方法有谱分析和最大似然估计，能够确定随时间相关噪声的类型和强度以及有色噪声对台站运动速率估计的影响［2］。在空域分析中，有主成分空间滤波方法，提取CORS 网坐标时间序列中公共误差的时空特性，提高CORS 站本地信号(坐标时间序列)的信噪比，并比较分析空间滤波前后CORS 站成果的精确性［4］。本研究收集计算的CORS 网坐标时间序列由于时间较短，用NNR－NUVEL1A 全球地壳运动模型计算板块运动引起的站速度，其他地壳非构造形变信息如固体潮、海潮、大气等均采用软件提供的改正模型。

2 ZJCORS 基本情况及观测数据收集

浙江省省级CORS 站共16 个站，市级CORS 站目前共有41 个站。其中省级CORS 站点中基岩标2 个，岩层标4 个，土层标7 个，房顶标3 个。市级CORS 站点中基岩标4 个，岩层标1 个，土层标15 个，房顶标21 个。系统采用仪器大多数为Trimble 系列，部分为南方CORS系列(台州市级CORS)。由于台州市级CORS 站是单独进行平差的，本研究未包括台州市级CORS 站。

收集了ZJCORS 系统2011年1月、2011年4月、2011年7月、2011年10月、2012年1月、2012年4月和2012年7月中每月的1日～5日观测数据进行处理分析，除去数据缺失的测站，实际数据处理的省级站16 个、市级站34 个。

3 数据处理方案

3.1 数据准备

采用Bernese V5.0 软件进行高精度数据处理，应考虑多种误差影响，要进行相应数据准备:

①下载相应观测时间段内精密星历文件、精密钟差文件、电离层文件和码偏差文件;②查找观测文件中的接收机类型、天线类型，明确测站接收机和天线的变更情况，并从NGS 下载相应的天线相位中心改正信息;③更新相应的大地基准文件、跳秒文件、地球自转参数信息文件、问题卫星文件、测站信息文件、IGS 站坐标和站速度文件;④准备各测站海潮改正文件、固体潮改正文件和测站板块信息文件。

3.2 基线解算

(1)基准站选取

浙江省2000 国家大地坐标系成果解算采用的起算基准站为BJFS、SHAO、KUNM、URUM、WUHN、ULAB、IRKT、CHAN、KHAJ、NOVM、KIT3、CHUM、TSKB、PIMO。由于CHAN 在2012年的观测数据严重缺失，TSKB 位于日本，解算时稳定性较差，NOVM 无法获取ITRF 2008 框架下精确的坐标和速度等原因，所以只采用剩余11 个IGS 站作为基准。

(2)基线解算方案

基线解算的策略为:

①考虑地球板块运动，IGS 站坐标根据站速度归算到解算时的瞬时元;②考虑固体潮和海潮改正，采用IERS Conventions 2003 建立固体潮模型，采用GOT00.2 海潮模型;③轨道及基站松弛约束;④对观测数据进行质量检查，删除观测时间短或数据质量差的数据，保证基线解算质量;⑤观测值采用无电离层组合LC 观测值;⑥根据Bernese 提供的OBS －MAX(Maximum Common Observations)原则进行基线选择;⑦根据双差相位观测量的松弛约束定位残差，删除有问题的测站;⑧采用Bernese 中的“COMBINED”方法进行周跳自动探测与修复，采用Bernese中的“QIF”方法进行整周模糊度解算;⑨大气改正模型采用Saastemoinen 模型及Niell 映射函数，大气延迟估计2 h间隔估计一个参数;⑩解算过程中考虑卫星钟差改正、接收机钟差改正、对流层延迟改正、卫星天线相位中心改正、接收机天线相位中心改正和码偏差改正。

3.3 GPS 网平差

IGS 基准站在ITRF 2008 框架下具有精确的坐标和速度，选取ITRF 2008 框架为参考框架解算每个月的CORS 站坐标。观测历元为观测时间段中心历元，即每个月3日的12:00:00。网平差过程中考虑固体潮、海潮等影响，约束方式采用Bernese 中的“Minimum Constraint Solution”方式，平差过程中将对流层参数和站坐标一起解算。利用基线的单天解形成单天的法方程文件，用序贯最小二乘解算5 d的法方程文件，得到每个月的站坐标。

3.4 坐标转换

将ITRF 2008 框架下观测历元的每个月站坐标转换为CGCS 2000 所在的ITRF 97、2000.0 历元下的坐标。整个转换过程可分为历元转换和框架转换两部分。

历元转换采用NNR －NUVEL1A 全球地壳运动模型计算各测站的板块位移，将站坐标转换到2000.0 历元下。转换公式为:

式中t1为框架历元，t2为需转换到的历元，即CGCS 2000 所在的2000.0 历元。［VXVYVZ］T为控制点的速率，由NNR －NUVEL1A 全球地壳运动模型计算。

框架转换采用ITRF 网站(http://www．iers．org/IERS/EN/IERSHome)公布的转换参数。转换的公式为:

式中［XCYCZC］T为CGCS 2000 中的坐标，［X Y Z］T为ITRF 2008 框架下的坐标，其他为ITRF 提供的框架转换参数。

4 ZJCORS 站点形变分析

CORS 站点位置的变化受板块运动、地质构造活动、地表水、大气、土壤、潮汐、仪器等多种因素的影响。在CORS 站坐标解算的过程中已考虑了固体潮和海潮的影响。本节利用坐标时间序列分析这些因素的影响。

4.1 观测历元下的形变分析

以2011年1月3日坐标为基准，将解算的其余6个月的坐标分别获取较差，得到ITRF 2008 框架下坐标差值的时间序列。X、Y、Z 方向上坐标差值的时间序列如图1～图3所示。对X、Y、Z 方向上的差值进行统计分析，如表1所示。

由图1～图3可知，相对于2011年1月，在X 方向上站点坐标向同一方向产生了偏移，在Y 和Z 方向上也有相同的趋势。若只有板块运动造成的位移，每个季度的所有测站相同方向上的平均偏移量应该大致成倍数关系。由表1的统计值MEAN 可知，每个季度的平均偏移量并不存在这种规律，说明站点位置变动受每个季度的地表水、大气、土壤、区域性构造运动等因素影响。

图1 X 方向坐标差值的时间序列图

图2 Y 方向坐标差值的时间序列图

图3 Z 方向坐标差值的时间序列图

表1 X、Y、Z 方向上坐标变化统计

由表1中STD 可知，对于每个季度而言，各个CORS 站点的位移情况大体相同，只有个别站存在较大的位移。站点位置变动最大的点为土层标CORS 站YINZ，房顶标CORS 站DEQI，房顶标CORS 站JIAX，这些站点为非基岩标，易受降水、土壤影响，其他房顶标和土层标的CORS 站则相对稳定。

进一步分析计算N、E、U 方向上的差值变化。统计结果表明，在N、E 方向出现了系统性偏移，其中N方向偏移量较小，在E 方向偏移量较大，浙江CORS 网在平面上整体向东南方向偏移，符合CORS 网所在板块的运动规律。CORS 站YINZ、DEQI、JIAX、SHIP 出现相应较大的偏移量，尤其YINZ 在垂直方向发生了0.073 m的下沉。

4.2 板块位移改正后的形变分析

用NNR－NUVEL1A 全球地壳运动模型计算板块运动引起的站速度，将ITRF 2008 框架下每个月的坐标解归算到2011年1月3日12:00:00。这样排除了板块运动产生的位移，站点变动为地表水、大气、土壤、区域性构造运动等其他因素的影响。从X、Y、Z 方向上坐标差值的时间序列及对X、Y、Z 方向上的差值进行统计分析可知，去除板块移动的影响，2011年7月～2011年10月，2012年1月～2012年4月，2012年4月～2012年7月的坐标偏移量较大，这与地表水、大气、土壤、区域性构造运动等因素有关。2011年7月～2011年10月的偏移量受这些因素的影响较大，与2012年1月和2011年10月所代表的季度偏移量相似，这与上一节的分析一致。这一现象的原因可能是2011年10月初有阴雨天气影响了观测数据，对数据解算结果产生了影响。在YINZ、DEQI、JIAX、SHIP 这些站点也具有相应的较大的位移变化，尤其YINZ 的位移量很大。

4.3 CGCS 2000 下的形变分析

将ITRF 2008 框架下每个月的CORS 站坐标转化到CGCS 2000 坐标系下(ITRF 97，历元2000.0)。在CGCS 2000 坐标系下，X、Y、Z 三个方向上坐标差值时间序列的变化趋势与在ITRF 2008 框架下改正板块位移后的坐标差值变化趋势相同。在YINZ、DEQI、JIAX、SHIP 这些站点也具有相应的较大位移变化，尤其YINZ 的位移量很大。两种情况下坐标差值并不相同，这主要是进行框架转化引起的。另外由于观测历元为2011年和2012年，与历元2000.0 相差十多年，坐标转化时站速度直接影响坐标的计算结果。由于没有精确的站速度，在CGCS 2000 坐标下的X、Y、Z 三个方向上坐标差值时间序列不够精确，建议采取ITRF 2008 框架下的坐标差值时间序列。

YINZ、SHIP、DEQI、JIAX 站点在N、E、U 方向上的偏移量如图4～图7所示。YINZ 和SHIP 站在垂直方向上由于地面沉降呈现匀速下沉，年均下沉速率约49 mm/a和17 mm/a;JIAX 站在垂直方向上由于地面上升，总体上呈现季节性上升，年均上升速率约12 mm/a，与嘉兴市近年来采用二等水准观测地面沉降成果一致。

图4 YINZ 站点坐标差值的时间序列图

图5 SHIP 站点坐标差值的时间序列图

图6 DEQI 站点坐标差值的时间序列图

图7 JIAX 站点坐标差值的时间序列图

5 结 语

ZJCORS 站点受板块运动、地质构造活动、地表水、大气、土壤、潮汐、仪器等诸多因素的影响，站点即时坐标在全球ITRF 框架基准中是动态变化的。总体上受板块运动影响最大，其坐标变化速率为Vx= －31 mm/a，Vy= －10 mm/a，Vz=10 mm/a。由于ZJCORS 部分站点位于房顶、土层中，地面沉降引起平面位移及高程变化也是较显著的，其中鄞州站位于气象观测站地面土层中，高程变化速率达49 mm/a，部分站点平面位移也随着季节变化达15 mm/a。因此，为确保ZJCORS 系统所提供基准的准确性和时效性，需要以每季度的周期对ZJCORS 的稳定性进行监测分析，并更新站点坐标。经过若干年后，当计算的站速度趋于稳定时，可延长平差计算更新周期，同时利用速度场进行站点坐标更新。

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