中国地壳运动观测网络GPS基准站时间序列分析与研究＊

赵国强 孙汉荣 任 雳 李 鹏

（中国地震局地震预测研究所，北京100036）

中国地壳运动观测网络GPS基准站时间序列分析与研究＊

赵国强 孙汉荣 任 雳 李 鹏

（中国地震局地震预测研究所，北京100036）

本文给出了中国地壳运动观测网络27个GPS基准站测站信息。采用统一的数据处理策略和最新的地球物理模型，利用GAMIT／GLOBK软件解算了这些站1999—2011年底的观测资料。定量计算了同震位移、更换仪器等事件对基准站的影响。在此基础上，给出了ITRF2005框架下由27个站组成的中国大陆地壳运动速度场。

GPS；GAMIT／GLOBK；中国地壳运动观测网络；时间序列

引言

中国大陆地壳运动观测网络（简称“网络工程”）是“九五”国家重大科学工程，其中GPS观测由27个基准站、55个定期复测的基本站和约1 000个不定期复测的区域站组成。网络工程基准站自1998年陆续建成以来，一直连续运行至今，目前已全部升级改造成为中国大陆构造环境监测网络（简称“陆态网络”）基准站。这些基准站经过十几年的连续观测，积累了大量高质量的GPS资料，国内学者利用这些数据开展了大量深入细致的处理分析研究工作。顾国华利用1998年9月—2004年3月上旬网络工程25个基准站GPS观测结果获得垂直位移时间序列，并指出基准站垂直位移的变化值得多方面深入研究［1］。张鹏等人应用网络工程27个基准站和国家测绘局2个基准站7a的观测数据，分析研究坐标位置变化规律，研究表明，GPS基准站的时间序列具有一定的周期性，高程分量的周期性最为明显［2］。乔学军等利用1999年3月—2002年3月网络工程25个基准站观测资料，进行时间序列分析，并对提高GPS基准站观测精度进行了探讨［3］。李凯锋等人利用网络工程7个基准站数据，通过时间序列分析，得出玉树地震对这些基准站的位移影响，并通过GPS速度场的计算分析，得出玉树周围各块体的运动情况［4］。前人的研究工作，主要是针对网络工程部分基准站某个时段进行分析。本文采用统一的数据处理策略、最新的精度更高的相关地球物理模型，处理了网络工程自1999年建成以来至2011年底全部27个基准站的GPS观测资料，获得时间序列，全面展示了网络工程基准站十多年来的运动趋势及特征变化，为评估基准站运行状况提供科学参考。同时采用最小二乘线性拟合的方法，在扣除同震位移、更换仪器及其他因素对基准站影响的基础上，获得中国大陆地壳运动速度场，为相关学科的研究提供基础依据。

1 数据资料情况

网络工程是由中国地震局联合总参测绘局、中科院和国家测绘局共同实施的“九五”国家重大科学工程，于2000年底竣工验收。网络工程以全球卫星定位系统（GPS）观测技术为主，辅之以甚长基线射电干涉测量（VLBI）和人卫激光测距（SLR）等空间技术，结合精密重力和精密水准测量，构成大范围、高精度、高时空分辨率的地壳运动观测网络［5］。本文处理分析网络工程全部27个GPS基准站，这些站于1999年陆续建成投入使用，现在均已升级改造成为陆态网络基准站［6］。表1列出了这些站历年的测站信息，起始时间统一为1999年060天，其中BJFS、URUM、LHAS、WUHN和SHAO同时也是IGS跟踪站，早于1999年060天也有数据，本文不做处理。CHUN、HRBN和ZHNZ建成较晚，解算时从建成之后开始正常观测算起。各站的天线高均垂直量测到天线前置放大器底部中心。

表1 网络工程基准站测站信息表

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2 数据处理

数据处理采用美国麻省理工学院（MIT）的高精度GPS处理软件GAMIT／GLOBK［7］，在数据处理时，采取的主要策略如下［8］：

（1）利用GAMIT进行基线解算时，选取中国大陆周边均匀分布的19个IGS永久跟踪站一并参与解算。这些站已经连续观测十年以上，都位于远离形变区的稳定块体内部，具有较高的精度和可靠性，分别是：IISC、HYDE、IRKT、ULAB、KSTU、NOVJ、KIT3、POL2、SELE、GUAM、PIMO、TSKB、DAEJ、USUD、SUWN、TCMS、TWTF、YSSK、GUAO。

（2）接收机和卫星天线相位中心改正采用IGS绝对天线相位中心模型；采用消除基本电离层影响的LC双差观测值；对流层湿分量采用分段线性模型每1个小时估计一个对流层天顶延迟参数，再根据映射函数GMF转换到观测方向；干分量部分采用GPT模型及GMF映射函数加以改正。

（3）利用GLOBK进行全球网平差。解算时，为了确保模型和方法的统一，我们还处理了同期全球均匀分布的50多个IGS站数据。将GAMIT计算得到的一组已确定载波相位整周模糊度、基准松弛的单日解与同时解算的IGS全球解绑定进行整体平差，并把得到的松弛解转换到ITRF2005框架下，从而获得在全球ITRF2005参考框架下的测站坐标，水平分量精度1～3mm，垂直分量精度约10mm。

（4）利用GMT［9］软件绘制时间序列图，给出每个基准站东西（E）、北南（N）、垂向（U）三个分量的坐标相对变化量，从而分析测站速度、周期性变化和一些非构造信息等。

3 时间序列分析

基于上述策略得到的时间序列，不完全是基准站坐标随时间变化的序列，还含有较多的噪声，主要包括如下几类信息：

（1）地壳形变。地壳形变通常包括构造形变与非构造形变两类信息［10］。地质学意义上的地壳运动是指由构造运动所引起的那部分运动［11］，包括缓慢的地壳运动以及由地震等引起的剧烈的同震位移和震后蠕滑。非构造形变主要是由地面荷载（雨、雪、汽）变化、地下水压变化等引起的与断裂活动或构造运动无关的形变。本文查阅并整理了1999—2011年间在中国大陆发生的大于M6.0的地震（见表2），重点关注了这些地震对基准站时间序列的影响。除此之外，还考虑了2011年3月11日日本M9.0地震对基准站的影响，并利用参数估计的方法计算了大于1cm的同震位移。

（2）更换天线造成的时间序列阶跃［11］，有如下两种情况：一是由于人为原因，更换基准站GPS天线前或者更换后量测的天线高是错误的，造成在更换天线时刻垂向的阶跃；二是采用不同天线相位中心模型引起的系统误差，会造成时间序列各个方向的阶跃。网络工程基准站自建成以来，一直使用ASHTECH型天线和接收机，一般情况下很少更换仪器，直至2010—2011年间陆续升级改造为陆态网络基准站，才大部分更换为TRIMBLE型仪器，见表1。

（3）其他原因造成的时间序列异常，比如GPS天线进水［11］、台站附近爆破［1］等，这些特殊变化需要结合台站具体情况进行综合分析判断。

本文给出了网络工程全部27个基准站的原始时间序列（图1），结合每个台站的具体情况，逐一进行了分析，如表3所示。

长期的GPS连续观测能够精确获得地壳运动速度场。本文利用27个GPS基准站时间序列结果，扣除了同震位移、更换仪器以及其他原因对时间序列的影响，采用线性拟合的方法，得到了在ITRF2005框架下由27个站组成的中国大陆地壳运动速度场（表4）。在计算速度场时，站点速度和误差单位为mm，精确到小数点后1位小数，由GAMIT／GLOBK解算得到的点位精度很高，加之多余观测量非常大，根据误差传播定律，利用线性拟合得到的速度误差值很小，一般水平方向都在0.05mm以内，因此表中大部分误差值约为0.0mm。

表2 1999—2011年期间中国大陆发生的M6.0以上地震

图1 网络工程基准站时间序列（横轴为GPS年）

表3 网络工程基准站运行期间发生的事件及其影响

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4 结语

长期的、可靠的GPS连续观测时间序列对地震会商、国防建设、大地测量等方面都有着重要意义，利用谱分析等各种手段深入细致的分析每个基准站时间序列，都可能得到非常有价值的科学成果。本文采用统一的数据处理策略和地球物理模型，重新处理了网络工程基准站自建成以来所有的GPS观测数据，抛开人为原因和不可抗拒的因素等，由时间序列良好的连续性、规律性和周期性，说明网络工程基准站在建站、运行以及后期维护等方面都是成功的。各站观测到的地壳水平运动基本都是线性变化的。垂直向多呈现非常显著的年周期性变化，振幅达到5～15mm，这种现象相关学者都做过深入研究［1，10，11-25］。一般认为质量负荷可以大部分解释GPS解得的垂向季节性变化［11］，但是由于本文利用长达10多年的观测资料进行分析，因此可以发现总的变化趋势，普遍变化量都较小，可见中国大陆地壳运动主要表现为水平方向，垂直向较平稳。

表4 网络工程基准站测得的中国大陆地壳运动速度场（单位：mm）

（作者电子信箱，赵国强：gqzhao＠gps.gov.cn）

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Analysis and research of time series for GPS fiducial stations from the crustal movement observation network of China

Zhao Guoqiang，Sun Hanrong，Ren Li，Li Peng
（Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China）

The station information of 27GPS fiducial stations from the crustal movement observation network of China is provided.The GPS data of these stations from 1999to the end of 2011are processed by GAMIT／GLOBK software with the unified processing strategies and the updated geophysical models.We calculate the effects caused by coseismic deformation，instrument change and other events.On that basis，we provide the velocity fields of crust movement of China in ITRF2005，which consist of 27stations.

GPS；GAMIT／GLOBK；CMONOC；time series

P315.72＋5；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2013.04.007

2012-09-20；

2012-11-26。

中国地震局地震预测研究所基本科研业务费专项（0212241403）资助。