利用2015至2016年GNSS观测数据进行天津CORS基准站速度场分析

周大山，王文旭，张志全，王文江

(天津市测绘院，天津 300381)

利用2015至2016年GNSS观测数据进行天津CORS基准站速度场分析

周大山*，王文旭，张志全，王文江

(天津市测绘院，天津 300381)

选用天津CORS 中13个基准站2015年～2016年两年的GNSS观测数据，利用数据处理软件GAMIT/GLOBK进行解算，得到了天津CORS基准站在ITRF2008框架下的三维速度场。结果表明，天津CORS整体在水平方向上有东南向运动趋势，平均速率为 33.46 mm/年，优势方向为SEE109.79°。垂直方向上，除JIXN基准站表现出小幅隆升趋势外，其他基准站均有不同程度的沉降，其中天津西南部沉降较严重，位于北辰的基准站QING沉降速率最大，达到了 69.55 mm/年。

速度场；GAMIT/GLOBK；沉降；天津CORS

1 引 言

GNSS观测技术的迅速发展和完善成熟使其在地球动力学领域发挥着越来越重要的作用，利用长期、连续的GNSS观测数据进行地壳水平研究和陆地垂直运动的研究也成为可能[1，2，3]。连续运行参考系统(Continuously Operating Reference System，CORS)正是这样一种每天24h连续不间断观测的卫星定位系统，可以提供长期、稳定的GPS观测数据。天津市GNSS卫星定位连续运行参考站网系统(天津CORS)已稳定运营10年，目前由覆盖天津范围的22个基准站组成，在天津城市测量、地方基准维持等领域发挥了巨大的作用。

近年来由于地下水过度开采等原因，天津市地表形变严重[4]，而天津CORS所采集的不间断GNSS数据为研究天津地表形变提供了重要数据，基于此，本文利用天津CORS部分基准站2015年至2016年数据，计算基准站的三维速度场，对基准站的水平和垂直方向的运动情况进行了分析，得到了2015年至2016年天津市地表整体形变情况，有利于认识天津地壳的水平运动趋势，同时可以获得天津不同区域的沉降状况。

2 数据处理

使用数据为天津CORS各基准站数据和周边的IGS站数据。选取天津CORS基准站中均匀分布的13个基准站，获得其2015年～2016年共计两年的每日24h观测数据。数据解算之前，对CORS数据进行数据质量检查，除个别文件缺失外，数据整体质量较好。

综合IGS站的分布、数据完整度等因素[5]，引入中国大陆及周边的10个IGS站(包括BJFS、SHAO、CHAN、URUM、LHAZ、STK2、YSSK、URUM、TNML)参与计算，其分布情况如图1所示。

图1 参与解算IGS站分布

2.1处理策略

数据处理采用高精度GNSS数据处理软件GAMIT/GLOBK(10.6)，主要分为两步：利用GAMIT软件解算基线，得到单天解，然后利用GLOBK软件联合单天解，求取天津CORS的三维速度场[6]。

基线处理采用如下策略：

(1)固定轨道，使用IGS发布的最终精密星历；

(2)采用LC_HELP观测量类型，即利用LC观测值组合解算模糊度；

(3)截止高度角为15°，采样率为 30 s，即每天观测历元数为2880；

(4)气象条件：标准大气压，温度为20°；

(5)对流层延迟模型为Saastamoinen(萨斯塔莫宁模型)，投影函数为NMF，延迟参数和水平梯度的估计间隔为2h；

(6)利用广播星历中的钟差参数对卫星钟差进行模型改正，利用伪距观测值计算接收机钟差；

(7)天线相位中心改正：使用antmod.dat文件的设定值，天线模型采用随高度角和方位角变化的模型(AZEL)；

(8)对于数据编辑采用自动处理AUTCLN；

(9)考虑测站位置的潮汐改正。

利用GLOBK软件解算单日松弛解(h文件)，以NGS发布的IGS站在ITRF2008框架成果为基准，利用其高精度先验坐标和速度，计算得到天津CORS基准站在ITRF2008框架下的坐标序列和速度场。

2.2计算质量评价

基线解算完成后，统计所有单天解的NRMS，结果显示，所有单天解的NRMS均小于0.25，NRMS最大为0.219，出现在2016年的第240天，NRMS平均值为0.182，说明基线解精度较高，NRMS的分布如图2所示。

图2 2015年～2016年单天基线解的NRMS值分布

利用GLOBK进行单天解平差，得到天津CORS基准站N、E、U坐标分量的时间序列变化情况。时间序列不仅反映了单天解的精度，也直观地显示了基准站的位置变化趋势。以基准站QING和基准站JIXN为例，其时间序列如图3所示，精度指标反映出单天解质量良好，另外，两个基准站在N、E方向上均有非常明显的线性运动趋势，QING基准站在U方向也有非常明显的线性沉降趋势。

图3 QING基准站和JIXN基准站坐标N、E、U方向的时间序列

3 TJCORS速度场分析

当一个GPS测站的数据至少有两个历元，并且这两个历元之间的时间差超过0.9a的时候，就可以利用GLOBK对其及进行速度估计[7，8]，获得各站基线处理结果后，使用GLOBK求得各基准站在ITRF2008下的联合解，并估计其在ITRF2008框架下的速度。

3.1水平速度场

计算得到各个基准站在ITRF2008框架下E、N方向的速度及中误差如表1所示。在解算精度方面，参与解算的13个站点中，中误差最大的基准站为SW01，其E、N方向的中误差均为 0.1 mm/a；其余基准站E、N方向中误差均小于 0.1 mm/a；所有基准站在E、N方向中误差平均值均为 0.6 mm/a，解算精度较高。速度大小方面，所有基准站在E方向平均速度为 31.48 mm/a，N方向的平均速度为 -11.33 mm/a，水平方向平均速率为 33.46 mm/a，优势方向为SEE109.79°。

各基准站在ITRF2008框架下的水平速度及中误差 表1

根据计算速度值绘制出的速度场，如图4所示，根据此图，天津CORS整体上有较为明显的向东南方向的运动趋势，但各个基准站在速度方向和大小上仍存在差异，说明各个基准站间存在水平相对运动。

图4 天津CORS各基准站点在ITRF2008框架下的水平速度场

3.2垂直速度场

计算得到各基准站垂直方向的速度及中误差如表2所示，根据此表，在精度方面，中误差最大值出现在基准站SW01，达到了 0.37 mm/a，所有基准站平均中误差为 0.22 mm/a，精度低于水平方向。在速度大小上，除基准站JIXN速度为正，其他均为负，说明天津CORS各个基准站存在不同程度的沉降，其中基准站QING在U方向速度值最大，达到了 -69.55 mm/a。

参与解算CORS站在ITRF2008框架下的垂直方向速度及中误差 表2

图5 天津CORS各基准站在ITRF2008框架下的垂直速度场

根据计算值绘制出的速度场如图5所示，结合表2可以看出，天津地区不同地区沉降情况差异较为明显，整体表现为北部地区沉降较小，南部地区沉降较大。

其中，基准站QING位于天津市北辰区境内，该点的年沉降量达到了 69.55 mm/a，属于沉降较大区域，其他地区如位于静海境内的JHAI和SW01，沉降速度分别为 53.07 mm/a和 45.74 mm/a。

此外，位于天津东部宁河境内基准站NIHE及天津东南部基准站GGSL同样沉降趋势明显，年沉降量分别为 28.99 mm和 35.03 mm。

除大部分沉降明显地区外，天津北部JIXN站有略微隆升的趋势，年变化量在 3.17 mm/a，JIXN基准站建立山头裸露基岩上，较为稳定。

4 结 论

本文基于GAMIT/GLOBK软件，对天津CORS中13个基准站在2015年～2016年共计两年GPS观测数据进行了处理，得到了各个基准站在ITRF2008框架下的水平速度场和垂直速度场。

结果表明，天津CORS各基准站在水平方向上有明显的运动趋势，参与解算的13个站点E方向平均速度为 31.48 mm/a，N方向的速度平均值为 -11.33 mm/a，水平方向平均速率为 33.46 mm/a，优势方向为SEE109.79°。

通过垂直方向速度计算得出，天津不同地区沉降状况差异较为明显，整体表现为北部地区沉降较小，西南部地区及部分东部地区沉降较大，其中QING、JHAI、SW01、GGSL、NIHE具有较大幅度的沉降，最大的QING基准站沉降速率达到了 69.55 mm/a。

[1] Larson K M，Freymueller J，Philipsen S. GlobalPlate Velocities from the Global Positioning System[J]. J Geophys Res，1997，102(B5)：9961～9981.

[2] Hager B H，King R E，Murray M H. Measurementof Crustal Deformation Using the Global PositioningSystem[J]. Annu Rev Earth Planet Sci，1991，19：351～382.

[3] 王琪. 用GPS监测中国大陆现今地壳运动：变形速度场与构造解释[D]. 武汉：武汉大学，2004.

[4] 雷坤超，陈蓓蓓，宫辉力等. 基于PS-InSAR技术的天津地面沉降研究[J]. 水文地质工程地质，2013(6)：106～111.

[5] 杨凯钧，袁鹏，秦昌威. 中国及其周边IGS站数据质量评估[J]. 全球定位系统，2014(3)：41～43.

[6] 刘全海，王琰开. 基于常州CORS的常州三维速度场分析[J]. 城市勘测，2016(5)：83～86.

[7] 曾波，张彦芬，姜卫平等. 山西CORS网基准站速度场分析[J]. 武汉大学学报·信息科学版，2012(12)：1401～1404+1513.

[8] 魏子卿，刘光明，吴富梅. 2000中国大地坐标系：中国大陆速度场[J]. 测绘学报，2011(4)：403～410.

VelocityAnalysisofTianjinCORSStationsBasedonGNSSDataDuringPeriod2015and2016

Zhou Dashan，Wang Wenxu，Zhang Zhiquan，Wang Wenjiang

(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

GNSS data of 13 stations from Tianjin continuously operating reference stations(CORS)，during the period of 2015～2016，were processed with GAMIT/GLOBK software，and Tianjin’s three dimensional velocity field under the ITRF2008 reference frame was worked out. Results show that in the horizontal direction，Tianjin CORS has the movement trend of southeast at the mean velocity 33.46 mm/yr，in the dominant direction of SEE109.79°. As for the vertical velocity，all stations have subsidence behavior except that JIXNstation has a slightly uplift. Moreover，the stations in southwest part of Tianjin have higher settling velocity rate than the rest，among which station QING has the biggest settling velocity of 69.55 mm/yr.

velocity field；GAMIT/GLOBK；subsidence；Tianjin CORS

1672-8262(2017)05-49-04

P228

A

2017—09—08

周大山(1991—)，男，硕士，助理工程师，主要从事天津市地理信息空间基准维护方面工作。

本论文获得2017年“华正杯”城市勘测优秀论文三等奖。