北斗导航系统在地壳运动监测中的应用能力分析

王阅兵

研究背景

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），是联合国承认的全球四大卫星导航系统之一，其余三个是美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS）和欧盟伽利略系统（Galileo）。

自20世纪80年代中期以来，以美国GPS为代表的全球卫星导航系统的迅速发展和广泛应用，不仅使全球范围的导航与授时进入了稳、准、便、捷的全新时代，更为高精度、大范围、全天候和低成本的地壳运动观测与构造变形研究提供了革命性的空间大地测量技术手段。GPS在监测板块运动、海平面上升等应用时，其边长可达数千公里，精度可达厘米级，甚至毫米级，相对定位精度为10-9，而传统的经典大地测量的精度为10-5～10-6，边长通常也只能达到数十公里，复测周期通常以年为单位。另外，GPS在300～1500m工程精密定位中，1h以上观测结果的平面位置误差小于1mm，且20km以内相对静态定位，仅需15～20min，无须测站之间相互通视，只需测站上空开阔即可。相比之下，GPS技术不仅使观测精度提高了约3个数量级，而且将观测工作的效率提升了上百倍，为防震减灾、大地测量和地球动力学研究等诸多领域的业务深化和应用拓展提供了强劲的技术支撑。

图1 全球板块运动速度场图

图2 全球可见北斗卫星数量分布

GPS在地球动力学中的应用，主要是监测全球和区域板块运动，监测区域和局部地壳运动，从而进行地球成因及动力学机制的研究。根据测定的板块运动速度和方向，测定的地壳运动形变量，分析地倾斜、地应变积累，研究地下断层活动模式，应力场变化，开展地震危险性估计（图1）。目前用GPS来监测板块运动和地壳形变的精度，在水平方向可达1～2mm/a，垂直方向可达2～4mm/a，基线相对精度可达10-9。

为了提高卫星导航定位的自主性与安全性，我国启动了北斗卫星导航试验系统的建设。 2012年建成的北斗二代卫星导航系统，具备了覆盖亚太地区的定位、导航、授时以及短报文通信服务能力。图2给出了当前全球可见北斗导航系统卫星数量分布，在亚太地区任意时间可见卫星数目大于6颗，这保障了北斗导航系统能为亚太地区提供稳定的定位、导航、授时和通信服务。在此基础上，国家开始全面推行北斗系统在各行各业的应用开拓与示范。

这就涉及北斗导航系统的大地测量定位精度问题。现有研究表明，导航系统定位精度提升主要与两个方面有关：一方面是卫星系统的完善和接收技术的进步；另一方面是数据处理方法的改进和各种常数、模型的精化。其中处理方法主要有相对定位与精密单点定位。相对定位又称差分定位，是用两台接收机对两个测站上同时采集的定位数据进行联合处理，通过消除接收机钟差、卫星钟差等公共误差，以及削弱对流层延迟、电离层延迟等相关性较强的误差影响，达到提高精度的目的。但随着距离的增大，误差相关性的减弱，则只能采用延长观测时间来达到预期的精度。而精密单点定位方法能直接得到测站坐标，测站与测站之间无距离限制，其主要是利用全球IGS（International GPS Service）站数据计算的精密卫星轨道和钟差产品，再采用单点的相位和伪距观测值进行非差定位处理。相关研究结果表明当前北斗导航系统的相对定位精度达到了毫米级，精密单点定位的精度达到了厘米级。

鉴于国内外这些分析和评定结果，北斗系统的大地测量功效不仅取决于导航系统本身，而且受限于全球地面跟踪网的有效配合，即高精度卫星轨道、钟差等参数的及时获取。因此，目前的北斗导航系统能否像GPS一样胜任高精度的地壳形变与构造运动监测，尚需进一步的客观评测。

本项目主要基于现阶段北斗导航系统卫星星座分布的情况，探讨以下两个个亟须回答的问题：一是在当前北斗导航系统卫星星座分布下，其定位精度如何？二是当前北斗导航系统的定位精度能否满足地壳形变与构造运动等高精度监测的实际需求？

关键技术与主要研究结果

北斗系统国家防震减灾应用需求主要体现在地壳运动与变形监测高精度定位方面，重点推进北斗系统在国家防震减灾工作中的应用，需不断研究提高北斗地壳运动观测精度。以下从三个方面来分析北斗导航系统定位精度及其在地壳运动监测中的应用能力。

1.北斗导航系统定位精度。在当前北斗卫星星座分布下，影响北斗导航系统定位精度的主要因素有卫星的轨道钟差产品精度、地面接收机的观测环境、信号在传播过程中受电离层和对流层的影响等。为了弄清楚北斗导航系统的定位精度及稳定性，我们分别利用位于宁夏盐池、河北唐山、北斗荣成、山东荣成、四川筠连、山西太原和湖北武汉7个GNSS观测站，采用精密单点定位方法处理了上述测站的北斗和GPS观测数据。处理过程中，采用了国际GNSS服务（IGS）武汉大学分析中心提供的卫星精密轨道和钟差产品，该产品基于国际参考框架、可以从IGS数据中心下载得到。由于接收机钟一般采用石英钟，其与卫星原子钟之间的同步差若为10-6秒，就会引起300米的误差，因此在数据处理过程中需要估计两者之间的同步差，即接收机钟差。在高精度定位过程中，本文利用的是载波相位观测量，其只记录了GNSS接收机所接收的卫星载波信号与接收机参考信号的相位差，没有记录两者之间的整周数，我们称其为整周模糊度。因此，数据处理过程中解算的主要参数包括坐标、接收机钟差、大气延迟及整周模糊度等。在得到处理结果以后，利用线性回归方法对三分量时间序列分别拟合得到三分量的拟合残差，之后利用残差均方根来统计表示定位精度，即RMS值，RMS值越高定位精度越低。北斗与GPS定位精度结果比较见表1所示。

表1结果显示北斗与GPS导航系统南北向的精度均优于东西向，这种特征在北斗导航系统中表现的更明显的原因是其卫星星座并没有完全建成，可用的中圆轨道卫星和倾斜轨道卫星较少，受到静止卫星轨道产品精度影响较大。受观测环境的影响，四川筠连站北斗与GPS的RMS值明显高于其他6个站点。这里所说的观测环境主要是指受到观测站周围树木、建筑物等障碍物的遮挡，造成多路径效应显著增强，从而造成定位精度明显下降。除四川筠连站外，其他6个台站的北斗三分量RMS均值分别约为7mm、5.4mm和20mm，GPS三分量RMS均值分别约为3.3mm、3.1mm和7.0mm。由此可以得到北斗导航系统精密单点定位精度在水平和垂向分别约为8mm和20mm，GPS精密单点定位精度在水平和垂向分别约为4mm和7mm。

表 1 北斗与GPS信号时间序列三分量RMS值

2.北斗获取基线向量能力。基线向量可以表征两个GNSS台站之间的距离与方位，是既具有长度特性又具有方向特性的矢量。随着观测时间的累积，基线向量组成基线时间序列。基线时间序列包含了站点间的相对运动信息，可以用来监测板块相对运动变化趋势，也可以用来监测断裂带构造活动，因此利用北斗获取基线时间序列是其在地壳运动监测中应用的主要手段之一。为了探讨北斗获取基线向量能力，本项目利用长约为5m和450km的两条基线探讨了获取的基线精度。结果显示，北斗与GPS得到的基线绝对长度值一致，且基线长度随时间变化速率间没有显著差异。北斗能够准确反映这两个站点间的基线长度与变化速率特征，即北斗可以同GPS一样用来监测站点间基线的线性变化速率。

另外，本项目通过统计除四川筠连外其他6个站点间的15条基线速率误差，给出了北斗与GPS测量基线精度结果，如图3所示。图3结果显示基线速率误差与基线长度成正相关性，这说明北斗与GPS能更好的监测短基线的速率变化。在基线不超过500km时，北斗与GPS能够监测基线变化率的精度分别为：0.4mm/a和0.2mm/a，且两者的精度都将随基线缩短而进一步提高。

尽管北斗与GPS都能够监测基线的变化速率，但其精度要弱于GPS，这一弱点在研究基线季节性波动时得到了体现，GPS能够明显监测到由季节性变化或模型误差带来的周期性波动信号，而在北斗观测中并没有这种波动信号。但因为北斗信号的基线残差幅度与GPS信号观测到的周期性波动幅度相当，所以很难在北斗信号中检测出这一周期性信号。其主要原因在于目前北斗导航系统卫星星座和各种模型尚不完善，以及其卫星精密轨道与钟差产品的精度比GPS稍低等。

图3 基线速率误差与基线长度相关图

3.北斗获取速度场的能力。速度能够表示单个测站运动的大小和方向，速度场则是空间范围内多个测站的速度集合，它能够很好地反映出地壳运动的背景趋势，是长期观测的结果，也是地壳运动监测的主要成果之一。本项目通过对精密单点定位结果采用线性回归方法得到了7个台站在2008版国际地球参考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）下的速度场，结果如表2所示。

表2结果显示，北斗与GPS分别获取的两套速度场结果在水平向的差异约为1～2 mm/a，在垂向的差异约为10～15 mm/a。两套系统在水平方向的速度场不存在朝某一方向的整体性运动差异，而除四川筠连站点外所有站点的北斗与GPS之间的垂向速度差均有上升趋势， 这说明北斗与GPS定位结果之间存在差异性，这一差异体现在垂向。基于框架转换的“七参数”方法，本项目讨论了北斗与GPS定位结果之间的差异性，该方法由赫尔默特提出，七个参数包括了三个平移参数、三个旋转参数和一个尺度因子。经研究发现尺度因子的偏移并不影响水平和垂向速度场，而尺度因子的趋势性变化主要影响垂向速度场。因此，我们认为北斗与GPS垂向速度场差异是框架尺度因子波动所带来的影响。

另外，北斗导航系统星座并不完善，虽然能对亚太地区提供很好的定位服务，但其地面跟踪站点只分布在亚太地区，且北斗卫星端和接收端天线相位中心等相关改正模型还不完善。这都有可能造成框架实现时尺度因子的偏离。这一情况将随着卫星星座的完善、地面跟踪站在全球逐步建设及北斗相关改正模型的完善而得到改善。

成果推广应用及下一步工作设想

通过本项目的研究发现，在当前北斗导航系统卫星星座分布下，北斗导航系统精密单点定位精度在水平和垂向分别约为8mm和20mm。通过对当前北斗导航系统定位精度、基线时间序列和速度场获取能力的研究发现，当前北斗导航系统精密单点定位能够准确监测到站点区域的水平速度场及基线速率变化特征，虽然其监测到的垂向速度场误差较大，但这将随着北斗系统星座的完善、地面跟踪站点的加密建设以及各种模型的改进而减弱，届时北斗导航系统的定位精度将得到进一步提高，从而促进北斗导航系统在地壳运动监测中的广泛应用。

随着北斗导航系统的逐步发展，其在地壳运动监测中的应用能力逐渐体现，特别是近些年北斗导航系统在大地震地表运动及同震形变获取中的应用：在2015年4月25日尼泊尔8.1级地震中，北斗与GPS联合观测得到地表运动较单GPS结果在精度上有了20%的提升；北斗地基增强系统站点在2017年8月8日九寨沟7.0级地震发生后，快速获取了地表运动。如图4与图5所示。

表2 北斗与GPS在ITRF08框架下的速度场

图4 拉萨站获取的尼泊尔地震地表运动（绿色为GPS定位结果，红色为北斗导航系统定位结果，蓝色为GPS与北斗联合定位结果）

尽管北斗导航系统在地壳运动监测中已经取得一些研究成果，但是北斗导航系统卫星星座目前并没有部署完成，地面基站在项目实施期间也没有完全运行，因此北斗导航系统受精密单点定位精度的限制，目前在地壳运动监测中的应用有限，在以后的工作中将进行以下几项工作：

1.随着北斗导航系统第三代卫星的逐步发射及地基增强系统全面展开，其定位精度将逐步提升。现阶段，笔者将利用差分方法减少卫星轨道及钟差产品对定位精度的影响，以期进一步提高北斗导航系统的定位精度，逐步将北斗导航系统纳入地壳运动监测和地震分析预报工作中。

图5 GNSS获取的九寨沟地震同震位移（红色五角星为震中位置, 蓝色圆点为余震分布）

2.导航系统定位需地面接收站有开阔的卫星通视条件，在观测条件差的情况下，单系统卫星可见性不佳，而组合卫星导航系统可增加可见卫星数，从而改善卫星定位结果。已有研究发现，北斗导航系统与GPS联合实时定位不仅能够缩短定位收敛时间，而且可以提高定位精度。研究北斗导航系统与其他导航系统间联合实时定位，需要每个导航系统实时卫星轨道和钟差产品的支撑，通过对卫星轨道和钟差产品的实时计算与获取，促进对北斗导航系统与GPS联合实时定位精度的研究，进而提高系统定位精度与稳定性，使北斗导航系统最终从米级向厘米级精度导航应用进军；促使区域精细化农业、车辆车道导航、智慧物流等高精度应用走向全球，加快推进北斗在全球实时导航定位服务中的推广应用。

3.限于卫星轨道和钟差产品的更新频率，GNSS高频实时定位目前采用的频率大多为1HZ，而强震仪数据采集频率可达100HZ，然而强震仪记录的数据通常为加速度值，需要通过两次时间积分得到位移值，积分就会存在强震仪仪器漂移和积分误差等问题。通过研究GNSS实时定位结果与强震触发数据相融合，可以克服GNSS频率不高、强震仪仪器漂移及积分误差等问题，从而得到高精度高频率的地表运动结果。利用地表运动最大位移与震级间的经验关系式，可以快速获取地震震级；利用高精度高频率地表运动结果，基于地下断裂模型与地表运动间的数学关系，可以反演得到发震断层破裂的时间进程。基于获取的地表运动、地震震级和发震断层破裂的时间进程，可以快速评估地震可能的破坏范围和程度，为灾区的应急救援提供基础资料。另外，由于地震发生后会激发横波与纵波两种波，纵波传播速度通常是横波的2倍，而引起建筑物倒塌的往往是横波，因此可以利用纵波与横波之间的到时差来发布预警。基于此，我们将尝试利用极震区GNSS站得到的实时震级和破坏范围及程度，向极震区外围实时发出预警信息。