不同精密星历对震时高频GNSS解算结果精度分析

师芸,申靖宇, 邬康康,张璐,曹翠华,田凡

(西安科技大学 测绘科学与技术学院,陕西 西安 710054)

0 引 言

近年来,随着全球卫星导航系统(GNSS)相关技术水平的不断提高,高频GPS接收机的性能大大增加,GNSS在监测地壳形变中已经得到很好的应用,同时对加速度的地震仪器记录有很大的补充功能[1-3]．

当今,具有高频动态定位模块的几大高精度GNSS数据处理软件,如GAMIT中TRACK模块具有相对差分动态定位功能,Bernese软件以及GIPSY软件和武汉大学的PANDA软件都具有精密单点定位(PPP)模块,采用的是非差动态定位[4-6]．

在震时高频GNSS数据处理中需要星历数据,星历分为广播星历和精密星历．国际GNSS服务(IGS)为了满足不同类型用户的需求提供了不同精度的星历,如广播星历、最终精密星历(IGF)、快速精密星历(IGR)、超快速精密星历．广播星历可实时获得、精度最低,一般用于低精度定位;而要高精度定位,则必须应用精密星历．由于IGS数据中心提供的IGF存在一定的延迟,在地面形变监测、震时数据反演、短临地震预测等定位领域具有很广泛的应用．因此,分析不同星历文件对震时高频GNSS数据解算结果精度影响分析就显得尤为重要．

表1示出了IGS公布的不同星历的精度和时延信息．

表1 GPS卫星星历产品

由表1可知,不同星历文件的获取时间延迟是不同的,其中,IGR的延迟时间比IGF延迟时间大大缩短．因此,随着震时高精度高频率定位工作效率的提高,就需要针对不同精密星历分析其对震时高频GNSS数据处理结果的精度比较和分析, 是本文的重点．

采用GAMIT/TRACK软件动态单点定位的方法,解算UTC时间2010年4月4号墨西哥Baja地震周围GPS站为5 Hz高频观测数据的结果来说明不同星历对震时高频GNSS数据解算结果影响．

1 定位理论

在进行GNSS数据处理时,一般包括两种定位模式:单点定位和相对定位．不同精密星历对两种定位模式的影响也是不同的．

1.1 单点定位

20世纪70年代精密单点定位(PPP)概念被提出[7]．通常情况下,不考虑系统误差、偶然误差和观测市场误差等因素影响时,GPS卫星星历误差量级与卫星单点定位量级总体上一致[8-9]．

1.2 相对定位

GPS卫星星历误差相对定位的影响公式如下:

2 实例分析

主要使用由美国麻省理工学院(MIT)研制的GAMIT/软件,Track是其中的一个单历元动态定位模块,能处理获取的高频GNSS数据[12-14]．

2.1 数据获取

根据美国地质调查局(USGS)报道,2010年4月4日UTC时间22点40分42秒,墨西哥Baja California(32.259 °N,115.287 °W) 北部发生Ms7.2级地震,本文选取了Baja地震周围的(P494、P496、P497、P501、P508)5个GPS观测站采样率为5 Hz的高频数据,图1为GPS观测站站点图,图中ZX表示Baja震中位置．星历文件由IGS提供的ftp下载(ftp://igs.ensg.ign.fr/pub/igs/products/),GPS高频观测数据由UNAVCO机构提供,可从该机构提供的ftp下载(ftp://data-out.unavco.org/pub/highrate/rinex/)．

图1 GPS观测站分布图

2.2 数据处理

对于Baja地震周围的(P494、P496、P497、P501、P508)5个GPS观测站,进行震时高频数据处理时,选取离震源较远P508站作为参考站,其他几个站为观测站,利用GAMIT软件的Track模块进行震时高频数据解算,选取22:00—24:00时间段共36 000个历元的GPS观测数据进行处理．

2.3 结果分析

分别采用IGS数据中心提供的IGR和IGF数据进行震时高频GNSS数据解算,处理的结果大体上都相差很小,选取近震区的P494和P497两个站数据处理的结果进行分析,得到两个站点瞬时同震形变时间序列E、N、U方向的解算结果,如图2所示．

图3 IGR星历P494、P497两站E、N、U方向结果

图4 不同精密星历对P494站处理的E、N、U方向结果对比

从图4中可以看出采用IGR和IGF两种星历在进行震时高频GNSS数据处理后的结果趋势基本一致．

由于两种星历处理的结果相差不大并且处理的历元数据量较大,因此,使用MATLAB软件每隔50个历元取一个数据比较两种星历处理的震时高频数据结果的差值,结果如图5所示

图5 两种精密星历对P494站处理的E、N、U方向结果差值

从图5中可以看出,两种星历处理的结果差值,在E方向差值阈值为0～3 cm,RMS值为1.071 7;N方向差值阈值为-0.5～3.5,RMS值为1.242 5 cm．U方向差值阈值为-1～4 cm,RMS值1.868 0,E、N、U方向偏差总体来看,当X轴值在200～300时对应历元为10 000～15 000,此时是地震发生期间,差值较周围变化大且变化值在1 cm左右．

图6 P494站两种星历处理结果E、N、U方向差值图

图7 P497站两种星历处理结果E、N、U方向差值图

综合图5、6、7整体分析,在10000～15000历元时(地震发生期间),E、N、U方向两种星历处理结果偏差较其他时间段的结果偏差大,最大差值不超过4 cm．其他时间段的结果偏差较小,且E、N方向最大差值不超过2.2 cm,U方向结果偏差较大整体偏差在-1～4 cm．

整体来看,对于IGR和IGF震时高频GNSS数据解算结果的差值,最大差值为4 cm,且在E、N方向偏差很小,U方向差别稍大些．为了验证计算结果,本文使用美国地质调查局2010年Baja地震发生的时间与解算结果分析得到的时间进行对比,如图8所示．

图8 P494站E、N、U方向的同震形变位移时间序列图

从图8中,可以看出,两种星历的震时解算时间序列和震时变化幅度的结果一致,在第12 130个历元时即22时40分26秒时刻E、N、U方向发生突变．美国地质调查局公布Baja地震发生时刻为22时40分42秒,解算结果反应地震波到达GPS观测站(P494)的时间为22时40分26秒,P494观测站与震中位置相距约95 km,地震波传播平均速度为3.939 km/s[15],可以推算出地震发生时刻为22时40分48秒,与美国地质调查局公布发震时间相差6 s,这是由于地壳内部杂质复杂且分布不均匀,导致地震波在各个方向上的传播速度不同造成的．

3 结束语

本文通过使用不同的精密星历对2010年4月4日Baja地震周围5个GPS观测站5 Hz的高频观测数据进行处理,获得了不同精密星历对震时高频GNSS数据动态单历元定位的精度影响,并对不同精密星历处理结果进行精度分析．可以得到以下结论:

1)在进行震时高频GNSS数据处理时,在同一种定位模式下采用不同的精密星历得到的震时高频GNSS解算结果是大致相同的．

2)不同精密星历在进行震时高频数据解算时解算结果之间的差值不大,在E、N方向上差值最大不超过2.2 cm,RMS值分别为1.071 7和1.242 5,在U方向上差值最大不超过4 cm,RMS值为1.868,U方向的差值较E、N方向差值大些是由于GPS U方向定位精度比E、N方向低．

3)在地震期间不同精密星历处理结果之间的差值较平常结果差值大1 cm左右,但不同精密星历处理结果反映地震波到达观测站的时间几乎是一致的．

4)在进行震时高频GNSS数据解算过程中,可以进行不同精密星历之间的替代使用,对解决解算震时高频GNSS数据获取IGF时延较长的问题有很大帮助．