GNSS基准站连续观测资料应用研究

夏小波

摘要：GNSS观测资料应用的基本思路是通过软件进行数据处理，处理的结果有无约束平差产出的基线和约束平差产出的点位移两种，数据过程中虽然进行了各种模型的改正，但解算结果中仍然存在误差，因此对基线进行滑动均值等方法处理，处理后的结果可用于断层的活动性分析，点位移则用于分析云南省内主要块体的相对运动状态。

关键词：GNSS基准站;连续观测资料应用

随着空间技术和通信技术的发展，全球导航卫星系统（ GNSS） 相关技术已经逐渐成为导航、定位领域的主要手段，而且占据了广阔的市场。而网络技术的出现，又为GNSS 技术的应用拓展了一个高精度、高效率、高可靠性的应用空间。在GNSS技术和网络信息技术不断完善的基础上，我国GNSS 连续运行基准站网建设已全面展开。

1 相关现状

连续运行基准站网可以维持相应区域的高精度、三维、地心、动态坐标框架，提供集约化的定位和导航服务，可广泛服务于国家大地基准、气象、地球动力学、地学灾害监测，以及位置服务等领域。但由于地区和行业差异，各部门在建设GNSS 连续运行基准站网时技术要求不尽相同，相互之间也不能实现数据共享，有些地区存在重复建设、资源浪费的现象。因此需要制定相关技术规范，明确规定基准站选址、基建、设备配置、数据管理系统、数据处理系统、产品服务系统等诸多环节的技术要求，并在数据采集方式、数据存储格式、信号编码和传输格式等大的方面提出统一格式，使基准站网的建设、管理和运行规范化、制度化，改变过去多样化、无统一标准的建设，使各系统在全国范围整体应用上充分发挥其作用，实现节约资源、信息共享，并为大地测量基础设施建设、国家框架基准的维护奠定基础。在基准站的建设上应采取如下措施：基准站地基坚实稳定，视野应宽阔，远离大功率无线点发射源等不利因素。同时应在选定的站址上架站测试数据，采集24h的观测数据进行必要的数据质量分析，从而更清楚地了解拟建站址周边的环境是否存在对参考站的干扰，有否引起多路径效应的反射物以及电离层，对流层的影响情况，从而确保参考站系统建设的质量。

2 GNSS基准站连续观测资料应用研究

2.1 处理软件。目前，国际上广泛使用三大高精度GPS数据处理软件，由于软件采用的是开源代码形式，因此得到了更为广泛的运用，也使用此软件进行数据处理。地球参考框架是天文学和地学界研究的基本问题之一，随着科学技术的发展，人们对地球参考框架的建立与维持提出了越来越高的要求。国际地球自转服务发布的国际地球参考框架序列是国际上公认的精度最高，稳定性最好的参考框架。在数据解算过程中，可以通过选择各种不同的模型对处理过程进行干预，模型的选择对解算结果的精度有一定的影响，为了满足分析数据处理需求，笔者采用了卫星轨道的松弛模式进行数据处理，有利于最大限度地利用区域观测数据精化卫星轨道，同时也保证了数据处理结果的一致性;并引人了固体潮模型和海潮模型对观测值进行改正;此外，由于数据的观测误差主要来源于信号的多路径效应和大气对流层的折射，这些误差与卫星的截止高度角密切相关，因此笔者采用了依据卫星截止高度角ELEV定权的方法，以减少误差;数据处理时还引入了极移、岁差、章动等物理效应数据，用模型进行改正。如果基准站延迟时间过长，则该基准站的数据将不参与整网解算，会影响差分信息的质量。当全球坐标框架發生变化、更新时，或由于地壳运动、地面沉降等自然或人为因素造成基准站显著位移时。基准站接收机采样率越高，生成的虚拟观测值与原始观测值的一致性越好，且所有观测卫星均体现这一规律。分析其原因大概有两点：一方面，接收机钟差随着时间变化较为迅速并且没有规律，采样率越小影响越大;另一方面，采样率越高，对流层延迟、电离层延迟等误差项差异越小，保证了观测值的一致性。采样率越高出现跳动的次数越少，且幅值明显更小，任选一颗卫星做星际单差后发现跳动未再出现，故推测是接收机钟差的影响。

2.2 观测值生成。基准站虚拟观测值的生成，就是选取非采样点最近邻的前后两个观测历元的观测数据，计算其残差，并拟合得到非采样点的残差，最终获取虚拟观测值。接收机通常使用石英钟，它的钟差略大，不够稳定，没有明显的变化规律。基于接收机钟的这种特性，将其钟差作为未知参数估计，利用精度能够达到对流层湿延迟难以使用固定的模型加以修正，也将它作为待求解参数，利用对流层天顶湿延迟的精度可以达到厘米甚至毫米级别。利用消电离层组合对非采样点前后两个观测历元的基准站参数加以估计，而基准站坐标精确已知，待估参数仅包括接收机钟差、对流层天顶湿延迟和消电离层模糊度。对流层天顶干延迟、卫星钟钟差等可通过剩余的不能或微小误差归入到残差中。利用测站真实坐标便可真实卫地距，再与观测值和上述误差项一并求取两个同步历元的残差。由于电离层延迟随着时间变化较为缓慢，因此，通过一阶多项式函数拟合获取非采样点残差中的该项误差;再通过相关获得非采样点卫星钟钟差、对流层延迟、卫地距;进一步获取非采样点的虚拟观测值。由于接收机钟差变化快、规律性差且在差分时完全可以消掉，故在非采样点处不再考虑。

2.3 点位移的应用。点位移在直观性和可靠性方面更具优越性，因为点位移的变化反映的是单点的信息，而基线反映两个点间的相对位置，与两个点相对运动相关，且点位移是通过多条观测基线平差得到，存在多余观测值，可靠性好。但它也有局限性，因为点位移的求解存在框架的选择问题，点位的速度场会因所选取的参考基准的不同而呈现不同的图像，但其所包含的相对运动信息不变，为了选择一个好的参考框架，能够真实反映内部各个块体问的相对变化情况，在试算分析之后，我们选择了点作为参考，因为该点相对稳定，求出其他点位为参考的相对位移。在点位移的求取过程中采用了4天数据进行联合平差，点位坐标的精度得到了大幅提高，确保了点间相对运动的可靠性。各个点位由于数据时间长短不同，运动量的差异也比较大，但点位运动方向从最初的东向，这些现象都表明菱形块体的南向运动受到了阻挡，地震之前块体间相对运动出现了背离长期运动背景的现象。

GNSS基准站站点的建成，地震预测预报工作增加了一个高精度、高可靠性、全天候服务的监测手段，从基线数据、点位移数据的分析中可以看出，在地震发生前，GNSS站点所反映的地壳运动信息中包含的一些现象值得我们关注，如何对这些信息进行深加工、处理是今后我们面对的主要问题，在今后的工作中还有许多方法值得探索，让GNSS观测资料在地震预测和预报中的作用得到更为充分的体现。

参考文献：

[1] GB/T 28588-2018 全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范[S].中国标准出版社.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.2012-06-29

[2] 国家GNSS 连续运行基准站站址勘选技术要求

[3]聂桂根，王院.对GPS数据质量的评定及软件界面的开发[J]. 全球定位系统，2017，（04）：32-38