昌平斷裂交匯區(qū)GNSS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

魯亞軍 馬一方 胡樂(lè)銀 李平安

(北京市地震局, 北京 100080)

0 引言

昌平-順義-海淀交界區(qū)是北東向小湯山-東北旺斷裂和黃莊-高麗營(yíng)斷裂與北西向南口-孫河斷裂的交匯區(qū)(簡(jiǎn)稱昌平斷裂交匯區(qū)),該區(qū)域是北京平原區(qū)內(nèi)活動(dòng)斷裂、第四紀(jì)隱伏凹陷、現(xiàn)今地面沉降和地震活動(dòng)疊加發(fā)育發(fā)生的典型地區(qū)[1-3]。利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)開(kāi)展該區(qū)域高精度的地殼形變動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析,能夠深化區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)、地面沉降、地震活動(dòng)特征與規(guī)律及其相互關(guān)系的認(rèn)識(shí),有利于提升該區(qū)域的地震監(jiān)測(cè)能力和對(duì)地震活動(dòng)趨勢(shì)的科學(xué)把握。

為了完善昌平斷裂交匯區(qū)GNSS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),北京市地震局于2019年8月新建了5個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行觀測(cè)站,與區(qū)內(nèi)4個(gè)現(xiàn)有連續(xù)運(yùn)行GNSS觀測(cè)站[4]組成一個(gè)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),以獲取該區(qū)內(nèi)三維地殼形變信息以及3條主要活動(dòng)斷裂(南口-孫河、東北旺-小湯山和黃莊高麗營(yíng)斷裂)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于GNSS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度和可靠性,對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量分析和檢查是應(yīng)用中的一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)工作[5-8]。因此,本文選取觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率、周跳比、多路徑效應(yīng)、信噪比等指標(biāo)進(jìn)行昌平斷裂交匯區(qū)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)價(jià)工作。研究成果有利于后續(xù)GNSS數(shù)據(jù)處理選擇更為合適的函數(shù)模型和隨機(jī)模型,且在數(shù)據(jù)解算結(jié)果出現(xiàn)異常時(shí)能夠快速找出原因,對(duì)于GNSS監(jiān)測(cè)區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)的結(jié)果分析具有重要的指導(dǎo)作用。

1 數(shù)據(jù)情況

本次數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查工作不僅包含昌平斷裂交匯區(qū)5個(gè)新建的GNSS觀測(cè)站,而且包含區(qū)內(nèi)4個(gè)現(xiàn)有的GNSS觀測(cè)站(北京市連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站，BJCORS),9個(gè)測(cè)站的空間分布如圖1所示,其中,五角星代表新建測(cè)站,圓點(diǎn)代表原有測(cè)站。對(duì)于新建測(cè)站,即板橋站(BANQ)、昌平地震臺(tái)站(CPDS)、鳳凰山陵園站(FHSL)、高崖口站(GYKC)、果莊村站(GZHC)，其觀測(cè)數(shù)據(jù)包含全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS是俄語(yǔ)“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)global navigation satellite system”的縮寫(xiě))和伽利略(Galileo)4個(gè)系統(tǒng)。對(duì)于原有測(cè)站,即測(cè)繪院基站(CEHY)、昌平基站(CHPN)、石景山基站(SHIJ)、牛欄山基站(NLSH)，其觀測(cè)數(shù)據(jù)包含GPS和GLONASS兩個(gè)系統(tǒng)。本文選取2019年第218天和2020年第366天的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查,采樣間隔為15 s,截至高度角為10°。

圖1 昌平斷裂交匯區(qū)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)的空間分布注：圖中測(cè)站,GZHC為果莊村站，F(xiàn)HSL為鳳凰山陵園站，CHPN為昌平基站，BANQ為板橋站，NLSH為牛欄山基站，GYKC為高崖口站，CPDS為昌平地震臺(tái)站，SHIJ為石景山基站，CEHY為測(cè)繪院基站。

2 參數(shù)計(jì)算

本文根據(jù)《中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)技術(shù)規(guī)程》《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 18314—2009),選取觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率、周跳比、多路徑效應(yīng)(MP1和MP2)、信噪比作為質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[9-11],使用的數(shù)據(jù)質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)據(jù)有效率大于85%,o/slips大于200,MP1平均值小于0.5 m,MP2平均值小于0.75 m[12-14]。本文利用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)程序完成支持RINEX2/3格式的GPS/BDS/GLONASS/Galileo觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查,下面對(duì)選取的相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算進(jìn)行說(shuō)明。

數(shù)據(jù)完整率能夠反映GNSS測(cè)站周邊環(huán)境,例如，是否存在較高建筑物遮擋,其計(jì)算公式為

(1)

式中,Na為完整觀測(cè)值個(gè)數(shù)；Ns為預(yù)期完整觀測(cè)值個(gè)數(shù),其計(jì)算方法為利用廣播文件計(jì)算相應(yīng)時(shí)刻測(cè)站觀測(cè)到的所有衛(wèi)星的高度角,如果計(jì)算高度角大于10°,則增加預(yù)期完整觀測(cè)值個(gè)數(shù)。

周跳比能夠反映數(shù)據(jù)的周跳情況,為完整觀測(cè)值個(gè)數(shù)與周跳數(shù)的比值o/slips,數(shù)值越小表明周跳越嚴(yán)重。本文采用電離層殘差組合和MW組合進(jìn)行周跳的探測(cè)，如式(2)、式(3)所示。

式中,φ1和φ2為相位觀測(cè)值；P1和P2為偽距觀測(cè)值；f1和f2為載波頻率。

本文計(jì)算的MP1和MP2值分別表示L1、L2載波上的多路徑效應(yīng)對(duì)距和相位影響的綜合指標(biāo),其值越大,多路徑影響越嚴(yán)重,其計(jì)算公式為

(4)

信噪比是指有用信號(hào)和噪聲的比值,與衛(wèi)星狀況及周圍觀測(cè)環(huán)境有關(guān)。本文利用接收機(jī)給出的L1和L2相位觀測(cè)值的原始信號(hào)強(qiáng)度日均值給出,給出L1和L2的信噪比值SNR1和SNR2，其中，SNR是信噪比(signal-to-noise ratio)。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果

在數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查之前,本文首先利用GDP軟件查看了各測(cè)站的衛(wèi)星可見(jiàn)性[15]。GPS和GLONASS為全星座運(yùn)行,在一天內(nèi)兩衛(wèi)星系統(tǒng)均可觀測(cè)15顆衛(wèi)星以上。BDS和Galileo在2019年正處于組網(wǎng)階段,特別是Galileo可見(jiàn)衛(wèi)星很少且觀測(cè)質(zhì)量較差。因此本文在對(duì)新建測(cè)站的分析中,將不再包含Galileo觀測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于原有測(cè)站,其觀測(cè)數(shù)據(jù)僅包含GPS和GLONASS。限于篇幅,下文隨機(jī)選取BANQ測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明,其他測(cè)站僅列出日均值結(jié)果。

圖2給出了BANQ站的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查結(jié)果,由圖可知,在數(shù)據(jù)完整率方面,GPS數(shù)據(jù)完整率均超過(guò)85%,而B(niǎo)DS數(shù)據(jù)完整率較低(<80%),在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)(共計(jì)514天),GLONASS數(shù)據(jù)僅有107天的數(shù)據(jù)完整率超過(guò)85%;在周跳比方面,3個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)均有較好的結(jié)果,表明數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定,受衛(wèi)星失鎖、信號(hào)中斷等影響較小;在多路徑效應(yīng)方面,除了個(gè)別觀測(cè)天數(shù)MP1值超過(guò)0.5 m,其他時(shí)間內(nèi)MP1和MP2值均符合數(shù)據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)要求;在信噪比方面,3個(gè)系統(tǒng)接收信號(hào)的強(qiáng)度均較為良好。表1～表3給出了所有測(cè)站在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查指標(biāo)的日均值。結(jié)果表明,新建測(cè)站在數(shù)據(jù)有效率方面較原有測(cè)站較差,新建測(cè)站GPS觀測(cè)的數(shù)據(jù)完整率比較穩(wěn)定,其他兩個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整率較低,后續(xù)有待進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。原有測(cè)站的o/slips較新建測(cè)站離散程度小,尤其是新建測(cè)站BDS和GLONASS兩個(gè)系統(tǒng)的周跳相對(duì)嚴(yán)重。在信噪比方面,除了GPS和GLONASS的L2相位觀測(cè)值信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較弱以外,其他GNSS信號(hào)強(qiáng)度均較為良好。所有測(cè)站受到多路徑的影響均較小,特別是新建測(cè)站的BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此,昌平斷裂交匯區(qū)GNSS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)質(zhì)量較好,后續(xù)可繼續(xù)升級(jí)硬件系統(tǒng)以滿足BDS應(yīng)用的需要。

圖2 BANQ站數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查結(jié)果注：圖中，BDS為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system)；GPS為全球定位系統(tǒng)(global positioning system)；GLONAS為格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(是俄語(yǔ)“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)global navigation satellite system”的縮寫(xiě))；SNR為信噪比(signal-to-noise ratio); MP1 和 MP2 值分別表示L1、L2 載波上的多路徑效應(yīng)對(duì)距和相位影響的綜合指標(biāo)。

表1 觀測(cè)時(shí)段內(nèi)各測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查指標(biāo)平均值(GPS)

表2 觀測(cè)時(shí)段內(nèi)各測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查指標(biāo)平均值(GLONASS)

表3 觀測(cè)時(shí)段內(nèi)各測(cè)站數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查指標(biāo)平均值(BDS)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)選取數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)、信噪比以及周跳比等數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)昌平斷裂交匯區(qū)9個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行了分析與評(píng)估,得出以下結(jié)論：(1)所有測(cè)站的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率均符合規(guī)范要求,新建測(cè)站的BDS和GLONASS數(shù)據(jù)完整率較低,不符合規(guī)范要求;(2)所有測(cè)站受到多路徑效應(yīng)的影響均較小;(3)所有測(cè)站接收到信號(hào)的強(qiáng)度良好,尤其是新建測(cè)站的BDS觀測(cè)數(shù)據(jù);(4)所有測(cè)站的周跳現(xiàn)象均較少,觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。昌平斷裂交匯區(qū)9個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,可為后續(xù)地殼形變的監(jiān)測(cè)提供完整、可靠、高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù),新建測(cè)站的硬件設(shè)備有待升級(jí),以滿足后續(xù)BDS的推廣應(yīng)用。