遼寧省GNSS連續(xù)觀測(cè)站建設(shè)與數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

孔祥瑞，羅 勇

（1. 遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2. 四川省地震局，四川 成都 610044）

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡(jiǎn)稱(chēng)GNSS）是能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶(hù)提供全天候三維坐標(biāo)、速度及時(shí)間信息的空基對(duì)地的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，GNSS數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地殼形變，大地測(cè)量等領(lǐng)域，并且在地震預(yù)測(cè)及孕震分析等地震相關(guān)領(lǐng)域起到了至關(guān)重要的作用[1]。目前，為了更精確的獲得遼寧地區(qū)現(xiàn)今地殼形變信息，結(jié)合中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱(chēng)“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”）在遼寧省境內(nèi)現(xiàn)有5 個(gè)連續(xù)GNSS 觀測(cè)站的分布情況，遼寧省地震局實(shí)施了“遼寧省前兆臺(tái)網(wǎng)新增觀測(cè)手段建設(shè)項(xiàng)目”，在現(xiàn)有5 個(gè)GNSS 連續(xù)觀測(cè)站基礎(chǔ)上，新建5 個(gè)連續(xù)GNSS觀測(cè)站，進(jìn)而補(bǔ)填監(jiān)測(cè)空白區(qū)域，使觀測(cè)站點(diǎn)更好的覆蓋遼寧地區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遼寧地區(qū)重大地震構(gòu)造帶郯廬斷裂帶和遼寧地區(qū)主要發(fā)震斷裂活動(dòng)區(qū)域的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而達(dá)到遼寧地區(qū)地震預(yù)報(bào)長(zhǎng)、中、短臨預(yù)測(cè)對(duì)形變觀測(cè)數(shù)據(jù)的需求。

通過(guò)簡(jiǎn)要介紹本次建設(shè)的5 個(gè)遼寧省GNSS連續(xù)觀測(cè)站土建工程中不同觀測(cè)墩施工方式，以及處理分析運(yùn)行一年積累的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)了基準(zhǔn)站的周?chē)h(huán)境和儀器自身的穩(wěn)定性，為GNSS 連續(xù)觀測(cè)站的建設(shè)、維護(hù)及升級(jí)改造提供了參考。

1 遼寧GNSS連續(xù)觀測(cè)站基本概況

目前，陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)在遼寧地區(qū)共建設(shè)5 個(gè)連續(xù)運(yùn)行的GNSS 基準(zhǔn)站，分別是遼寧沈陽(yáng)（LNSY）、 遼寧營(yíng)口（LNYK）、 遼寧丹東（LNDD）、遼寧金州（LNJZ） 和遼寧葫蘆島（LNHL），雖然基本滿(mǎn)足遼寧地區(qū)GPS地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的需求，但對(duì)遼寧地區(qū)內(nèi)主要斷裂的活動(dòng)性監(jiān)測(cè)依然存在不足。為了更好地監(jiān)測(cè)遼寧省內(nèi)主要斷裂活動(dòng)，如郯廬斷裂帶、金州斷裂帶，遼寧省地震局新建撫順、建昌、鞍山、岫巖、桓仁5個(gè)GNSS連續(xù)觀測(cè)站（圖1）。

本次新增5 個(gè)GNSS 連續(xù)觀測(cè)站均為T(mén)rimbleNetR9 接收機(jī)，Trimble GNSS-TI 扼流圈天線，能夠接收GPS、GLONASS、北斗和伽利略等多個(gè)定位導(dǎo)航系統(tǒng)，點(diǎn)位選擇和施工建設(shè)嚴(yán)格按照《全球定位系統(tǒng)（GPS） 測(cè)量規(guī)范》（GB/T18314—2009）和《地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》要求，最大程度減小多路徑和周跳等因素造成的誤差，為GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)資料的后續(xù)使用和分析應(yīng)用提供質(zhì)量保障[2-3]。

2 GNSS基準(zhǔn)站的土建工程

GNSS連續(xù)觀測(cè)站的土建工程主要包括觀測(cè)墩、觀測(cè)室以及防雷工程三部分，本文將介紹觀測(cè)墩施工建設(shè)中所采取的施工辦法和技術(shù)。本次建設(shè)的5 個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)墩包含基巖觀測(cè)墩和土層觀測(cè)墩，根據(jù)本項(xiàng)目要求，對(duì)于基巖深度不超過(guò)10 m的地區(qū)做基巖點(diǎn)設(shè)計(jì)，超過(guò)10 m地區(qū)做土層點(diǎn)設(shè)計(jì)，基巖觀測(cè)墩和土層觀測(cè)墩在技術(shù)要求上略有不同，且施工方案也存在一定差異。

2.1 觀測(cè)墩基坑處理

2.1.1 基巖點(diǎn)觀測(cè)墩

基巖觀測(cè)墩需要鋼筋混凝土與基巖完整固定一起。由于漏出基巖或埋藏基巖表面存在風(fēng)化現(xiàn)象，開(kāi)挖到基巖后需首先將基巖表面風(fēng)化層清除。同時(shí)為了保證基巖的完整性以及鋼筋混凝土與基巖固定緊密接觸，開(kāi)挖方式選取人工挖掘。開(kāi)挖時(shí)需采取安全措施，開(kāi)挖邊界使用混凝土井圈進(jìn)行護(hù)壁以防止土方滑坡，當(dāng)井圈下沉后可繼續(xù)安裝直至達(dá)到基巖深度為止。對(duì)基巖風(fēng)化層清理后再向下開(kāi)鑿0.5 m，并對(duì)開(kāi)鑿后的基巖表面打0.4 m的鉆孔，以讓鋼筋籠下部插入基巖中，使之與基巖固定。

2.1.2 土層點(diǎn)觀測(cè)墩

土層點(diǎn)觀測(cè)根據(jù)技術(shù)規(guī)范和本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求與基巖點(diǎn)觀測(cè)墩施工總體一致，但存在細(xì)節(jié)差別，如基巖點(diǎn)設(shè)計(jì)觀測(cè)墩地下部分需與基巖緊密接觸，而土層點(diǎn)澆筑深度根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范以及技術(shù)章程要求，應(yīng)不少于10 m。由于部分點(diǎn)位水層較淺，以本次施工點(diǎn)南山城站點(diǎn)為例，該站含水層深度為7.5 m，為保障施工安全，停止人工挖掘，更換鉆孔機(jī)械設(shè)備繼續(xù)施工。為保證觀測(cè)站點(diǎn)穩(wěn)定性，鉆孔穿過(guò)水層后繼續(xù)增加地下深度，直至達(dá)到基巖，深度共計(jì)14 m。水下混凝土澆筑方法選擇導(dǎo)管法澆注，將混凝土攪拌物送至底端，并使導(dǎo)管底部埋置混凝土內(nèi)部，該操作為本次施工重要部分，也是確保混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。

2.2 觀測(cè)墩墩體澆鑄

GNSS觀測(cè)墩分為地上、地下兩部分，采取一體建筑方式一次性澆筑完成，其施工質(zhì)量取決于本次澆筑的混凝土強(qiáng)度、觀測(cè)墩表面光滑度以及觀測(cè)墩墩體垂直與平整度。本次混凝土澆筑首先將鋼筋籠主鋼筋插入基巖鉆孔并進(jìn)行澆筑固定，以保證混凝土建筑與基巖充分接觸，然后至下而上澆筑，澆筑同時(shí)用振動(dòng)棒震蕩，土層點(diǎn)地下部分一般埋藏較深，需保證混凝土達(dá)到充分震動(dòng)，以減少氣泡產(chǎn)生。地面部分首先固定鋼筋籠和模具位置，利用鉛錘、水平尺等工具保證其垂直度、平整度以及鋼筋籠是否位于模具中心位置。澆筑時(shí)利用振動(dòng)棒震動(dòng)同時(shí)輕敲模具外壁，以達(dá)到減少汽泡產(chǎn)生、確保觀測(cè)墩表明光滑度的目的。

當(dāng)澆筑完成后，需將天線預(yù)埋件、水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行安置。預(yù)埋件須嚴(yán)格居中、整平，利用圓水準(zhǔn)器對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行整平后，每2 小時(shí)進(jìn)行一次校準(zhǔn)居中，直至預(yù)埋件與混凝土固定牢固。至此觀測(cè)墩施工基本全部完成。

防雷改造工程施工應(yīng)選擇土壤條件較好的空地，開(kāi)挖寬度0.5 m、深度0.8 m 的溝槽，把2.5 m 長(zhǎng)、直徑50 mm 的鍍鋅鋼管垂直打入地下，作為地網(wǎng)的垂直接地體；鋼管之間使用石墨材料防雷模塊以達(dá)到降低電阻目的；用40×4 mm 的鍍鋅扁鋼沿溝槽把垂直接地體的鍍鋅鋼管和防雷模塊焊接，焊接處要做防腐處理。由于觀測(cè)室及防雷改造對(duì)數(shù)據(jù)自身影響不大，本文不做過(guò)多介紹。

3 GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

3.1 觀測(cè)墩墩體穩(wěn)定性分析

為了驗(yàn)證觀測(cè)墩及儀器數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，選用儀器運(yùn)行一年后的數(shù)據(jù)（2020 年）進(jìn)行處理，同時(shí)加入遼寧地區(qū)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)（沈陽(yáng)、金州、營(yíng)口、丹東），統(tǒng)一利用GAMIT/GLOBK 軟件進(jìn)行解算，處理軌道策略選用固定軌道參數(shù)解算，獲取單日解，進(jìn)而獲取各個(gè)連續(xù)站點(diǎn)的時(shí)間序列曲線（圖2），通過(guò)與陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列曲線對(duì)比，分析新建GNSS觀測(cè)站自身穩(wěn)定性。

圖2 遼寧地區(qū)GNSS觀測(cè)站原始坐標(biāo)時(shí)間序列Fig.2 Data series of GNSS station in Liaoning area

通過(guò)2020 年全年數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出：在統(tǒng)一框架下，不同站點(diǎn)的北向、南向、垂直運(yùn)動(dòng)基本一致。其中撫順南山城站（LNSC）由于施工而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸故障缺數(shù)，本溪桓仁站（LNHR）3 分量在2020 年7 月之后存在小幅加速的現(xiàn)象，初步分析認(rèn)為是夏季降雨水庫(kù)水位上升造成的應(yīng)力變化所致。

總體來(lái)看，本次施工建設(shè)的土層點(diǎn)與基巖點(diǎn)觀測(cè)墩墩體在穩(wěn)定性上均滿(mǎn)足GNSS 連續(xù)站的觀測(cè)要求，本溪桓仁站由于雨季水庫(kù)蓄水影響，存在一定干擾因素。

3.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核

本文主要使用TEQC 軟件質(zhì)量檢核功能，TEQC（Translation，Editing and Quality Checking）是對(duì)GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理軟件[4]，由UNAVCO Facility（美國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測(cè)研究大學(xué)聯(lián)合體）研制的為地學(xué)研究GPS監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)管理服務(wù)的公開(kāi)免費(fèi)軟件，主要功能有格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢核。目前該軟件在處理分析數(shù)據(jù)質(zhì)量方面得到了廣泛的應(yīng)用[5-7]，其檢查結(jié)果信息儲(chǔ)存在.S 報(bào)告文件中，其中主要結(jié)果參數(shù)為L(zhǎng)1，L2載波所對(duì)應(yīng)的的多路徑效應(yīng)Mp1和Mp2，以及觀測(cè)值與周跳比o/slps。o/slps 越小說(shuō)明周跳影響越大。為更直觀體現(xiàn)周跳對(duì)數(shù)據(jù)的影響，本文通過(guò)每千歷元的周跳數(shù)CSR來(lái)表示周跳影響：

多路徑效應(yīng)指標(biāo)Mp1，Mp2通過(guò)下式得到：

式中P1、P2為L(zhǎng)1、L2載波上觀測(cè)獲得的偽距觀測(cè)值；?1、?2為L(zhǎng)1、L2載波相位觀測(cè)值；α為L(zhǎng)1、L2波段的頻率f1、f2的平方比，即α =(f1/f2)2。Mp1、Mp2所反映的主要信息是偽距的多路徑效應(yīng)變化，例如GNSS 接收天線周邊存在如樹(shù)木，建筑對(duì)衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生遮擋，超高壓線路產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化、電離層變化，衛(wèi)星信號(hào)反射產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)，還有接收機(jī)自身性能等等因素均會(huì)產(chǎn)生低信噪比的信號(hào)導(dǎo)致周跳產(chǎn)生[8]。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核結(jié)果

本文利用TEQC 在qc-full 模式，對(duì)遼寧新建5個(gè)GNSS 連續(xù)觀測(cè)站累積的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，數(shù)據(jù)選取2020 年全年各個(gè)站每個(gè)月數(shù)據(jù)均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1）。其中撫順南山城觀測(cè)站點(diǎn)由于儀器維護(hù)，導(dǎo)致6—8 月數(shù)據(jù)缺失未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

表1 遼寧地區(qū)GNSS連續(xù)觀測(cè)站CSR、Mp1、Mp2月均值統(tǒng)計(jì)表（2020年）

從表1可見(jiàn)，各個(gè)連續(xù)觀測(cè)站的CSR、Mp1、Mp2變化都比較平穩(wěn)，其中多路徑效應(yīng)指標(biāo)Mp1、Mp2值均小于0.5，符合地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程中要求的0.5的指標(biāo)，這也說(shuō)明偽距的多路徑效應(yīng)變化對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響不大，因而周跳數(shù)值也很低。從CSR 時(shí)間序列圖來(lái)看（圖3），CSR值在0~4范圍波動(dòng)，結(jié)果表明數(shù)據(jù)質(zhì)量良好[9]。

圖3 遼寧地區(qū)GNSS連續(xù)站CSR值Fig.3 CSR values of GNSS continuous stations in Liaoning

從CSR 與時(shí)間關(guān)系來(lái)看，岫巖臺(tái)CSR 值在6—10 月份存在先上升后下降的一個(gè)過(guò)程，7、8 月份達(dá)到最高值，這一現(xiàn)象與觀測(cè)站點(diǎn)的觀測(cè)環(huán)境相關(guān)。該觀測(cè)點(diǎn)南向存在樹(shù)林遮擋影響，樹(shù)林位于觀測(cè)站南向20米處，高約12米，相對(duì)天線位置高度角約為25°，盡管對(duì)樹(shù)木進(jìn)行了修剪，但對(duì)其仍有部分影響。尤其夏季樹(shù)木相對(duì)茂密，導(dǎo)致多路徑增強(qiáng)，進(jìn)而CSR值升高。

鞍山臺(tái)與岫巖臺(tái)環(huán)境類(lèi)似，存在樹(shù)木影響，樹(shù)木相對(duì)不高，約為3 m，而GNSS 觀測(cè)墩高4 m。由于夏季樹(shù)木枝葉相對(duì)茂盛，且雨后容易產(chǎn)生水汽干擾，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，從圖3 中也可以看出鞍山5—8 月份CSR 均值明顯高于其他月份。由于篇幅限制，本文選取鞍山臺(tái)2020年1月28日和2020年7月28日天空?qǐng)D中的多路徑影響進(jìn)行對(duì)比，分析發(fā)現(xiàn)7 月28 日總體誤差略高于1 月28 日，4 h~16 h 較為明顯，且高度角越小干擾越大（圖4）。結(jié)合7 月27 日鞍山地區(qū)存在降雨，綜合分析認(rèn)為密集的樹(shù)木會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，其主要影響因素是受水汽干擾影響導(dǎo)致的多路徑效應(yīng)，但影響有限，觀測(cè)數(shù)據(jù)符合技術(shù)要求。

圖4 2020年1月28日和2020年7月28日天空?qǐng)D對(duì)比Fig.4 Comparison of sky map between January 28，2020 and July 28，2020

從圖5 中可以看出：各個(gè)觀測(cè)站Mp1值、Mp2值平均值均未超過(guò)0.5。根據(jù)觀測(cè)場(chǎng)地環(huán)境分析，岫巖站200 m 處存在高壓線路傳輸干擾，但其數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)其他站點(diǎn)并未出現(xiàn)明顯差別，因此有理由認(rèn)為與高壓線路保持足夠的距離可以降低其干擾，盡管輸電線與塔體結(jié)構(gòu)均為金屬材質(zhì)，但相比其他面狀結(jié)構(gòu)，其組成的反射面很小，并且高壓線路產(chǎn)生的影響隨距離衰減俞發(fā)明顯[10]，相比下，站點(diǎn)旁的2 層辦公樓對(duì)其產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)和衛(wèi)星高度角影響要大于電高壓線路的影響[11-12]，桓仁、建昌站與岫巖環(huán)境一致，距離天線10 米處存在2 層辦公樓等建筑，而南山城辦公樓距離接收機(jī)150 m，周邊無(wú)建筑遮擋，遮擋高度角不超過(guò)10°，相比之下其Mp1、Mp2值也優(yōu)于其他觀測(cè)站。

圖5 遼寧地區(qū)GPS連續(xù)站Mp1，Mp2值Fig.5 Mp1 and Mp2 values of GPS continuous stations inLiaoning area

4 結(jié)論

（1）從2020 年觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列曲線來(lái)看，本次設(shè)計(jì)10 m 深的土層點(diǎn)與基巖點(diǎn)在時(shí)間序列變化速率上一致，且與陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)對(duì)比分析，其曲線形態(tài)基本相同，可以得出本次建設(shè)的連續(xù)觀測(cè)站均滿(mǎn)足觀測(cè)需求，但本溪桓仁站點(diǎn)由于水庫(kù)影響，導(dǎo)致其受季節(jié)性干擾明顯。在以后選點(diǎn)堪選中需注意。

（2）本文利用TEQC 軟件對(duì)GNSS 區(qū)域站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)，通過(guò)對(duì)遼寧地區(qū)2019 年建設(shè)的5 個(gè)GNSS 站2020 年數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合各個(gè)站點(diǎn)的環(huán)境影響，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和軟件結(jié)果聯(lián)合分析，進(jìn)而驗(yàn)證進(jìn)該方法的適用性。從結(jié)果可以看出：觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量是否合格與觀測(cè)站周?chē)h(huán)境密切相關(guān)，因此建設(shè)GNSS 區(qū)域站選址方面，應(yīng)重點(diǎn)考慮環(huán)境因素。

（3）不同干擾因素對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響也各不相同，在符合技術(shù)規(guī)范要求下，高壓線路和鐵塔產(chǎn)生對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響很小，而周邊建筑對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生的影響依然可見(jiàn)，具體體現(xiàn)為多路徑效應(yīng)。而樹(shù)木對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響不僅體現(xiàn)在衛(wèi)星信號(hào)遮擋上，低于接收機(jī)高度的樹(shù)木產(chǎn)生的水汽對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量也會(huì)有一定影響，其影響程度隨季節(jié)變化而不同，夏季雨后尤為突出。

（4）通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，結(jié)果表明各站點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。個(gè)別觀測(cè)站指標(biāo)相對(duì)較高的原因與這幾個(gè)基準(zhǔn)站周?chē)臉?shù)木產(chǎn)生的水汽和房屋遮擋有關(guān)，可作為后續(xù)對(duì)基準(zhǔn)站周?chē)h(huán)境進(jìn)行管理維護(hù)的依據(jù)。

致謝：文中陸態(tài)網(wǎng)GNSS 數(shù)據(jù)由中國(guó)地震局臺(tái)網(wǎng)中心及一測(cè)中心提供，在此表示感謝！