西北地区连续运行基准站垂向运动机制探讨

宋志扬，姜庆峰，蔡 巍，付国锋

（1.61175部队，湖北 武汉 430070；2.西安测绘总站，陕西 西安 710054）

西北地区连续运行基准站垂向运动机制探讨

宋志扬1，姜庆峰1，蔡 巍2，付国锋1

（1.61175部队，湖北 武汉 430070；2.西安测绘总站，陕西 西安 710054）

通过对西北地区部分长期稳定CORS站观测数据进行处理分析，发现这些测站垂向运动规律十分相似，周期性震荡特征明显。综合分析各种物理机制，对其中部分震荡特性进行了解析与探讨。

CORS站；中国大陆构造环境监测网络；傅里叶变换；季节性因素

2012年中国大陆构造环境监测网络正式建成，该网络包含基准网、区域网和数据系统3大部分。其中基准网包含有260个连续运行基准站，基本均匀覆盖我国全境[1]。西北地区有盐池站（YANC）、西宁站（XNIN）、德令哈站（DLHA）、西安站(XIAA)、乌鲁木齐站（URUM）、乌什站（WUSH）、塔什库尔干（TASH）7个CORS站列入陆态网骨干网络，并参与了中国2000大地坐标系的建立与维持。众多研究显示，西北地区长期受到印度洋板块和欧亚板块的碰撞作用，构造活动十分活跃，对CORS站的影响是不容忽视的。针对CORS站运动规律的研究越来越受到重视，张诗玉等[1,2]通过研究中国大陆GPS基准站垂直气象“激发”发现地下水季节性变化以及气压负荷对测站垂向位移影响较大；张飞鹏等[3]利用气压、非潮汐负荷、积雪和地表水负荷模型解释了大部分地壳垂向位移；董大南等[4]利用半平面解析数学模型推算温度变化对GPS测站垂向位移影响小于0．5 mm。本文结合众多学者的研究成果，针对西北地区几个运动活跃的CORS站进行数据处理分析，并对其中一些机制进行了探讨与验证。

1 测站概况

盐池站、西宁站、德令哈站、西安站、乌什站、塔什库尔干站整体数据质量较好，具体测站概率位置如表1所示。

表1 西北地区所选CORS站概率位置坐标

2 数据预处理

2.1 GAMIT基线解算

选取2010-07～2013-03共6个测站的连续观测数据，采样历元1 d，坐标解算采用GAMIT（10．40版）/GLOBK（10．0版）软件。GAMIT解算之前要进行数据准备、表文件更新和参数设置等。参数设置主要包括精密星历或广播星历的选取、卫星截止高度角设置、对流层参数估计采样间隔设置、地球自转参数、站点坐标约束。具体解算流程包括命名工程链表文件、预处理程序、生成星历表文件、生成钟差文件、生成K文件和X文件、生成批处理程序，最终运行批处理程序生成结果文件和精度检验。

2.2 GLOBK平差处理

GLOBK平差处理过程为：①将GAMIT生成的基准网站点ASCII码单天H文件使用htoglb命令生成二进制式的单天H文件；②合并产生单日松弛解文件；③产生单日松弛解的时间序列并进行重复性检验；④ 对于基准站将通过重复性检验的单天H文件按年积日进行合并，得到所有基准站点单日的H文件，为下一步的“非基准方法”平差工作打好基础；⑤对单日松弛解成果采用“非基准方法”进行平差；⑥选择ITRF97参考框架的参考站；⑦求得测站坐标和速度。

3 测站相对坐标时间序列分析

CORS站经过GAMIT/GLOBK软件解算单日解，汇总之后便形成了每个测站的相对坐标时间序列，基准统一归算至2000历元，历元间隔1 d。本文仅对6个CORS站垂直方向相对坐标时间序列进行研究，具体解算后垂向相对坐标序列如图1所示。

图1 CORS站垂直方向相对坐标序列

从图1可以看出，6个CORS站的垂直方向相对坐标时间序列基本平稳，没有明显的线性运动趋势，主要表现为纵向反复震荡。解算的时间序列存在较多粗差及间断点，说明这些测站自2010年连续观测以来仍然处于不稳定期。

将上述解算的6个测站垂向相对坐标序列进行数据预处理，主要包括剔除粗差和拟合间断点，其中粗差探测主要根据GAMIT/GLOBK软件处理后的结果精度进行判定，间断点拟合方法主要采用差值方法。

快速傅里叶变换[5]（FFT）是提取非线性时间序列中频谱信号的常用办法。它通过将时间序列正交分解到一族三角函数或者复数函数上，揭示信号内在频率特性和信号时间特性与频率特性之间的关系，从而导出信号频谱、滤波等。

将上述6个CORS站垂向相对坐标序列进行快速傅里叶变换，提取其中的主要周期频谱特征，见表2。

表2 CORS站垂向相对坐标序列包含的主要频谱特性及振幅

从表2可以看出，6个CORS站垂直方向的主要周期频谱都比较相似，以1 a周期频谱和0．5 a频谱最为明显，影响最具普遍性。这与孙付平[6]利用全国GPS测站检测分析的结果是吻合的。

水平方向由于长期受到板块碰撞挤压，线性漂移明显，通过速度场归算基本能够消除，垂直方向非线性位移则较为复杂。通过阅读大量相关文献结合这些测站所处环境的温度、湿度、气压等气象因素进行分析，测站位于季节分明地区受季节性因素的影响最大[4,6,7]，测站所处的基岩受热胀冷缩效应影响可以达到mm量级，对于测站位移的影响不容忽视。另外地下水季节性分布变化在西北地区也是非常明显的，对该地区CORS站的位移的影响也较大。中国区域GPS基准站中地处西北地区的测站非线性运动规律明显，是具体量化这些地球物理因素的重要数据参考。

[1] 张诗玉,钟敏．我国GPS基准站地壳垂直位移周年变化的气象激发[J]．测绘科学, 2004,29(2):33-35

[2] 张诗玉．我国GPS基准站垂直位移季节性变化研究[D]．武汉:中国科学院测量与地球物理研究所,2004

[3] 张飞鹏,董大南,程宗颐,等．利用GPS监测中国地壳的垂向季节性变化[J]．科学通报,2002,47(18):1 370-1 372

[4] Dong D N,Fang P,Bock Y,et al．Anatomy of Apparent Seasonal Variations from GPS Derived Site Position Time Series[J]．Journal of Geophysical Research,2002, 107(B4): 1-16

[5] 曲国庆．非线性大地测量信号小波分析理论与方法[M]．北京:测绘出版社,2010

[6] 孙付平,田亮,门葆红,等．GPS测站周年运动与温度变化的相关性研究[J]．测绘学报,2012,41(5):723-728

[7] 闫昊明,陈武,朱耀仲,等．温度变化对我国GPS台站垂直位移的影响[J]．地球物理学报,2010,53(4):825-832

[8] 成英燕．ITRF2008框架简介[J]．大地测量与地球动力学,2012,32(1):47-50

P228.41

B

1672-4623（2015）02-0140-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.049

宋志扬，工程师，主要从事大地测量工作。

2014-07-04。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（D040102）；大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金资助项目（SKLGED2013-4-5-E）。