云南境内陆态网络GNSS观测资料数据处理与初步结果1

王伶俐 邵德盛 洪 敏

（云南省地震局，昆明 650041）

云南境内陆态网络GNSS观测资料数据处理与初步结果1

王伶俐 邵德盛 洪 敏

（云南省地震局，昆明 650041）

利用GAMIT/GLOBK软件对云南境内陆态网络GNSS观测资料，包括27个GNSS基准站自2011年至今的连续观测资料，以及170多个GNSS区域站2009、2011、2013年3期区域复测资料进行了处理，基线处理的重复性在水平方向优于1.79mm+1.1×10-9×S，在垂直方向优于5.99mm+1.46×10-9×S（S为基线长度，以mm为单位），计算得到了基线及点位时间序列和欧亚框架下的测站运动速度场。初步分析了坐标时间序列的变化规律，并利用刚体运动模型反演了云南地区各活动块体的现今地壳运动，初步结果表明云南地块运动方向逐渐由SSE向SSW变化，运动幅度由西向东、由北向南逐渐减弱，菱形块体外各个块体运动速度大幅衰减。该初步结果可为后期GNSS数据的进一步运用提供参考。

陆态网络 云南 GAMIT/GLOBK 时间序列 速度场

王伶俐，邵德盛，洪敏，2015.云南境内陆态网络GNSS观测资料数据处理与初步结果.震灾防御技术，10（1）：141—150. doi：10.11899/zzfy20150115

引言

云南处于欧亚、太平洋和印度三大地质板块碰撞汇聚地带，青藏高原东南边缘，位居中国-东南亚次级板块中西部，跨扬子、华南、印支及滇缅泰4个亚板块（申重阳等，2002）。其地壳变动剧烈，新构造活动强烈，活动断裂发育，是中国最活动的地震构造区之一，也是重点监视的强震活动区。“十五”期间，“中国地壳运动观测网络”在全国范围内建成了25个连续跟踪站点，1000个区域站点，地震分析预报人员将处理后的时间序列及速度场成果用于地震年度会商，在中长期地震预报方面取得了一些有价值的研究成果（顾国华等，2000；孟国杰等，2001；牛之俊等，2002）。但当时由于云南境内站点少，点位分散，尚不能满足地震预测预报的实际需求。“十一五”期间，由中国地震局牵头的国家重大科学工程项目“中国大陆构造环境监测网络工程”（简称陆态网络）启动，项目在全国范围内展开了高密度、大范围的GNSS观测，在云南范围内共建成了27个连续跟踪站（GNSS基准站），170多个流动观测站（GNSS区域站），并陆续开展了监测工作。GNSS基准站和GNSS区域站的建成，在该区域形成了点位密集且分布均匀的水平形变监测网，获取了大量的观测资料。本文利用GAMIT/GLOBK 软件对云南境内陆态网络GNSS观测资料，包括27个GNSS基准站自2011年至今的连续观测资料，以及170多个GNSS区域站2009、2011、2013年3期区域复测资料进行了处理。初步分析了坐标时间序列的变化规律，并利用刚体运动模型反演了云南地区各活动块体的现今地壳运动，以期为后期GNSS数据的进一步运用提供参考，为云南省的强震预测预报提供基础资料。

1 云南省陆态网络GNSS网点分布与观测

陆态网络项目在云南省范围内共建成27个GNSS基准站和170多个GNSS区域站，再加上其他行业专项建成的1个基准站，目前云南省内共有28个GNSS基准站，几乎覆盖了云南省的大部份地区，且跨越了澜沧江、红河和小江等主要活动断裂带（图1）。其中，27个基准站基本上都位于稳定的基岩上，基准站采用Trimble NETR8的GPS 接收机及扼流圈天线，主要进行GPS观测，也可扩充GLONASS、GALILEO和北斗导航系统观测。网络中所有测站均为强制归心的GPS观测墩，避免了对中误差的影响。自2010年底开始运行至今，28个GNSS站点已经积累了4年多的连续观测数据；GNSS区域站点自2009年开始，每2年观测1期，到目前为止共有3期的复测资料，资料采集的时间分别为2009年3—10月、2011年4—10月、2013年4—10月，每期每个测点的观测时间长度均不少于90h。

图1 云南省GNSS基准站点位分布Fig. 1 Location of the GNSS continuous stations in Yunnan province

2 数据解算

2.1 数据预处理

本文采用MIT（Massachusetts Institute of Technology）和SIO（Scripps Institution of Oceanography）研制的GAMIT/GLOBK软件对基线进行处理，版本为GAMIT10.5。选取HYDE、BJFS、IRKT、PIMO、GUAO、IISC、USUD、TSKB、WUHN、TWTF、LHAZ、URUM等十几个中国及周边的IGS跟踪站与省内的28个GNSS基准站联合进行数据预处理。其中，IGS核心站强约束（水平方向0.005—0.020m、垂直方向0.020—0.050m）于IERS（International Earth Rotation Service）公布的ITRF2008值；基准点松弛约束（水平方向1m、垂直方向1m）于其先验值。主要的模型选择和参数设置如下：①数据采样间隔为30s；②根据轨道松弛模式对IGS精密星历给予10-9量级的约束；③极移和UT1（经极移修正的世界时）采用USNO的Bull_B或Bull_A值一并给予强约束；④卫星截止高度角为10°，观测值随高度角定权；⑤根据标准大气模型，用Saastamoinen模型修正对流层折射；⑥根据分段线性模型估计对流层天顶延迟和水平大气梯度，每2个小时估计1个天顶延迟参数；⑦分别根据IERS03标准和FES2004标准建立重力场、固体潮的地球物理模型；⑧根据GMF模型修正大气层的映射函数；⑨根据NGS提供的绝对模型修正卫星和接收机天线相位中心。

2.2 数据后处理

为尽快获得基线时序资料以满足云南省地震局地震监测预报时效性的需要，笔者在数据处理中对基准站数据采用的是快速解方式，即在GAMIT数据预处理中用的是快速精密星历。同时为了消除或减少全球参考框架基准点的先验坐标误差和观测误差对单日解的影响，采用的是局域基准。下文的基线重复性评估均基于该时间序列（见图2b）。

为了获得单日解与ITRF2008参考框架的联系，利用GLOBK将GAMIT处理得到的单日松弛解和SOPAC（Scripps Orbital and Permanent Array Center）给出的全球IGS站的单日松弛解合并，最终利用GLOBK通过7个参数的相似变换可得到ITRF2008参考框架下的单日解。综合几年来的单日解，可得到ITRF2008参考框架下点位坐标的时间序列（见图2a）。考虑到点位坐标的精度，在点位移的求取过程中对每4天的数据进行综合平差，以求出一个基于ITRF2000框架的点位静态解。综合2年来各期基准站的坐标，可得到ITRF2000参考框架下点坐标时间序列，而进一步的分析均基于该时间序列。

对于GNSS区域站观测数据，为了更好地研究川滇菱块南段的构造变形，笔者收集了部分川滇交界以及四川省区域站点联测数据与云南省内站点的观测资料进行联合解算；经过GAMIT预处理获得了一个时段同步观测站的数据（目前一般一个时段的长度为1天），利用GLOBK将获取的基线文件和全球的IGS站基线文件联合解算，将同1期内每天的单天解文件结合成一个总的解文件，选择研究区外围比较稳定的IGS站在ITRF2008的坐标、运动速率作为约束条件，进而可得到本期观测内所选择ITRF框架下的测站的平均坐标；将多期结合后的总的解文件进行联合解算，则可获得多期时间段内的测站速度。

为了更好地反映研究区域内部的构造变形，结合实际情况在ITRF2008框架基础上，利用欧亚板块稳定部分作为测站速度计算的参考框架，可得到欧亚框架下云南地区的速度场，如图3所示。具体操作是选取KOSG、ONSA等10个分布在欧亚板块上较为稳定的IGS站，构建稳定的欧亚板块，在经过相对欧亚板块的最佳欧拉旋转后，这10个站的水平速度残差均小于1.5mm/a。

图2 GNSS基准站坐标及基线位置的时序资料Fig. 2 Time series of the GNSS reference stations

图3 云南地区相对欧亚板块的GPS水平速度场（2009—2013年）Fig. 3 GPS-derived horizontal velocity filed relative to Eurasia plate in Yunnan area（2009—2013）

3 精度分析

为评估GPS所测数据的精度，笔者给出了精度分析或统计检验，并对结果进行了如下评价。

（1）GAMIT软件采用的是网解（即全组合解），其同步环闭合差在基线解算时已经进行了分配。对于GAMIT软件基线解的同步环检核，可以把解的nrms值（标准均方根误差）作为同步环质量好坏的一个指标，一般要求nrms值小于0.5，而且nrms值越小，基线估算精度越高。实际单时段数据处理的nrms值均小于0.2。

（2）单日解的重复性是衡量GPS观测质量和处理结果的一个重要指标（王敏等，2005）。基线重复性是相对几个时段解而言的，是基线内符合精度的反映，其值越小，基线的内符合精度越高，基线质量越好；反之，内符合精度越低，质量越差。基线重复性可表示为：

利用基线长度及各分量分别对固定误差a和比例误差b进行线性拟合，检验其是否在我国GPS测量规范规定的等级范围内。为了得到固定误差和比例误差，利用基线重复性的结果，采用最小二乘法的一元线性回归，对所有的单天解基线向量的重复性进行计算，将重复性表示为固定误差和比例误差（a+b）ppm的组合形式。表1是在站心地平坐标系中，南北方向、东西方向、垂直方向及基线方向的重复性统计结果。

表1 基线向量的重复性统计结果Table 1 Statistics of repeatability of baseline vector

利用GLOBK软件对观测期间各测点的点位重复性进行计算，可得到每个测点的时间序列。笔者的计算结果显示，除个别站点（下关XIAG、耿马YNDM）因为观测环境影响，精度较差以外，云南境内GNSS基准站测点的点位重复性精度为：南北向分量在5mm以内；东西向分量在2mm以内；垂直向分量在8mm以内。如图4所示。

从以上统计结果来看，GNSS基准站基线向量重复性在水平方向上优于1.79mm+ 1.1×10-9×S，垂直方向优于5.99mm+1.46×10-9×S（S为基线长度，以mm为单位），可满足地震监测的需要。相对基准站而言，GNSS区域站观测精度稍低一些，制约定位精度的因素主要是：大气折射误差、轨道误差、天线相位中心标定以及测站季节性非构造变动等方面的影响（王琪等，2003）。其中，测站季节性非构造变动对垂直分量的测定有直接的影响。研究表明，大气、降水等负荷的季节性变化可引起地壳的周期性变动，从YNSD站点时序资料可以看出，云南境内GPS测站与季节有关的变动在垂直方向上有近15mm的幅度，但从基线统计结果看并不明显，影响尚不突出（见图2）。

图4 站点坐标重复性精度统计图Fig. 4 Plot of site coordinates repeatability precision

4 初步结果的应用分析

4.1 GNSS基准站时序资料的应用分析

（1）利用GLOBK进行无约束平差后的基线成果可以绘制基线的时间序列图，但由于单日解存在误差不利于分析，通过对单日解进行滑动均值处理（窗长为15天，步长为1天），可得到平滑的基线时间序列。以此为基础并结合基线与断层的相对位置，可以分析断层的运动特征。以小江断裂为例，通过斜跨小江断裂的2条基线变化时序图（图5）可以看出，昆明-鱼洞、昆明-蒙自基线均表现出小江断裂带的左旋走滑特征（洪敏等，2012）。

图5 跨过小江断裂的2条基线时序图Fig. 5 Time series of the two baselines which cross the Xiaojiang fault

（2）综合近年来云南GNSS基准站的单日坐标解，可以得到ITRF2008参考框架下测站坐标的时间序列，并由此刻画出站点的运动轨迹。对于坐标的时间序列分析，位移解中描述了相对运动的参照点即所谓的位移解基准，可以有各种不同的选择，因此位移解具有多解性。通过大量分析试算发现（王伶俐等，2012），选择位于华南块体的文山GNSS连续跟踪站作为云南GPS位移数据处理的参考基准是可行的。以文山GNSS点作为参考，可求出其他点的位移，从而可得到2010年初至2012年3月的点位移轨迹图像（图6）（洪敏等，2012）。从图6可以看出，点位运动方向从川滇菱形块体最初的南南东向，到川滇菱形块体南端转为南向，到滇南至滇西南地区转为了南西向运动，相对于文山GNSS点的各个点位运动趋势呈现绕阿萨姆构造结顺时针旋转的特征。

图6 2010年至2012年3月相对于文山GNSS点的位移图像Fig. 6 Point displacement from January 2010 to March 2012

4.2 GNSS区域速度场的应用分析

根据实测速度场并按照阚荣举等（1980，1992）的观点，将云南地区划分为4个活动地块以及7个次级构造单元，利用刚体运动模型可反演云南地区各活动块体的现今地壳运动，计算各个活动块体的欧拉旋转矢量。采用刚性地块假设下的最小二乘拟合方法，可计算得到各个活动块体相对于欧亚板块的运动及应变特征（如图7）。经过笔者的计算，滇东块体运动速率为6.22mm/a，运动方向与华南地块相近，为E37.53°S；主压应变率为-20.67×10-9/a，其方向近似为W38.02°N；主张应变率为13.48×10-9/a；这一计算结果与谢富仁等（2004）推测得到的NWW主压应力优势方位的结果一致。滇中地区整体优势运动为10.78mm/a，运动方向141.44°；主压应变率为-32.71×10-9/a，方向128.20°，主张应变率为17.78×10-9/a；最大剪切应变率为25.25×10-9/a；这一计算结果与程万正等（2003）由大量震源机制解得到的P轴优势分布，推测的NNW压应力场方向一致。滇西北地区优势运动为10.16mm/a，运动方向163.84°；主压应变率为-15.88×10-9/a，方向163.43°，主张应变率为22.94×10-9/a；这一计算结果与谢富仁等（1993）描述的滇西北中甸、丽江、大理一带主要受SE、SSE向应力场控制的结论一致。滇西南地区的构造应力场比较复杂，从笔者得到的速度场的结果可清楚地看出：靠近澜沧江断裂带站点的活动性强，随着站点到断裂带距离的增加，活动性逐步减弱，优势运动方向大多数从SN向转至SSW向；从块体活动性来看，该单元的优势运动为6.74mm/a，方向S16.53°W，主压应变率为-17.97×10-9/a，其方位角为19.81°，主张压应变率为29.69×10-9/a，最大剪切应变率为23.83×10-9/a；这一结果与阚荣举等（1980；1977）和王绍晋等（2005）所获得的NNE-NE主压应力方向一致。

图7 云南地区活动块体运动速率及主应变率图（2009—2013年）Fig. 7 Horizontal velocity and principal strain rate of active blocks in Yunnan region（2009—2013）

5 结论

笔者利用GAMIT/GLOBK软件对陆态网络云南境内观测数据进行了处理，引入周边10多个稳定IGS站点参与联合解算，并将计算结果归算到区域参考框架下。GAMIT解算得到的“准观测值”均满足所须精度要求，所有解时段的标准化均方差均小于0.2；GNSS基准站水平和垂直方向基线重复性分别优于1.79mm+1.1×10-9×S和5.99mm+1.46×10-9×S（S为基线长度，以mm为单位）；GNSS区域网相对于稳定欧亚框架的速度场东西向、南北向的速度估算精度优于2.0mm/a。这些指标显示观测精度是比较高的，可以满足地震监测的实际需要。

通过GNSS基准站时间序列分析，可不断得到云南省地壳运动的最新信息；以GPS速度场为约束，建立各个块体的运动-应变模型，可得到各个块体的运动及应变参数。初步结果表明，云南各活动块体由东至西运动方向，正逐渐向SSE-SN-SSW变化；其表现出以菱形块体为主顺时针旋转的特征，且菱形块体外各个块体运动速度明显衰减。从应变率参数结果来看，华南地块和滇东块体主要受SE向压应力场控制；滇西北地区，应力场方向为SE-SSE；到滇中地块，应力场方向也转为SE-SSE方向；滇西南受NE、NNE向应力场控制，结果与前人的研究一致（王绍晋等，2005；崔效锋等，2005；2006）。

陆态网络将在未来继续进行观测，从而完善现有的GNSS观测资料，它将提供更为精细的应变场解算结果，为云南地震预测提供更为精细的基础资料。

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Data Processing and Preliminary Results of GNSS Observation based on CMONOC in Yunnan Province

Wang Lingli, Shao Desheng and Hong Min
（Earthquake Administration of Yunnan Province, Kunming 650041, China）

The GNSS observation data in Yunnan region, including continuous observation data from 27

tations since 2011, and a total of three regional survey data from more than 170 regional stations between 2009 to 2013, were processed by using GAMIT/GLOBK. It is shown that the horizontal and vertical proportion errors of baseline repetition rates can reach up to 1.79mm+1.1×10-9and 5.99mm+1.46×10-9, and time series of reference stations and velocity field relative to the Eurasian reference frame was obtained. The results indicate that the direction of crustal movement to the area changes from SSE to SSW gradually. The velocities of those blocks outside the rhombic block decrease swiftly. These preliminary results provide a reference for further use of the GNSS observation in Yunnan Province.

CMONOC；Yunnan；GAMIT/GLOBK；Timeseries；Velocity filed

云南省地震局青年基金课题 “基于高密度GPS区域网复测资料分析云南地区近期地壳形变特征（201301）” 和中国地震局2015年度震情跟踪青年课题“云南省GNSS时序资料异常跟踪与地震预测（2015010219）”联合资助

2014-06-17

王伶俐，女，生于1981年。工程师，硕士。主要从事GPS数据处理及分析、地震活动性分析及预测预报工作。E-mail：lingli365@163.com