2017, Vol. 37
2. 海陆地理信息集成与应用国家地方联合工程研究中心(青岛)，青岛市山东路189号，266033
青岛市连续运行基准站系统(QDCORS)于2007年建成，包含11个基准站、1个数据处理中心，具有高精度地心坐标系成果，是建立及维持城市现代测绘基准的重要基础，其自身的稳定性是确保整个系统正常运行的关键。本文联合国内和周边16个IGS站，在ITRF2008框架[1-3]下对11个QDCORS基准站2014~2015年的观测数据进行处理和分析，得到基准站坐标的时间序列和年变化率，评估了QDCORS的稳定性，并分析异常站点的成因。
1 数据来源和解算策略采用QDCORS 2014-01-01~2015-12-31观测数据，采样率为15 s，基准站为PING、LAIX、TIAN、JIMO、QYLU、HDAO、XIAO、JZHO、HAYA、JIAN、QKCY，见图 1。其中XIAO为中国大陆构造环境监测网络的SDQD；QKCY位于2011年竣工的青岛市基础地理信息大厦，楼高100 m，用于大楼变形监测。采用的国内及周边IGS站为STK2、AIRA、DAEJ、SUWN、CHAN、SHAO、TWTF、TNML、BJFS、WUHN、ULAB、IRKT、LHAZ、URUM、GUAO、TASH共16个，时间采样率为30 s，见图 2。SDQD以及青岛市周边的SDCY和SDYT 3个站点速度来源于中国大陆构造环境监测网络发布的2011~2013年GNSS时间序列，见表 1(单位：mm/a)。
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图 1 QDCORS站点分布 Fig. 1 Distribution of QDCORS stations |
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图 2 本文利用的中国及周边的IGS站分布 Fig. 2 Distribution of IGS stations in this paper |
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表 1 六参数转换和七参数转换下得到的速度场差异均方差 Tab. 1 Standard deviations of the differences between the velocity fields transformed by six-parameter model and seven-parameter model |
采用GAMIT/GLOBK10.60进行数据处理:
1) 利用GAMIT获得QDCORS基准站和国内及周边IGS站的单日松弛解[4-5]。
2) 利用GLOBK综合各站单日松弛解，并以国内和周边IGS站在ITRF2008下的坐标和速度为基准，估算QDCORS基准站的坐标，获得时间序列和速度[6-9]。
2 结果分析各个基准站在ITRF2008下的坐标速度估值及中误差见表 2和图 3。可以看出，QDCORS北向平均速度为-11.46±0.19 mm/a，东向平均速度为31.65±0.18 mm/a，水平平均速度为33.66 mm/a，方向为E19.62°S；高程方向平均速度为0.2±0.70 mm/a，平均上升速度为1.52 mm/a，平均下降速度为-2.35 mm/a。对比表 1、表 2可以发现，QDCORS基准站总体变化趋势与周边陆态网络站点表现出较好的一致性，时间序列以明显的线性变化趋势为主。
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表 2 全球框架和区域框架下得到的速度场差异均值和均方差 Tab. 2 Mean values and standard deviations of the differences between the velocity fields under global and regional reference frame |
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图 3 ITRF2008框架下QDCORS水平速度 Fig. 3 Horizontal velocity under ITRF2008 of QDCORS |
1) 通过对各基准站在ITRF2008下的坐标速度估值及中误差的统计和时间序列分析发现，JIMO、XIAO为两个明显异常站。限于篇幅，本文只给出水平坐标速度值与QDCORS平均值最接近且位置变化趋势稳定的TIAN、季节周期性信号稍明显且位置变化趋势稳定的HDAO 2个异常站，以及监测站QKCY等5个站点ITRF2008下的坐标时间序列图，见图 4~8。
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图 4 TIAN站位置时间序列 Fig. 4 Position time series of TIAN |
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图 5 HDAO站位置时间序列 Fig. 5 Position time series of HDAO |
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图 6 XIAO站位置时间序列 Fig. 6 Position time series of XIAO |
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图 7 JIMO站位置时间序列 Fig. 7 Position time series of JIMO |
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图 8 QKCY站位置时间序列 Fig. 8 Position time series of QKCY |
从图 4、5看出，TIAN、HDAO两站点的坐标变化趋势有较强的一致性，离散度小且稳定。HDAO随季节变化趋势稍明显一些，其他稳定站点坐标变化趋势和时间序列与TIAN、HDAO大致相同，体现了QDCORS具有很好的整体稳定性。
从图 6看出，XIAO在2015年下半年有坐标变换趋势拐点，表现出明显异常，坐标时间序列离散度小，北向年变化速率为-8.10±0.12 mm，东向为32.96±0.12 mm，高程方向为0.86±0.45 mm。而中国大陆构造环境监测网络SDQD的GAMIT/GLOBK计算结果，北向年变化速率为-10.31±0.33 mm，东向为31.81±0.17 mm，高程方向为-1.94±0.91 mm，变化趋势一致性较好。由于2015-06周边施工，造成站点周边环境变化，该站坐标时间序列有很好的体现。
从图 7看出，JIMO坐标时间序列的离散性大、不平稳；该站北向年变化速率为-9.82±0.46 mm，东向为33.56±0.45 mm，高程方向为-12.65±1.72 mm，速度的中误差值很大，高程方向坐标变化也较其他站点表现异常。2014年第二季度JIMO周边开始施工建设，影响了地基稳定。另外，新建筑物为高层，随着建筑物施工，遮挡逐渐严重，造成观测数据质量不断变差，2015年底该站已经迁址。
从图 8看出，监测站QKCY坐标时间序列中信号复杂，除线性运动趋势外，周期性季节性信号尤为明显，平面和高程坐标时间序列变化也表现出很强的相关性；2014年前期因天线故障而造成观测数据缺失。该站水平方向年变化为2 cm，变化区间在-1~1 cm；高程方向年变化4 cm，变化区间在-2~2 cm。造成该站时间序列变化大的原因是，该站位于100 m高的高大建筑物楼顶，夏季温度上升、冬季温度下降，建筑热胀冷缩效应使得季节信号更加突出。
2) 基准站坐标时间序列长期变化趋势主要反映板块运动的影响，而短周期变化主要反映非线性变化项和GNSS观测的误差等。通过多项式拟合方式去掉每个站的线性项，绘制坐标残差时间序列图。图 9~11是TIAN、HDAO、QKCY坐标剔除粗差、扣除线性项后的坐标残差时间序列。
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图 9 TIAN站位置残差时间序列 Fig. 9 Position residual time series of TIAN |
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图 10 HDAO站位置残差时间序列 Fig. 10 Position residual time series of HDAO |
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图 11 QKCY站位置残差时间序列 Fig. 11 Position residual time series of QKCY |
可以看出，站点位置随季节性变化明显，与文献[10]一致。通过分析QDCORS整网的坐标残差时间序列得到，各个稳定基准站平面年变化一般在-5~5 mm之间，高程年变化在-1~1 cm之间，存在弱年周期变化趋势。从图 11看出，位于高大建筑物上的QKCY的平面和高程坐标时间序列变化的相关性、季节差异更明显一些。
2.2 QDCORS内部稳定性分析将观测墩为基岩、坐标变化趋势稳定、位置处于整个网形中间的QYLU作为QDCORS的参考进行固定，得到其他基准站相对于该“参考”站点的坐标变化速度，见表 3和图 12。不考虑异常站点，各个基准站相对速度很小，一般水平方向保持在1 mm/a左右，垂直方向在5 mm/a以内，且无明显变化规律，说明QDCORS整体稳定。这也说明固定1个基准站作为参考，分析整个系统稳定性，能够很好地“差分”掉各基准站间的相关性。
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表 3 固定参考站下QDCORS的相对水平和垂直速度估值及中误差 Tab. 3 Horizontal and vertical velocities and mean square error of QDCORS by QYLU reference site |
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图 12 固定参考站下QDCORS的相对水平速度 Fig. 12 Horizontal velocities of QDCORS by QYLU reference site |
结合QDCORS各基准站周边环境，对图 12、表 3作进一步分析，得到：
1) PING、LAIX水平相对速度大于1 mm/a，而其他稳定站点水平相对速度低于1 mm/a，原因可能是PING、LAIX距离参考站QYLU较远、站间的相关性降低所致。距离QYLU不远的HSYA垂直相对速度为-3.19 mm/a，与其他稳定站点变化方向相反，说明HSYA存在相对沉降。
2) XIAO、JIMO较其他稳定站的相对速度值明显异常，其成因主要是基准站周边施工。但JIMO速度估值中误差约为XIAO的2倍，且较其他稳定站点明显大。进一步分析原因，JIMO除了受到周边施工影响外，还受到新建高层建筑物的多路径效应影响，造成观测数据质量变差，而XIAO则无此影响。
3) HDAO、PING速度估值中误差大于其他稳定站点，约大0.1 mm/a。其原因是HDAO受到周边树木的轻微遮挡，引起的多路径效应降低了观测数据的质量；引起PING变化的原因尚不明确。
4) JIMO、HDAO分别受到新建建筑物和树木遮挡产生的不同程度的多路径效应影响，降低了观测数据质量，使得坐标解算精度降低。特别是HDAO，青岛地区夏季树叶繁茂，多路径效应变强，冬季树叶凋零，多路径效应变弱。该站坐标时间序列中季节信号更强(见图 10)，可以很好地印证多路径效应这一影响因素。
3 结语采用GAMIT/GLOBK软件，联合青岛市周边16个IGS站，获得ITRF2008下QDCORS基准站年平均速度，通过时间序列分析，评估系统的稳定性。QDCORS基准站总体变化趋势与周边陆态网络站一致，呈现明显的线性变化趋势，反映系统稳定。通过坐标时间序列找出异常站点，并分析成因，高大建筑物、树木等遮挡造成的多路径效应引起GNSS观测数据质量变差，进而降低解算结果的精度，反映到基准站的坐标时间序列和年变化速度上，表现为离散度大和季节周期性信号强等。基准站周边施工会引起坐标变化趋势的改变，某些站点的多路径效应也会引起季节性变化。
| [1] |
李征航, 张小红. 卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2009 (Li Zhenghang, Zhang Xiaohong. New Techniques and Precise Data Processing Methods of Satellite Navigation Positioning[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 2009)
(  0) |
| [2] |
施闯. 大规模高精度GPS网平差与分析理论及其应用[M]. 北京: 测绘出版社, 2002 (Shi Chuang. The Theory and Applications of Adjustment Analysis about Large-Scale High-Precision GPS Network[M]. Beijing: Surveying and Mapping Press, 2002)
( 0) |
| [3] |
李江卫, 刘经南, 肖建华, 等. CORS系统稳定性监测数据处理与分析研究[J]. 武汉大学学报:信息科学版, 2010, 35(7): 825-829 (Li Jiangwei, Liu Jingnan, Xiao Jianhua, et al. Data Processing and Stability Analysis of Continuously Operating Reference Stations Base-Network[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2010, 35(7): 825-829)
( 0) |
| [4] |
袁鹏, 孙宏飞, 秦昌威, 等. 安徽CORS参考站三维速度场分析[J]. 武汉大学学报:信息科学版, 2016, 41(4): 535-539 (Yuan Peng, Sun Hongfei, Qin Changwei, et al. Analysis of Anhui CORS Reference Stations 3D Velocity Field[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(4): 535-539)
( 0) |
| [5] |
曾波, 张彦芬, 姜卫平, 等. 山西CORS网基准站速度场分析[J]. 武汉大学学报:信息科学版, 2012, 37(12): 1 401-1 404 (Zeng Bo, Zhang Yanfen, Jiang Weiping, et al. Velocity Analysis of Shanxi CORS Fiducial Station[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2012, 37(12): 1 401-1 404)
( 0) |
| [6] |
Global Kalman Filter VLBI and GPS Analysis Program Release 10.6 Reference Manual[EB/OL].http://www-gpsg.mit.edu/~simon/gtgk/, 2006
( 0) |
| [7] |
郑坤, 董绪荣, 戴连君, 等. 北京市CORS网基准站数据处理与精度分析[J]. 全球定位系统, 2010, 35(5): 61-64 (Zheng Kun, Dong Xurong, Dai Lianjun, et al. Beijing CORS Network Base Station Operation and Maintenance Practices and Accuracy Analysis[J]. GNSS World of China, 2010, 35(5): 61-64 DOI:10.3969/j.issn.1008-9268.2010.05.014)
( 0) |
| [8] |
秘金钟, 蒋志浩, 张鹏, 等. IGS跟踪站与国内跟踪站联合处理的框架点选择研究[J]. 武汉大学学报:信息科学版, 2007, 32(8): 704-706 (Bei Jinzhong, Jiang Zhihao, Zhang Peng, et al. On Framework Sites Selection for Unite-Processing of IGS CORS and Domestic CORS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2007, 32(8): 704-706)
( 0) |
| [9] |
丁晓光, 占伟, 王紫燕, 等. 不同参考框架对区域连续GPS数据解算的影响[J]. 大地测量学与地球动力学, 2014, 34(2): 161-164 (Ding Xiaoguang, Zhan Wei, Wang Ziyan, et al. Influence on Results Calculated for Regional GPS Continuous Data With Different Reference Frames[J]. Journal of Geodesy Geodynamics, 2014, 34(2): 161-164)
( 0) |
| [10] |
Crustal Movement Observation Network of China[EB/OL].http://neiscn.org/chinsoftdmds/ltwsjcp/index.jhtml, 2016
( 0) |
2. State and Local Joint Engineering Research Center for the Integration and Application of Sea-Land Geographical Information (Qingdao), 189 Shandong Road, Qingdao 266033, China