2022, Vol. 43
表1(Table 1)
20世纪80年代以来，以美国全球定位系统（GPS）为代表的卫星导航系统迅速发展，随着定位精度的大幅度提升，卫星导航系统被广泛应用于地球动力学相关领域，为监测区域性、全球性的地壳运动提供了精确的量化数值指标。目前GPS监测板块运动和地壳形变的精度为：水平方向1—2 mm/a，垂向2—4 mm/a。我国自主研发的北斗导航定位系统（BDS）历经3个阶段：北斗一代为实验验证系统，共布置4颗卫星，具备区域定位能力；二代共布置20颗卫星，2012年组网，具备亚太地区定位能力；三代共布置35颗卫星，2020年底完成组网，具备全球定位能力。本研究利用北斗二代数据进行解算。北斗二代系统精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）精度为水平向8 mm、垂向20 mm。及时开展BDS在监测板块运动、地壳形变领域的研究非常有必要，而借鉴GPS的研究成果，能更好的比对BDS的监测精度，同时进一步推动BDS在防震减灾工作中的应用。
国内外学者在BDS系统定轨、定位等方面做了大量研究探索，如：施闯等（2012）利用PANDA软件，解算“北斗卫星观测试验网”数据，表明BDS的PPP精度达到cm级；Li等（2014）开展了BDS、GPS融合定位研究，发现在系统融合情况下，能够减少BDS-PPP收敛时间，且定位精度达到cm级；朱永兴等（2015）等研究了北斗系统静态、动态PPP精度；Geng等（2016）的研究显示，BDS、GPS融合定位在获取地表强震运动速度能力方面较单独的GPS动态定位有所提升；张彩红等（2015）对Bernese进行二次开发并解算北斗数据，表明BDS-PPP和GPS-PPP精度存在cm级差异；王广兴等（2016）利用陆态网络站分析了北斗卫星观测值的相关特性；王阅兵等（2018）分析了BDS-PPP在地壳运动监测中的应用，验证了BDS用于监测形变量较大区域性地壳运动的可行性；李良发等（2020）、王坦等（2021）利用GAMIT解算了部分陆态网络北斗站点，结果显示BDS静态相对定位在水平方向上满足亚cm级监测需求，垂向满足cm级监测需求；任静等(2020, 2021)为未来适时开展BDS在地震预警及烈度研究领域的应用提供了借鉴。
以上研究进展多集中在BDS定位、定轨精度分析，缺少对BDS定位及地壳运动应用的系统的定量研究，以及综合不同指标对BDS与GPS精度差异的定量考量，指标包括三维坐标解、时间序列及速度场，且BDS在地壳监测领域的应用成果相对较少，现有成果待完善。故以川滇地区为研究区，以中国大陆构造环境监测网络（陆态网络）北斗站（北斗二代信号）记录数据进行区域地壳运动监测研究，分析评估BDS、GPS精度差异，分析BDS在地震地壳运动监测中的精度，并与GPS监测地壳运动精度对比。
1 数据选取与解算设置以川滇地区为研究区域利用陆态网络2018—2019年的观测数据，对GPS、BDS数据进行单独处理，并分别平差得到位置解、时间序列、速度场模型等结果，分析BDS精度及与GPS的差异。测站包括陆态网络站点（SCDF、SCGU、SCGZ、SCJU、SCYY、YNHZ、YNLC、YNMJ、YNRL、YNSD、YNSM、YNXP、YNYA、YNYL、YNYS、YNZD）及中国大陆周边IGS、MGEX站（USUD、ULAB、URUM、TSKB、STK2、TSK2、SUWN、SHAO、POL2、MIZU、HKSL、JOG2、KARR、TWTF、JFNG、WUH2、LHAZ、HYDE、GMSD、CCJ2、CHAN、BADG、AIRA）。
利用GAMIT 10.71版本，处理陆态网站基准站的BDS和GPS观测数据，其中，解算采用相同模型及参数，参数设置见表 1。
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表 1 解算参数设置 Table 1 Parameter settings of solution |
对BDS、GPS数据分别进行解算，选择同一坐标系，合并全球H文件（H文件是全球共享GNSS站点的平差文件，文中选取区域性站点，将全球H文件在平差过程中加入，得到站点在全球坐标系下的坐标结果）平差，得到各测站在BDS、GPS数据解算方案下的三维坐标结果及精度。提取2种方案的单方向均方根值（Root Mean Square，RMS），结果见表 2。RMS值越小，代表数据精度越高。
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表 2 坐标RMS值对比 Table 2 Coordinate RMS value comparison |
由表 2可见，2种系统解算结果相差较为明显，GPS解算结果的水平向（N向、E向）和垂向（U向）精度均在mm级，而BDS解算结果精度则分别在mm级、cm级。在BDS、GPS系统下，全部测站N向精度均值分别为4.38 mm、0.1 mm，E向精度均值分别为6.9 mm、0.2 mm，U向精度均值分别为20 mm、0.4 mm，U向精度相差最为明显。就定位精度而言，GPS优于BDS，但BDS系统下解算的各测站位置精度相差不明显，间接说明BDS解算结果的稳定性。在静态测量中，BDS二代系统也可以满足水平方向mm级定位的精度要求。
2.2 时间序列对2018—2019年的解算结果进行时间序列分析，其中站点位置来源于同一坐标系。以云南施甸站（YNSD）为例，基于BDS、GPS数据（未经滤波的原始数据）解算的时间序列见图 1。
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图 1 BDS（a）、GPS（b）数据解算的云南施甸站（YNSD）时间序列 Fig.1 Time series of YNSD calculated by BDS (a) and GPS (b) data |
由图 1可见，2系统均具有大趋势变化下不同程度的跳跃，BDS结果更分散，趋势一致性较弱。虽然BDS解算结果在个别时间存在较大变化（已在时间序列中剔除），但总体精度尚佳。以加权均方根误差（weighted root mean square，WRMS）为例，该站点GPS结果的N、E、U向WRMS值分别为3.7 mm、9.2 mm、16.9 mm，BDS结果的N、E、U向WRMS值分别为5.5 mm、8.3 mm、22.2 mm，二者水平向差异较小，垂向差异也在mm级。简言之，BDS系统可用于对精度要求不甚高的区域进行监测。
2.3 速度场模型通过时间序列文件，得到所选站点在BDS、GPS下ITRF2014框架的速度场结果，见图 2。
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图 2 BDS（a）、GPS（b）解算速度场模型 Fig.2 Velocity field model of BDS (a)、GPS (b) |
由图 2可见，BDS、GPS速度场反映了同一运动趋势，但运动方位和速度值有所不同。图 2中各站点所绘直线代表年运动速度值，BDS数据解算的水平向速度与GPS数据解算结果差值在1—10 mm内，其中，E向差值均值为10 mm，N向差值均值为3 mm，U向差值均值为16 mm。同时，BDS反映的运动方位与GPS存在差异，GPS结果较BDS南偏西约18°。
3 结论利用GAMIT软件，对2018—2019年川滇地区陆态网络基准站记录的BDS和GPS数据进行处理，通过分析三维坐标解、时间序列和速度场结果，对2套系统下地壳运动监测精度进行定量对比。结果表明：在所选站点范围内，BDS数据的解算精度与GPS相比略有不足，GPS水平向和垂向精度均在mm级，而BDS则分别在mm级、cm级，且BDS和GPS水平速度场结果相差1—10 mm，垂向相差16 mm。总体来看，北斗二代系统仍满足高精度定位解算的要求，可用于监测形变量较大的区域地壳运动。
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