差分GPS在中國地磁監測網地理方位角測量中的應用①

差分GPS在中國地磁監測網地理方位角測量中的應用①

金基項目：地震行業科研專項(201208009);地震行業科研專項(201308011)

李秋紅1， 辛長江1， 許康生1， 舒雷2， 高慧慧3

(1.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000； 2.內蒙古地震局呼和浩特地震臺，內蒙古 呼和浩特 010010；

3.青海省地震局都蘭地震臺，青海 都蘭 816100 )

摘要：中國地磁監測網由地磁臺站和流動地磁測點構成，實現對觀測網內地磁場的相對記錄和絕對觀測。它的絕對觀測采用世界上最先進的F、D、I測量儀器組合，其中地磁偏角D是地理北和地磁北的夾角。對地磁偏角D的絕對測量要求在地磁臺站投入正常觀測前必須完成觀測墩和觀測標志的地理方位角測量，流動地磁測點在每次地磁偏角D觀測前后至少進行地理方位角測量各一次。據地磁監測網《觀測規范》要求，地磁偏角D的觀測精度必須≤6″，所以中國地磁監測網采用天文和差分GPS地理方位角兩種測量方法，且兩種方法觀測精度相當，均≤6″。與天文測量相比，差分GPS觀測不受天氣等自然因素的限制，操作簡單，觀測快捷，數據處理計算機程序化。隨著GPS技術的普及，中國地磁監測網差分GPS地理方位角測量方法已基本取代了天文方法。本文主要介紹差分GPS在中國地磁監測網地理方位角測量中的應用。

關鍵詞：中國地磁監測網； 地磁場； 差分GPS； 地理方位角

收稿日期：①2014-10-04

作者簡介：李秋紅(1965-)，女，工程師，主要從事地震監測工作。E-mail: lzhimo@sina.com。

中圖分類號:P318.6文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0862

ApplicationofDifferentialGPStotheGeographicAzimuth

MeasurementinChinaGeomagneticFieldMonitoringNetwork

LIQiu-hong1, XIN Chang-jiang1, XU Kang-sheng1, SHU Lei2, GAO Hui-hui3

(1.Earthquake Administration of Gansu Province, Lanzhou 730000,Gansu，China;

2.Hohhot Seismic Station, Earthquake Administration of lnner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010010, Inner Mongolia，China;

3.Dulan Seismic Station, Earthquake Administration of Qinghai Province, Dulan 816100,Qinghai，China)

Abstract：This study introduces the principle and method for the use of differential global positioning system (GPS) in measuring azimuth in the China Geomagnetic Field Monitoring Network (CGFMN). We also present some azimuth measurement results and accuracy levels by geomagnetic observatories and geomagnetic survey stations, and offer some suggestions on how different geomagnetic observatories can measure azimuth in the future. We adopted two sets of differential GPS (model PROMAK 2 and PROMAK 100) including auxiliary devices antennas, cables, connected bases, and used one theodolite (model Mingeo) with an accuracy higher than 1 second. We installed the two differential GPS on two tripods, locating one near a mark (called station A) and the other alongside a fixed station room (station B) to measure the angle between geographical north (N) and a line AB (∠NAB).The entire measuring process ensures that the antennas and tripods remained stable and that the distance between stations A and B was more than 200 m. The GPS can receive satellite data until the transmission distance is more than 5 km, then the system turns off, and the above procedure is repeated. ∠NAB is computed using the two GPS data files using a special program. The theodolite was installed on a tripod near the mark to measure the angle between lines AP and AB (∠PAB, P is one of pillars), then it was moved to the pillar to measure the angle between the lines PA and PM (∠APM, M is one of marks). As such, the azimuth between geographical north (N) and the line from any pillar to any mark is determined through known angles. There are several methods for measuring azimuth. The proposed CGFMN azimuth measurement has the accuracy of the astronomical and differential GPS methods, less than 6″ of arc, which is higher than that of other equipment. Since 2001, the Lanzhou geomagnetic observatory has used differential GPS to measure the azimuth of 14 geomagnetic observatories and more than one thousand geomagnetic survey stations. Currently, the differential GPS method has replaced the CGFMN's astronomical method of azimuth measurement, using extensive GPS application. The main advantages of the differential GPS method over the astronomical method is that, in addition to having the same accuracy, it is free from the effects of weather conditions and human factors, all equipment can be operated easily by observers, and the data processing is completely computerized and has higher efficiency.

Keywords：ChinaGeomagneticFieldMonitoringNetwork;geomagneticfield;differentialGPS;geographicazimuth

0引言

地球磁場各成分起源不同，構成復雜，因此不同的研究領域對地磁場的分類不同。中國地磁監測網實測的地磁場根據其成分和起源分成基本磁場(主磁場)、變化磁場、磁異常場和感應磁場，它們分別來自地核、地外空間和地殼的磁性物質及地下介質的電磁感應[1]。地磁場可用地磁七要素描述，如圖1所示。

O：測點；F：總強度；D：磁偏角；I：磁傾角；Z：垂直分量； 　　H：水平分量；Y：東向分量；X：北向分量 圖1　地磁場七要素關系圖 Fig.1　Seven components of geomagnetic field

中國地磁監測網共有45個基本地磁臺站、134個相對記錄地磁臺站(臺陣點)、1 258個流動地磁矢量監測點，實現對監測區內地磁場三個獨立要素時空變化的實時監測。其中，地磁偏角D是地磁北和地理北的夾角。地磁北的確定在很長一段時內主要通過石英懸絲懸掛磁針的地磁經緯儀測量，測量過程復雜，對觀測者技術要求較高。隨著科學技術的發展，從本世紀開始先進的磁通門無磁經緯儀在中國地磁監測網得到普及，這使地磁北的觀測通過采用正確的觀測方法很容易實現。中國地磁監測網對地理北的測量在很長時間內采用天文測量方法，此方法受各種客觀條件的制約，特別是天氣條件，觀測效率較低。隨著GPS應用的推廣，差分GPS測量地理北的方法以其受客觀條件約束較少的優越性得到了廣泛應用，極大地提高了地磁偏角D絕對測量的效率。在地磁臺站偏角D的觀測中不可能每次都進行地理北的測量，所以在距離觀測墩≥200m的地方設立永久的地磁觀測標志，周期性測定觀測墩與觀測標志的地理方位角，每次觀測地磁偏角D只讀取觀測標志就可確定地理北。流動地磁測點布設在野外環境，客觀條件不允許建立明顯的觀測標志，必須在每次現場測定觀測標石與臨時觀測標志的地理方位角，從而測定磁偏角D。

1差分GPS測量標志方位角的方法

差分GPS的工作原理在專業書中介紹較多[2]，這里不再贅述。本文僅就差分GPS測量在中國地磁監測網地理方位角測量中的應用進行介紹。

觀測墩(標石)的標志方位角就是觀測墩(標石)的地理北到觀測墩(標石)和觀測標志連線之間的順時針旋轉夾角(圖2)。

圖2　磁北、地理北和標志關系圖 Fig.2　Demonstration of geomagnetic north, geographical 　　　 north and mark

從圖2可看出，只要知道了地理北，通過高精度的經緯儀就可以精確地測定標志方位角，但地理北的精確測定必須通過科學的觀測方法和觀測儀器實現，不是簡單的通過指北針或尋北儀得知。

圖3是一個地磁臺站，在臺站南面設立標志M1，東北面設立標志M2。臺站觀測室有4個觀測墩，分別是P1、P2、P3和P4。在臺站架設兩套差分GPS，一套架設在觀測室附近固定穩固的三腳架上，叫做測站A；另一套架設在觀測標志附近固定穩固的三腳架上，叫做測站B。

圖3　差分GPS測量地磁臺站標志方位角 　　　 的原理示意圖 Fig.3　Principle diagram of measuring mark azimuth in 　　　 magnetic observatory using differential GPS

通過接受衛星數據，對數據采用專用軟件進行計算，得到從A站到B站連線的地理方位角∠NAB。同樣的測量進行兩次，兩次觀測方位角差值要求≤6″，在地磁臺站的測量中此差值通常≤2″。在實際測量中，若兩次方位角測量的差值≥6″，同樣的測量必須進行三次甚至更多，直到多組方位角實測值均方差≤6″。取多組差分GPS測量方位角均值作為從A站到B站連線的地理方位角∠NAB，然后將高精度的經緯儀架設在觀測墩P1的中心點(也就是地磁臺站在日常觀測中架設絕對觀測儀的點)，測定夾角∠M1P1B、∠M2P1B，再將經緯儀架設在B站三腳架上測定∠ABP1。通過角度傳遞關系式計算觀測墩的標志地理方位角：

式中字母N代表地理北極點，∠NAB、∠NBA、∠NBP1、∠NP1B、∠NP1M1、∠NP1M2分別為直線AB、BA、BP1、P1B、P1M1、P1M2的地理方位角；∠NP1M1和∠NP1M2就是觀測墩P1對觀測標志M1、M2的地理方位角。

同樣的方法可得觀測墩P2、P3和P4對觀測標志M1和M2的地理方位角。

流動地磁測點觀測標志的設立由觀測環境決定，因天文測量方法不可能在現場天文觀測標石與觀測標志的地理方位角，只能應用差分GPS測量。測量時將測量標石上測點(通常是“十”字交點)作為GPS測站A，將臨時觀測標志作為測站B，直接測量AB連線地理方位角。

中國地磁監測網有45個地磁基本臺站，各臺站的觀測室、觀測墩、觀測標志布局各不相同，觀測者應視臺站的具體情況設計最高效的測量方法及流程。

標志方位角測量完成后，需按照觀測規范用近零法或指零法觀測兩組完整的地磁偏角D、傾角I，計算觀測點的地磁偏角D、傾角I的絕對值[3,5]，再同最新版的地磁圖數據進行比較分析，對測得的地理方位角進行驗證。

2測量實例

2008年10月底內蒙古自治區地震局滿洲里地磁臺用差分GPS測量完成了各觀測墩對不同觀測標志的地理方位角。臺站觀測墩和觀測標志布局如圖4。

P 5、P 6、P 7、P 8、P 9、P 10：觀測墩；M 1、M 2：觀測標志 圖4　滿洲里地磁臺觀測墩與觀測標志布局圖 Fig.4　Distribution of observation piers and marks 　　　 in Manchuria magnetic observatory

觀測室建有6個絕對觀測墩P5、P6、P7、P8、P9、P10，在觀測室北、南分別建立觀測標志M1、M2。除P9因窗框遮擋不能和觀測標志通視，對其他5個觀測墩進行了觀測墩與觀測標志地理方位角的測量(表1)。

表 1　滿洲里地磁臺的方位角觀測結果

在觀測過程中使用了兩套差分GPS和三腳架、一套秒級測量經緯儀和計算機。

踏勘臺站布局和觀測條件，不能將兩套GPS架設在觀測墩中心和觀測標志頂面中心，不能直接通過一次性差分GPS測量完成觀測墩與觀測標志的地理方位角。為簡化觀測程序，GPS測站A架設在觀測室附近，測站B架設在能同時看到所有絕對觀測墩的觀測標志附近。使兩個測站GPS嚴格調平、居中、穩定后，采集滿足計算程序要求的衛星數據兩次，現場計算AB方位角測量結果，使其滿足兩次測量方差≤6″。居中架設觀測精度≤1″的經緯儀在GPS測站B的三腳架上，檢查儀器水平。用正鏡和倒鏡分別觀測各觀測墩和GPS測站A的夾角6組以上，現場計算夾角和方差，并消除超差讀數，計算出∠PnBA的平均值。人為改變經緯儀水平度盤，重復觀測∠PnBA的平均值，計算不同度盤測得∠PnBA的均值差，若差值>6″則增加觀測次數，直到差值≤6″。將經緯儀分別架設在觀測墩Pn的中心位置，按相同的方法測量∠M1PnB和∠M2PnB，并滿足≤6″。最后按照本文描述的角度傳遞關系式計算各觀測墩與各觀測標志的地理方位角。

相比滿洲里地磁臺,陜西省地震局乾陵地磁臺的方位角測量就簡單多了(圖5)。

P 1、P 2、P 3、P 4、P 5、P 6：觀測墩；P 7：比測墩；O 1、O 2： 　　　標志墩頂面幾何中心；M 1、M 2：標志墩側面標志中心　　 圖5　乾陵地磁臺觀測墩與觀測標志布局圖 Fig.5　Distribution of observation piers and marks 　　　 in Qianling magnetic observatory

乾陵地磁臺觀測標志墩M1、M2采用優質的漢白玉石材，埋設穩固，標志墩高度、墩面光滑度及周圍環境適合進行經緯儀角度測量操作，且直接將GPS架設在兩個標志墩頂面幾何中心，進行從O1到O2地理方位角和經緯儀角度測量。首先用差分GPS測量O1O2連線地理方位角，再將經緯儀分別架設在M2和P1的墩面幾何中心，測得∠P1O2O1、∠M1P1O1、∠M2P1O2和∠O1P1O2，經過角度間的傳遞計算得到觀測墩P1對觀測標志M1、M2的標志方位角。同理得P2、P3、P4、P5、P6、P7對M1、M2的標志方位角。

3誤差控制

所有的測量都是針對一定的測量目的進行的，都有特定的精度要求及誤差控制。地磁臺站的標志方位角測量是地磁臺站地磁偏角D觀測的基礎，需滿足地磁臺站偏角D觀測精度≤6″的要求。所以在差分GPS的測量中要求GPS測站A、B間距≥200m，測量至少進行兩次，AB方位角的觀測值均方差≤6″(在實際觀測中通常測量結果≤2″)；要求經緯儀的觀測分辨率優于1″，經緯儀對角度的測量要求同一角度的正鏡和倒鏡讀數分別≥6組。在數據計算中6組數據舍去差值大于均方差的數據。所有觀測完成后對經緯儀進行人為變盤，按照同樣的觀測方法和步驟再進行一次方位角測量，要求變盤前后測得的兩次方位角差值≤6″[4]。最終方位角為變盤前后兩次方位角測量值的均值。表2給出了甘肅省地震局蘭州觀象臺用差分GPS對部分地磁臺站和野外流動地磁測點方位角測量的誤差。

表 2　差分 GPS對部分地磁臺站和野外流動

4結論

隨著我國地磁臺站觀測環境日益惡化，新的地磁臺站建成和原有地磁臺站改造，地磁臺站觀測墩與觀測標志地理方位角測量的需求將會越來越普遍。地磁臺站大多有觀測分辨率優于1″的經緯儀，不存在對角度的觀測，但由于大多對天文觀測的方法不太熟悉，不能測定地理北，從而造成方位角的測量困難。

觀測墩和觀測標志的地理方位角是觀測墩的地理北與觀測墩和觀測標志連線之間的順時針旋轉夾角，測定方位角就是測定地理北，然后測量觀測墩和觀測標志連線同地理北的夾角。差分GPS方位角測量不受客觀條件制約，操作簡單方便，觀測精度≤6″，完全滿足地磁臺站觀測規范要求。

5意見建議

多年來蘭州觀象臺已經用差分GPS對甘肅省地震局蘭州地磁臺、嘉峪關地磁臺、天水地磁臺、湖北省恩施地磁臺、河南省洛陽地磁臺、山東省馬陵山地磁臺、泰安地磁臺、濟南地磁臺、內蒙古自治區滿洲里地磁臺、呼和浩特地磁臺、烏加河地磁臺、錫林浩特地磁臺、陜西省乾陵地磁臺及重慶地磁臺進行標志方位角測量。為了使差分GPS地磁臺站標志方位角觀測更加方便高效，觀測精度得到提高，提出如下建議：

(1) 新建地磁臺站

新建臺站一般沒有測量過任何觀測墩對任何觀測標志的地理方位角，要求熟悉天文測量或差分GPS測量的專業人員按照本文所述的觀測原理和觀測方法進行地理方位角的測量。

(2)改造地磁臺站

由于地磁臺站觀測環境遭到局部破壞或觀測室、觀測墩、觀測標志的局部維修，可能造成其中某一個觀測墩或觀測標志發生移位，或增加觀測墩或觀測標志。但在這種情況下，臺站仍保留了已測量過的某個標志方位角不變，也就是說知道地理北的位置，僅用高精度的經緯儀進行角度傳遞，最后測定要測量的標志方位角。

(3) 標志方位角測量的時間節點

盡管差分GPS測量標志方位角比天文測量高效，受自然條件等多種因素的制約較少，但必須滿足良好的衛星接收條件。從已完成的地磁臺站來看，方位角的測量都被安排到了地磁臺站新建或改造工程竣工后。由于觀測室墻體和屋頂遮擋，GPS不能直接架設在觀測墩和觀測標志頂面，只能架設在觀測室戶外，導致標志方位角不能直接由GPS測量一次完成，必須通過分辨率優于1″的經緯儀進行角度傳遞，使測量程序復雜化，這嚴重影響了差分GPS測量的效率和精度。所以不管采用何種測量方法，建議地磁臺站標志方位角的測量最好安排在觀測墩和觀測標志落成，而觀測室還未砌墻封頂之前。

(4) 觀測墩和標志的建設

地磁臺站建設都是按照《行業標準》要求施工完成的，對觀測墩和標志的建設材料、穩定性有非常嚴格的要求。但考慮到地磁臺站未來的日常工作，建議最好做到觀測標志和觀測墩采用相同的材料、規格，按相同的施工工藝完成，以便在觀測標志頂面架設各種地磁觀測儀器進行相應的觀測。

致謝：本文在此特別感謝中國地震局地球物理研究所五室給予的觀測設備和技術支持。

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