北斗導航系統在地殼運動監測中的應用能力分析

王閱兵

研究背景

北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國自行研制的全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS），是聯合國承認的全球四大衛星導航系統之一，其余三個是美國全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、俄羅斯格洛納斯系統（GLONASS）和歐盟伽利略系統（Galileo）。

自20世紀80年代中期以來，以美國GPS為代表的全球衛星導航系統的迅速發展和廣泛應用，不僅使全球范圍的導航與授時進入了穩、準、便、捷的全新時代，更為高精度、大范圍、全天候和低成本的地殼運動觀測與構造變形研究提供了革命性的空間大地測量技術手段。GPS在監測板塊運動、海平面上升等應用時，其邊長可達數千公里，精度可達厘米級，甚至毫米級，相對定位精度為10-9，而傳統的經典大地測量的精度為10-5～10-6，邊長通常也只能達到數十公里，復測周期通常以年為單位。另外，GPS在300～1500m工程精密定位中，1h以上觀測結果的平面位置誤差小于1mm，且20km以內相對靜態定位，僅需15～20min，無須測站之間相互通視，只需測站上空開闊即可。相比之下，GPS技術不僅使觀測精度提高了約3個數量級，而且將觀測工作的效率提升了上百倍，為防震減災、大地測量和地球動力學研究等諸多領域的業務深化和應用拓展提供了強勁的技術支撐。

圖1 全球板塊運動速度場圖

圖2 全球可見北斗衛星數量分布

GPS在地球動力學中的應用，主要是監測全球和區域板塊運動，監測區域和局部地殼運動，從而進行地球成因及動力學機制的研究。根據測定的板塊運動速度和方向，測定的地殼運動形變量，分析地傾斜、地應變積累，研究地下斷層活動模式，應力場變化，開展地震危險性估計（圖1）。目前用GPS來監測板塊運動和地殼形變的精度，在水平方向可達1～2mm/a，垂直方向可達2～4mm/a，基線相對精度可達10-9。

為了提高衛星導航定位的自主性與安全性，我國啟動了北斗衛星導航試驗系統的建設。 2012年建成的北斗二代衛星導航系統，具備了覆蓋亞太地區的定位、導航、授時以及短報文通信服務能力。圖2給出了當前全球可見北斗導航系統衛星數量分布，在亞太地區任意時間可見衛星數目大于6顆，這保障了北斗導航系統能為亞太地區提供穩定的定位、導航、授時和通信服務。在此基礎上，國家開始全面推行北斗系統在各行各業的應用開拓與示范。

這就涉及北斗導航系統的大地測量定位精度問題。現有研究表明，導航系統定位精度提升主要與兩個方面有關：一方面是衛星系統的完善和接收技術的進步；另一方面是數據處理方法的改進和各種常數、模型的精化。其中處理方法主要有相對定位與精密單點定位。相對定位又稱差分定位，是用兩臺接收機對兩個測站上同時采集的定位數據進行聯合處理，通過消除接收機鐘差、衛星鐘差等公共誤差，以及削弱對流層延遲、電離層延遲等相關性較強的誤差影響，達到提高精度的目的。但隨著距離的增大，誤差相關性的減弱，則只能采用延長觀測時間來達到預期的精度。而精密單點定位方法能直接得到測站坐標，測站與測站之間無距離限制，其主要是利用全球IGS（International GPS Service）站數據計算的精密衛星軌道和鐘差產品，再采用單點的相位和偽距觀測值進行非差定位處理。相關研究結果表明當前北斗導航系統的相對定位精度達到了毫米級，精密單點定位的精度達到了厘米級。

鑒于國內外這些分析和評定結果，北斗系統的大地測量功效不僅取決于導航系統本身，而且受限于全球地面跟蹤網的有效配合，即高精度衛星軌道、鐘差等參數的及時獲取。因此，目前的北斗導航系統能否像GPS一樣勝任高精度的地殼形變與構造運動監測，尚需進一步的客觀評測。

本項目主要基于現階段北斗導航系統衛星星座分布的情況，探討以下兩個個亟須回答的問題：一是在當前北斗導航系統衛星星座分布下，其定位精度如何？二是當前北斗導航系統的定位精度能否滿足地殼形變與構造運動等高精度監測的實際需求？

關鍵技術與主要研究結果

北斗系統國家防震減災應用需求主要體現在地殼運動與變形監測高精度定位方面，重點推進北斗系統在國家防震減災工作中的應用，需不斷研究提高北斗地殼運動觀測精度。以下從三個方面來分析北斗導航系統定位精度及其在地殼運動監測中的應用能力。

1.北斗導航系統定位精度。在當前北斗衛星星座分布下，影響北斗導航系統定位精度的主要因素有衛星的軌道鐘差產品精度、地面接收機的觀測環境、信號在傳播過程中受電離層和對流層的影響等。為了弄清楚北斗導航系統的定位精度及穩定性，我們分別利用位于寧夏鹽池、河北唐山、北斗榮成、山東榮成、四川筠連、山西太原和湖北武漢7個GNSS觀測站，采用精密單點定位方法處理了上述測站的北斗和GPS觀測數據。處理過程中，采用了國際GNSS服務（IGS）武漢大學分析中心提供的衛星精密軌道和鐘差產品，該產品基于國際參考框架、可以從IGS數據中心下載得到。由于接收機鐘一般采用石英鐘，其與衛星原子鐘之間的同步差若為10-6秒，就會引起300米的誤差，因此在數據處理過程中需要估計兩者之間的同步差，即接收機鐘差。在高精度定位過程中，本文利用的是載波相位觀測量，其只記錄了GNSS接收機所接收的衛星載波信號與接收機參考信號的相位差，沒有記錄兩者之間的整周數，我們稱其為整周模糊度。因此，數據處理過程中解算的主要參數包括坐標、接收機鐘差、大氣延遲及整周模糊度等。在得到處理結果以后，利用線性回歸方法對三分量時間序列分別擬合得到三分量的擬合殘差，之后利用殘差均方根來統計表示定位精度，即RMS值，RMS值越高定位精度越低。北斗與GPS定位精度結果比較見表1所示。

表1結果顯示北斗與GPS導航系統南北向的精度均優于東西向，這種特征在北斗導航系統中表現的更明顯的原因是其衛星星座并沒有完全建成，可用的中圓軌道衛星和傾斜軌道衛星較少，受到靜止衛星軌道產品精度影響較大。受觀測環境的影響，四川筠連站北斗與GPS的RMS值明顯高于其他6個站點。這里所說的觀測環境主要是指受到觀測站周圍樹木、建筑物等障礙物的遮擋，造成多路徑效應顯著增強，從而造成定位精度明顯下降。除四川筠連站外，其他6個臺站的北斗三分量RMS均值分別約為7mm、5.4mm和20mm，GPS三分量RMS均值分別約為3.3mm、3.1mm和7.0mm。由此可以得到北斗導航系統精密單點定位精度在水平和垂向分別約為8mm和20mm，GPS精密單點定位精度在水平和垂向分別約為4mm和7mm。

表 1 北斗與GPS信號時間序列三分量RMS值

2.北斗獲取基線向量能力。基線向量可以表征兩個GNSS臺站之間的距離與方位，是既具有長度特性又具有方向特性的矢量。隨著觀測時間的累積，基線向量組成基線時間序列。基線時間序列包含了站點間的相對運動信息，可以用來監測板塊相對運動變化趨勢，也可以用來監測斷裂帶構造活動，因此利用北斗獲取基線時間序列是其在地殼運動監測中應用的主要手段之一。為了探討北斗獲取基線向量能力，本項目利用長約為5m和450km的兩條基線探討了獲取的基線精度。結果顯示，北斗與GPS得到的基線絕對長度值一致，且基線長度隨時間變化速率間沒有顯著差異。北斗能夠準確反映這兩個站點間的基線長度與變化速率特征，即北斗可以同GPS一樣用來監測站點間基線的線性變化速率。

另外，本項目通過統計除四川筠連外其他6個站點間的15條基線速率誤差，給出了北斗與GPS測量基線精度結果，如圖3所示。圖3結果顯示基線速率誤差與基線長度成正相關性，這說明北斗與GPS能更好的監測短基線的速率變化。在基線不超過500km時，北斗與GPS能夠監測基線變化率的精度分別為：0.4mm/a和0.2mm/a，且兩者的精度都將隨基線縮短而進一步提高。

盡管北斗與GPS都能夠監測基線的變化速率，但其精度要弱于GPS，這一弱點在研究基線季節性波動時得到了體現，GPS能夠明顯監測到由季節性變化或模型誤差帶來的周期性波動信號，而在北斗觀測中并沒有這種波動信號。但因為北斗信號的基線殘差幅度與GPS信號觀測到的周期性波動幅度相當，所以很難在北斗信號中檢測出這一周期性信號。其主要原因在于目前北斗導航系統衛星星座和各種模型尚不完善，以及其衛星精密軌道與鐘差產品的精度比GPS稍低等。

圖3 基線速率誤差與基線長度相關圖

3.北斗獲取速度場的能力。速度能夠表示單個測站運動的大小和方向，速度場則是空間范圍內多個測站的速度集合，它能夠很好地反映出地殼運動的背景趨勢，是長期觀測的結果，也是地殼運動監測的主要成果之一。本項目通過對精密單點定位結果采用線性回歸方法得到了7個臺站在2008版國際地球參考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）下的速度場，結果如表2所示。

表2結果顯示，北斗與GPS分別獲取的兩套速度場結果在水平向的差異約為1～2 mm/a，在垂向的差異約為10～15 mm/a。兩套系統在水平方向的速度場不存在朝某一方向的整體性運動差異，而除四川筠連站點外所有站點的北斗與GPS之間的垂向速度差均有上升趨勢， 這說明北斗與GPS定位結果之間存在差異性，這一差異體現在垂向。基于框架轉換的“七參數”方法，本項目討論了北斗與GPS定位結果之間的差異性，該方法由赫爾默特提出，七個參數包括了三個平移參數、三個旋轉參數和一個尺度因子。經研究發現尺度因子的偏移并不影響水平和垂向速度場，而尺度因子的趨勢性變化主要影響垂向速度場。因此，我們認為北斗與GPS垂向速度場差異是框架尺度因子波動所帶來的影響。

另外，北斗導航系統星座并不完善，雖然能對亞太地區提供很好的定位服務，但其地面跟蹤站點只分布在亞太地區，且北斗衛星端和接收端天線相位中心等相關改正模型還不完善。這都有可能造成框架實現時尺度因子的偏離。這一情況將隨著衛星星座的完善、地面跟蹤站在全球逐步建設及北斗相關改正模型的完善而得到改善。

成果推廣應用及下一步工作設想

通過本項目的研究發現，在當前北斗導航系統衛星星座分布下，北斗導航系統精密單點定位精度在水平和垂向分別約為8mm和20mm。通過對當前北斗導航系統定位精度、基線時間序列和速度場獲取能力的研究發現，當前北斗導航系統精密單點定位能夠準確監測到站點區域的水平速度場及基線速率變化特征，雖然其監測到的垂向速度場誤差較大，但這將隨著北斗系統星座的完善、地面跟蹤站點的加密建設以及各種模型的改進而減弱，屆時北斗導航系統的定位精度將得到進一步提高，從而促進北斗導航系統在地殼運動監測中的廣泛應用。

隨著北斗導航系統的逐步發展，其在地殼運動監測中的應用能力逐漸體現，特別是近些年北斗導航系統在大地震地表運動及同震形變獲取中的應用：在2015年4月25日尼泊爾8.1級地震中，北斗與GPS聯合觀測得到地表運動較單GPS結果在精度上有了20%的提升；北斗地基增強系統站點在2017年8月8日九寨溝7.0級地震發生后，快速獲取了地表運動。如圖4與圖5所示。

表2 北斗與GPS在ITRF08框架下的速度場

圖4 拉薩站獲取的尼泊爾地震地表運動（綠色為GPS定位結果，紅色為北斗導航系統定位結果，藍色為GPS與北斗聯合定位結果）

盡管北斗導航系統在地殼運動監測中已經取得一些研究成果，但是北斗導航系統衛星星座目前并沒有部署完成，地面基站在項目實施期間也沒有完全運行，因此北斗導航系統受精密單點定位精度的限制，目前在地殼運動監測中的應用有限，在以后的工作中將進行以下幾項工作：

1.隨著北斗導航系統第三代衛星的逐步發射及地基增強系統全面展開，其定位精度將逐步提升。現階段，筆者將利用差分方法減少衛星軌道及鐘差產品對定位精度的影響，以期進一步提高北斗導航系統的定位精度，逐步將北斗導航系統納入地殼運動監測和地震分析預報工作中。

圖5 GNSS獲取的九寨溝地震同震位移（紅色五角星為震中位置, 藍色圓點為余震分布）

2.導航系統定位需地面接收站有開闊的衛星通視條件，在觀測條件差的情況下，單系統衛星可見性不佳，而組合衛星導航系統可增加可見衛星數，從而改善衛星定位結果。已有研究發現，北斗導航系統與GPS聯合實時定位不僅能夠縮短定位收斂時間，而且可以提高定位精度。研究北斗導航系統與其他導航系統間聯合實時定位，需要每個導航系統實時衛星軌道和鐘差產品的支撐，通過對衛星軌道和鐘差產品的實時計算與獲取，促進對北斗導航系統與GPS聯合實時定位精度的研究，進而提高系統定位精度與穩定性，使北斗導航系統最終從米級向厘米級精度導航應用進軍；促使區域精細化農業、車輛車道導航、智慧物流等高精度應用走向全球，加快推進北斗在全球實時導航定位服務中的推廣應用。

3.限于衛星軌道和鐘差產品的更新頻率，GNSS高頻實時定位目前采用的頻率大多為1HZ，而強震儀數據采集頻率可達100HZ，然而強震儀記錄的數據通常為加速度值，需要通過兩次時間積分得到位移值，積分就會存在強震儀儀器漂移和積分誤差等問題。通過研究GNSS實時定位結果與強震觸發數據相融合，可以克服GNSS頻率不高、強震儀儀器漂移及積分誤差等問題，從而得到高精度高頻率的地表運動結果。利用地表運動最大位移與震級間的經驗關系式，可以快速獲取地震震級；利用高精度高頻率地表運動結果，基于地下斷裂模型與地表運動間的數學關系，可以反演得到發震斷層破裂的時間進程。基于獲取的地表運動、地震震級和發震斷層破裂的時間進程，可以快速評估地震可能的破壞范圍和程度，為災區的應急救援提供基礎資料。另外，由于地震發生后會激發橫波與縱波兩種波，縱波傳播速度通常是橫波的2倍，而引起建筑物倒塌的往往是橫波，因此可以利用縱波與橫波之間的到時差來發布預警。基于此，我們將嘗試利用極震區GNSS站得到的實時震級和破壞范圍及程度，向極震區外圍實時發出預警信息。