GNSS坐標時序異常情況討論：以長寧地震為例

何福秀，劉 江，楊 洋，張 瀾

(四川省地震局，四川 成都 610041)

長期以來，四川GNSS觀測網絡為該區域中、短臨地震監測預報工作提供了支持。隨著科學技術的發展和GNSS臺站密度的不斷增加，未來GNSS觀測手段對該區域孕震環境及臨震風險評估以及做好震害防御工作仍將發揮作用。然而，受觀測環境、觀測質量和背景地殼(表)運動等潛在影響，GNSS連續觀測時間序列會呈現出不同程度的擾動，如何從綜合觀測中排除潛在的擾動源，并最終提取出因地殼運動引起的變化信息是GNSS進行地殼運動監測、地震預測預報的關鍵(Savage et al.，2001；江在森等，2003； Matsu’ura et al., 1986；馮蔚，2016)。在長寧地震之前，工作組第一時間發現并落實了距離其西南側約42 km處的筠連(JUNL)測站異常，并正式提交了異常核實報告。通過梳理這次成功的異常核實經驗，為后續地震監測預報工作提供震例總結。

1 四川GNSS連續觀測網絡概況

由四川省地震局籌資建設的四川GNSS觀測網絡是中國最早實現標準化位置服務的連續運行參考站網絡之一。該網絡始建于2002年，目前，該網絡共包含自建、承建、共享等連續運行參考站109個，流動觀測站點154個，科研合作觀測站點55個。其中，就連續運行參考站點而言，四川省地震局自建站點36個，承建中國大陸環境構造網絡站點25個，共享四川省測繪局連續站點50個，共享中國地震局監測司站點4個。全網覆蓋范圍約48萬平方千米，平均間距約70 km，是目前國內覆蓋面積最大的集毫米級靜態定位、厘米/分米級實時動態定位等多種位置服務功能于一體的綜合型GPS網絡觀測系統之一。

2 異常調查與分析

2.1 GNSS坐標時序分析

本文基于GAMIT/GLOBK軟件獲取GNSS測站在歐亞框架下的坐標時間序列，并去除了共模誤差、年周期項及水平方向的線性運動趨勢(速度)，呈現測站自身序列的變化特征。

圖1a為JUNL站2017年1月1日至2019年8月11日坐標時間序列。將近兩年的坐標時間序列結果放在同一圖中進行疊加對比，更能直觀形象的看出單站坐標時間序列運動趨勢的改變。作為對比分析，圖1b為理想情況下的GNSS時間序列特性(ANYU站)，即，最新數據結果與背景運動趨勢吻合良好，無顯著趨勢變化。2019年6月17日長寧發生MS6.0級地震。由圖1a可知，在震前約60天(2019年4月5日，虛線框)，筠連(JUNL)GNSS連續觀測站(距離震中西南方向約42 km)坐標時間序列東方向開始出現顯著異常轉折。該站坐標時間序列到5月中旬變化量值約10 mm，然后又逐漸回轉。異?；剞D期間，發生了長寧MS6.0地震，隨后，JUNL坐標時間序列逐漸回歸到正常波動水平。

圖1 JUNL站(a)、ANYU站(b)2017年1月1日至2019年8月11日坐標時間序列

2.2 數據質量檢測

筠連(JUNL)GNSS基準站位于四川省筠連縣筠連鎮，建站時間為2008年11月，站址設在石灰巖層上，處在筠連背斜軸部，附近無大的斷裂分布，屬構造相對穩定區域。針對時間序列表現出的異常，對該站數據質量做內業檢測，包括多路徑效應分析和異常前后天空殘差視圖對比分析。

(1)多路徑效應分析。多路徑誤差是由于衛星信號在傳播過程中，遇到反射物后經過反射的信號與直射信號產生干涉，天線接收到干涉后的組合信號，從而使觀測值與真值產生偏差(Counselman，1998；宋樂，2015)。多路徑效應誤差是與測站所處環境相關的誤差，在不同環境下多路徑效應誤差的大小有所不同(楊哲等，2010)，由于其復雜性和特殊性，難以在數據解算過程中進行消除，但考慮到站點周邊觀測環境的相對穩定，可以通過殘差分析多路徑效應的影響變化。圖2為JUNL站2019年多路徑效應誤差變化圖，MP1、MP2在0.3上下波動，整體小于0.40，且從變化趨勢上看也沒有明顯的擾動，說明JUNL站數據質量合格，無多路徑效應影響，可排除樹木、建筑遮擋等環境干擾影響(趙傳華等，2013)。作為對比，圖3展示了基于TEQC軟件計算四川寧南(SCNN)站原始GNSS觀測數據中兩個波段(L1、L2)的單天多路徑值(MP1、MP2)總體變化情況?？梢姡撜军c2018年前三個季度多路徑效應比冬季強烈，在夏末秋初出現明顯增強(圖3第150天至第271天之間)，嚴重影響了數據解算質量，使得該站坐標時序出現了同步異常擾動(見圖4)。從現場異常核實(見圖5)結果看，該站點樹木遮擋嚴重，屋頂有積水，進行清理后，多路徑效應明顯下降(見圖3，第271天后)，同時坐標時序的異常變化也得到恢復。

(2)天空殘差分析。天空殘差視圖反映了因降雨、多路徑效應、衛星軌道等引起的綜合觀測誤差影響。圖6為JUNL站2019年第139天全天接收到的衛星運行軌道情況及其軌道殘差，每隔4 h輸出一次。該圖直觀的表達了JUNL站2019年第139天綜合觀測殘差大小及分布情況，通過對比GNSS異常信號產生前后，這種綜合環境影響是否發生顯著變化，可以排除觀測環境干擾影響。

圖8為隨機選取的異常發生前(見圖7a、7b)、異常期間(見圖7c、7d)共4天的天空殘差視圖對比，筠連站2019年第79、80、139、140天天空殘差RMS分別為6.4 mm、6.5 mm、6.5 mm、6.1 mm，可見，異常發生前后這種綜合環境影響的變化并不顯著。

圖5 SCNN站2018年觀測環境圖(a為2018年3月巡檢圖片；b為2018年9月28日異常核實圖片；c為2018年9月29日進行樹木砍伐和積水處理后圖片)

圖4 SCNN站2017年1月1日至2019年8月11日坐標時間序列

圖6 JUNL站2019年第139天天空殘差視圖

圖7 JUNL站2019年第79天(a)、80天(b)、139天(c)、140天(d)天空殘差視圖

2.3 現場異常核實

一旦發現時間序列異常變化，除了根據上述分析方法做數據質量檢測外，還需赴測站現場，檢測儀器工作狀態、調查環境干擾情況，排查如樹木遮擋、建筑物遮擋、降雨、人類活動等異常，為判斷異常擾動源和最終獲取“干凈的”地殼形變信息提供保障。根據中國地震局監測司《形變學科觀測資料異常變化現場核實工作報告編寫要求(修訂)》，異常核實流程包括：①儀器工作狀態檢查：檢查GPS接收機、天線、連接電纜、高頻饋線防雷器、儀器供電系統、網絡設備、人員操作、日志記錄等情況。②環境干擾情況調查：調查GPS觀測墩異常情況；調查在異常變化前后周邊有無大型的施工作業，如工程施工、礦產開采、爆破、磁暴及空間天氣變化等，以及河道水位、水庫庫容量、地下水開采引起的地面沉降漏斗等變化情況；調查附近有無較強電磁干擾；調查觀測點各方向視線高度角15°以上有無高大建筑物或樹木等阻擋物；調查常見多路徑效應的影響因素。③氣象因素調查：收集異常測點或附近氣象信息，如溫度、氣壓、降水量等；收集異常測點或附近一定范圍內的地下水位資料、旱澇情況。

圖8 JUNL站觀測室內圖

筠連GNSS站點接收及天線設備分別為Trimble NetR9和GNSS-Ti Choke Ring R8，近兩年未進行設備更換。自建站以來，站點運行穩定，為排除環境、人為等因素干擾，臺站工作人員于2019年5月23日前往該站做異常核實。硬件方面，通過對GPS接收機、天線、連接電纜、高頻饋線防雷器、儀器供電系統、網絡設備、人員操作、日志記錄等進行排查，表明近期JUNL站所有設備運行正常(見圖8)。環境方面，從現場考察結果看，GNSS觀測墩無異常情況，觀測點環視高度角15°以上無高大建筑物和樹木遮擋(見圖9)。天氣方面，異常變化前后，沒有明顯的氣候變化。通過詢問地震臺工作人員，在近兩個月，附近施工的場地有：①距觀測墩直線距離約70 m山腳下的水池邊有一次鉆孔(圖10a)；②水池旁邊修建了一個垃圾房(圖10b)；③距離觀測墩直線距離約1 km的路面上，有下水道施工(圖10c)。由于JUNL站建站以來，附近修建過幾次房屋，并未對數據產生過影響，所以水池鉆孔和垃圾房的修建基本不會對數據造成影響；據當地人員介紹，該路段斷斷續續已修建幾年，2019年開始動工的時間為5月18日，與異常轉折開始時間相差較大，且在數據異常期間，路面上沒有頻繁施工，因此可以排除路段施工影響。

圖9 GNSS天線遠視圖

圖10 距離觀測墩約70 m的山腳下一水池鉆孔(a)、新修垃圾房(b)、 距GNSS觀測墩直線距離約1 km的在建路面(c)

2.4 地震活動分析

圖11為JUNL站附近50 km范圍2019年1月1日至2019年6月15日0級以上地震分布圖，可見筠連站東北側約30 km處有一個震群，長寧MS6.0地震震中位置距筠連站約42 km，位于震群震區內。圖12為該震群2019年1月1日至2019年6月15日的M-T圖和頻度圖(月頻度)，其中，M-T圖體現了地震震級和時間的關系，而頻度圖直觀展示每月發震頻率。該震群2019年1～5月發震月頻度最高達272次，最低125次，可見該區域地殼運動比較活躍。因此，結合GNSS觀測資料分析，工作組認為JUNL站東方向運動趨勢發生的異常轉折與該區域小震頻發現象應高度重視，并做出了該GNSS站點時間序列異常與區域地質構造活動有關的判斷，提交了異常核實報告。

圖11 2019年1月1日至2019年6月15日筠連站附近50 km地震分布

圖12 2019年1月1日至2019年6月15日長寧區域地震M-T圖和頻度圖

3 結論與討論

2019年6月17日長寧發生MS6.0地震，在震前約60天，筠連GNSS測站(震中西南方約42 km處)坐標時間序列東方向開始發生異常變化，最大量值達到10 mm。從多路徑效應分析、天空殘差分析等內業質量檢測結果排除數據質量問題，通過現場異常核實排除了設備故障和外部環境干擾因素，同時鑒于緊挨筠連臺站的長寧珙縣震群地震活動活躍，因此，綜合判定該站異常與地質構造運動或區域應力活動有關，為本次地震的預測預報工作提供了科學依據。