中国地震局分析预报中心
硕士学位论文
GPS数据处理及其在地壳运动监测中的应用
姓名：王武星
申请学位级别：硕士
专业：固体地球物理
指导教师：顾国华
2003.6.18
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｅｒｉｏｄｏｆｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｏｃｃｎｒｒｅ“ｆｌＣｅｏｆｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ，ｔｈｅｃｒｕｓｔａｒｏｕｎｄｔｈｅｅｐｉｃｅｎｔｅｒｓｗｉｌｌｍｏｖｅａｎｄｄｅｆｏｒｍｗｉｔｈｇｈ粼ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ．ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｗ｜氇ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅＧＰＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＧｅｏｄｅｓＢｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅｃｒｕｓｔａｌｍｏｖｅｍｅｎｔｗｉｔｈＧＰＳｈａｓｂｅｃｏｍｅａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔａｐｐｒｏａｃｈｔｏｅａｒｔｈｑｕａｋｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．１抽ｅＣｒｕｓｔａｌＭｏｖｅｍｅｎｔＯｂｓｅｒｖａｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋｏｆＣｈｉｎａ（ＣＭＯＮＯｃ）ｃａｌｌｐｒｏｖｉｄｅｒｅａｌｔｉｍｅＧＰＳｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｄａｔａｏｆｔｈｅｃｒｕｓｔａｌｍｏｖｅｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎｅｓｅｍａｉｎｌａｎｄｗｉｔｌｌ“ｇｈａｃｃｕｒａｃｙ．Ｓｏｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ
ａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔｒｏｎｇｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓｗｉｔｈｃｒｕｓｔａｌｍｏｖｅｍｅｎｔｄａｔａｉｓａｖｅｒｙｉｍｌｘ＞ｒｔａｎｔａｓｐｅｃｔｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，ＴｈｅＫｕｎｌｕｎｍｏｕｎｔａｉｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅｗｉｔｈＭ８。ｌｏｎＮｏｖｅｍｂｅｒ１４，２００１ｉｓａｇｏｏｄｅａｒｔｈｑｕａｋｅｃａｓｅｆｏｒｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｃｒｕｓｔａｌｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｓｔｒｏｎｇｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ．
Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｆｏｃｕｓｅｄ０１１ｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｓｐｅｃｔ：
（１）Ｔｈｅｔｈｅｏｒｙ，ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏｔｈｅｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｅａｒｔｈｓｃｉｅｎｃｅ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｃｒｕｓｔａｌｍｏｖｅｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｉｓｂｒｉｅｆｅｄ．ＴｈｅｎｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄａｐｐｒｏａｃｈｅｓｉｎｔｈｅｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆＧｐＳｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋａ∞ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，
（２）１１ｌｅＧＰＳｏｒｂｉｔｓａｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｏｎｌｙ稍ｍｔｈｅｆｉｄｕｃｉａｌｓｔａｔｉｏｎｓｏｆＣＭＯＮＯＣ．Ｔｈｅｎｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｏｒｂｉｔｓａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｂｅｓｔａｔｉｏｎｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．
（３）Ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｄａｔｕｍｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓｆｏｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｅａｒｔｈｑｕａｋｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｃｒｕｓｔａｌｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓａｔｓｔａｔｉｏｎｓｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ撖ＣＭＯＮＯＣｍ曲ｒａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｉｎｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｓｉｎｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｓｌａ＇ｏｎｇｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓｉｎｓｏｍｅａｒｌ％ｌｓａｎｄｔｈｅｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｅｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗｈｏｌｅｐｅｒｉｏｄ，ｔｈｅｗａｖｅｌｅｔｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
拍ｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｏｆｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ锄ａｓｆｏｌｌｏｗｓ：
（１）ＴｈｅＧＰＳｏｒｂｉｔｓａｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｏｎｌｙｗｉｔｈｔｈｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｆｒｏｍｆｉ如ｃｉａｌｓｔａｔｉｏｎｓｉｎＣＭＯＮＯＣ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｏｒｂｉｔ，ｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｏｒｂｉｔｓｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ０．４ｍ．Ａｆｔｅｒ
ｍａｎｙｓｅｒｉｅｓｄａｔａｏｆｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｇｒｏｕｐｓｅｌｅｃｔｅｄｆｒｏｍ２５ｆｉｄｕｃｉａｌｓｔａｔｉｏｎｓ
ａｒｅｐｒｏｃｅｓｓｅｄｆｏｒｔｈｅ
ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｒｂｉｔｓ，ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＩＧＳｆｉｎａｌｏｒｂｉｔｓａｎｄｃｏｎｓｕｍｅｄｔｉｍｅｏｆｅａｃｈｇｒｏｕｐａ∞ｍａｄｅ．Ｔｈｅｎａｓｕｉｔａｂｌｅｓｅｒｉｅｓｏｆｆｉｄｕｃｉａｌｓｔａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｈｉ．芷Ｉｌａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｔｉｍｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓｏｂｔａｉｎｅ＆
（２）Ｔｈｅｔｈｅｓｉｓａｇｒｅｅｓｗｉｔｈｔｈｅｏｐｉｎｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｄａｔｕｍｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｗｉｔｈｓｔａｂｌｅｓｔａｔｉｏｎｓｆｒｏｍｔｈｅｒｅｇｉｏｎａｌｓｔａｔｉｏｎｓｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒａｎａｌｙｓｉｓｉｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｒｕｓｔａｌｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓｏｂｔａｉｎｅｄｓｈｏｗｃｌｅａｒｌｙｔｈａｔ：ＴｈｅｃｒｕｓｔａｌｍｏｔｉｏｎｉｎＣｈｉｎｅｓｅｍａｉｎｌａｎｄ
ｈａｓｂｅｅｎｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ．ＴｈｅｃｒｕｓｔａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｗｅｓｔｐａｒｔｏｆＣｈｉｎａｈａｓｂｅｅｎｆａｒｓｔｒｏｎｇｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎｔｈｅｅａｓｔｐａｒｔｏｆＣｈｉｎａ，ｗｉｔｈｔｈｅＮｏｒｔｈ—Ｓｏｕｔｈｓｅｉｓｍｉｃｂｅｌｔａｓａｂｏｕｎｄａｒｙｏｆｔｈｅ２ｐａｒｔｓ．ＴｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｗｅｓｔｐａｒｔｏｆＣｈｉｎａｈａｓｒｅｄｕｃｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙｆｒｏｍｓｏｕｔｈｔｏｎｏｒｔｈ．ＴｈｅａｒｅａｉｎＹｕｎｎａｎａｎｄｅａｓｔＴｉｂｅｔｓｈｏｗｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｌｏｃｋｗｉｓｅｔｅｃｔｏｎｉｃｒｏｔａｔｉｏｎ．
（３）Ｔｉｌｅａｎｏｍａｌｉｅｓｉｎｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓａｔｓｔａｔｉｏｎｓ［１ｅａｒｔｈｅｅｐｉｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅＭ８．１ｅａｒｔｈｑｕａｋｅａｒｅｓｈｏｗｎ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｆｒｏｍｔｈｅｂａｓｉｃｎｅｔｗｏｒｋｏｆＣＭＯＮＯＣｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅａｔＤＬＨＡ，ＸＮＩＮ，ＪＢ３０，ＪＢ３１，ＪＢ３２，ＪＢ５１ａｎｄＪＢ４９，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙａｔ１１３３０，ＪＢ３２，ＪＢ５１．ｗｅｒｅｑｕｉｔｅｌａｒｇｅ．１１１ｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓａｔｆｉｄｕｃｉａｌｓｔａｔｉｏｎｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｗｅｒｅｃｌｅａｒａｎｏｍａｌｉｅｓｉｎｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓａｔＬＨＡＳ，ＤＬＨＡ，ＷＵＳＨａｎｄＴＡＳＨ，ＤＬＨＡｍｏｖｅｄｗｅｓｔｗａｒｄｆｏｒａｂｏｕｔ２０１１１１１１，ＤＸＩＮｍｏｖｅｄｗｅｓｔｗａｒｄｆｏｒａｂｏｕｔ１０ｎｎｎ，ａｔＤＬＨＡｔｈｅｒｅｗａｓａｃｏｓｅｉｓｍｉｃｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆａｂｏｕｔ１０ｉｎｉｎ．
（４）ＴｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｍｅｔｈｏｄｏｆｗａｖｅｌｅｔｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｗｉｔｈＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ．Ｗｉｃｈｔｈｅｐｒｏｇｒａｍ，ｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓｗｅｒｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｓｏｍｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒｅｃｅｎｔｃｒｕｓｔａｌｍｏｖｅｍｅｎｔｉｎＣｈｉｎｅｓｅｍａｉｎｌａｎｄ．ＴｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｎｗｅｓｔｐａｒｔｏｆＣｈｉｎａｗａｓｓｔｒｏｎｇｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎｔｈｅｅａｓｔｐａｒｔｏｆＣｈｉｎａａｎｄｉｔｓｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔＳＯＷＳｇｏｏｄｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙｉｎｔｈｅｄａｔａ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｗｅｓｔｐａｒｔ，ｔｈｅｅａｓｔｐａｒｔｏｆＣｈｉｎａｉｓｍｏｒｅｓｔａｂｌｅ．ＢｅｆｏｒｅｔｈｅＫｕｎｌｕｎｍｏｕｎｔａｉｎｅａｒｔｈｑｕａｋｅｏｆＭ８．１ｏｎＮｏｖｅｍｂｅｒ１４２００１，ｔｈｅｒｅｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔａｎｏｍａｌｉｅｓｉｎｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓａｔＴＡＳＨ，ＷＵＳＨ，ＵＲＵ：Ｍ，ＤＬＨＡａｎｄＤＸＩＮ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＧＰＳ，Ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｏｒｂｉｔ，Ｃｒｕｓｔａｌｍｏｖｅｍｅｎｔ，Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
串营蛾茬局分析溪报中心硪士论文摘要
摘要
ＧＰＳ空间大地测量技术在地球动力学中的应用．尤其是在地壳运动的监测方面有着划对健静塞义。它霹良精确麓疆供板块运动静西维信息（空筒和对闻），而且设备简单，作波方便，所以它不仅在监测区域性板块运动和扳块内的她壳形变方鞭具有广阉的髓景，疆且在监测全球性的板块运动方面，已经逐渐超越ＶＬＢＩ、ＳＬＲ等其它空间定位技术。
鬻娥大建测量攀在采集数据豹空阉＿鞫对瓣最度越及穗度等方瑟豹蜀限往傻其无法满黑现今地球动力学研究的需要，难以勾剜出中豳大陆地壳的赘体运动特征。ＧＰＳ技术由于有太空间、短时间尺度，高精度，垒天候，低成本和机动性强等特点，己成为研究地壳运动的生要手段之一。为磷究孕震熬力源、她震活动浆鞋空交迂燕律、束来逮矮匏强度、震嚣震中蒋一系列长、中、短期预报提供定量的数据依据，有利于提高我国的地震预报的水平。
中溺大陆地处歇亚板块的东南，是藏渊东部薪擒造变形强烈酌地区，大陆内部强戚频繁，遭受到躲地震灾害在世界上也最为严重。众爨翅知，蟪震的孕蹇彝发生瓣进程是遗宠物震运动以及外部环境包括天体和地壳运动等务种因索综合作用引起地成力在某些地区长期积累、集孛、龆强，最终嚣致迪壳酸裘活动的虚交熊重释放的过程。中国大陆地壳运动的研究对遮一区域的地震预测预报有麓重要的意义。在地震孕育和发生过程申照簧应力的积鬟、集中、加强，地蠢也发生变化和运动。地壳运动的定量簸测也就成为地震预测和预报的燕要手段积辕据。菇ＧＰＳ为主静牵翟堍壳运动麓溅藕络耗撵拱串蠲丈碲主要疑体运动的离耩度、大范围的实时效据及地壳逡动图像，所以利用地壳形交资料研究地震的孕育过程及冀规簿＋进而进行地震预报一直是一个颇受重视的研究方向。昆仑山口西８．１级大地震为用ＧＰＳ资睾毒来分援缝麦形交与强建震熬关系带来一个缀好静鬟铡。
根据上述思路，论文主要进行了以下几个方面的工作和探索；
（１）论文简要介绍了ＧＰＳ技术原理，最新发展，以及在国内外地球科学中的应用；介绍了ＧＰＳ定使原理，包括定位戆嫩标帮时阕蓊绫、蒸本鼹溅量及莛误差来源；讨论７ＧＰＳ监测地壳运动的数据处理中的问蹶及其处理过程。
（２）献ＧＰＳ数据资料的处理和精度分析入手，获得可靠的商精度计算结聚。同种在满足精度要求的基础上，也应该兼顾计算的对闰效率。论文用网络基准台进霉亍ＧＰＳ里爨孰道的计算、分析了定轨精度以及台站选取的影响。
（３）在获得全球框篥下蠢耩嶷秘胃靠计算结栗裁，分析选取台适的位移纂准来获取一定时间尺度下的中国大陆地壳运动变化特征：获取多年来地壳运动变化秘每个ＧＰＳ逡续麓测站的位移时间序列来分析这些变化与强地震发生危陵性间的关系。并用小波变换来探索时耀痔列在一定豹位移运动逮率下静届帮交纯特征。
论文通过以上工作得到以下的主要结论和认识：
（１）ＧＰＳ卫星轨道信息是定位的基本要素，卫星轨道谖差将会直接影响定位精度。论
中国地震扁分析预报中心硕士论文摘要
文介绍了目前国际上ＧＰＳ卫星定轨现状，介绍了寇轨工作原理和计算所采用的方法。应用网络鏊准站的观测数据进行ＧＰＳ卫星的独立定轨计算，获取了卫星的轨道信息，９目络独立定轨计算结聚中冬颢卫星与ＩＧＳ屋历中相应嫩标相比的乎蟛误蓑基本上都在０．４ｍ以波。论文利用２５个基准站，作不同分组，通过计算分析讨论台站的选取对卫晨轨道计算结果的影嫡，得到一个较抒静台站缀合方式，实现快速、自主精确静卫基定轨。
（２）论文分车斤讨论了点位位移计算中位移基准的选取问题：认圊选取观测喇内存在的点数较多、分布范嗣较广的稳定点组比较适用丁＝地震分析预报。遮主要是因为利用这种稳定煮缀谬侮移基准，褒灏误麓或是都不撬女ｌ运动产生翁全霹旋转位移影嫡较小，商乖ｊ予分橱嚣域形变场，还可消除与构成基准的点相同的变化。
（３）利用网络数据中心的数据资料，获取了由基本嗣（包括基准嘲）３期测量资料樗感的点佼位移、圭连续鼹测基准蛄撂出的点搜位移瓣阑＿亭利。聚鸯结果均表明，串国大陆戳南北地震带为界，东、西部有着明显的运动速率差异，即两强东弱；并且在西部，向北运动漪速率逐渐躐缓：南北地震带东褥两铡台站的位移量相差撤大；西藏东部与云南地区形成非常明显的顺时针旋转构造运动。
（４）在８．１级大地震前后震源附近的部分台站在南北和东西向的位移都有较明显的变纯。萋本疆靛结粟髭示：魏震辩近的ＤＬＨＡ、ＸＮＩＮ、ＪＢ３０、ＪＢ３１、ＪＢ３２、ＪＢ５１、ＪＢ４９都有较明显的位移变化，其中又以ＪＢ３０、ＪＢ３２、ＪＢ５１的位移变化最明显。ＪＢ５ｌ赢震中２３０ｋｍ，１＿ｆ７：丁地震断屡南侧，其位移量比邻近的点大得多，２０００年６月至２００２筚８月向南东东向位移达２７５ｍｍ，ｉ｝｜；１９９８年９是至２０００年６男囱魏东饿穆譬经为２７ｍｍ。ＪＢ３０嘉震中３５７ｋｍ，位于地震断层北侧，其１９９８年９月至２０００年６月向北东方向运动位移爨为２１ｍｍ，瓶２０００年６月至２００２年８月向南西西方向运动的位移麓为８９ｍｍ。基准站位移时间序列显示：ＬＨＡＳ、ＤＬＨＡ、＼ＶＵＳＨ、ＴＡＳＨ鹣侥移聪阕痔列南北分耋鸯穗鞋闻段麴运秘速率趋势熬变纯｛ＤＬＨＡ和ＤＸｌＮ的东西分量在地震前后的位移变化分别为２０ｍｍ和１０ｍｍ左右，其中ＤＬＨＡ东鹾囱位移有明鬟的同震变亿，其同震位移璧约１０ｍｍ。
（５）论文引入了，ｌ、波变换的方法，用ＶＢ编程语言慰其算法洼譬亍了计算攫彦豹实现，利用稃序对位移时间序列进行了计算与分析。对小波分析的结果按地区进行了解释，得到了各琏区的遥壳运动的一些运动特点。中潮大陆嚣部静点，位移交纯的幅发较大，僵是去除运动的趋势速率后，其小波变换结果有较好的周期性运动特点：雨衷邦、尤其是华北，变换结果的幅度较小，反映相对西部这一地区比较稳定。小波变换结果最示在融仑山口西８．１级丈逸震熬，ＴＡＳＨ、ＷＵＳＨ、ＵＲＵＭ、ＤＬＨＡ、ＤＸＩＮ等裔豹东嚣囱替禳秘攫静弄常变纯。对于位移时间序列的周期性特点则需要更长时间的观测资料来进行分析。
美链调：ＧＰＳ数掇处理重量辘遘缝麦运动整溅
中国地震局分析预报中心硕士论文第一章概论
第一章概论
１．１ＧＰＳ技术的发展
２０世纪５０年代末，前苏联成功发射了人类的第一颗人造地球卫星。美国科学家在对其跟踪研究中，发现了多普勒频移现象，并利用该原理开始研制子午仪系统（Ｔｒａｎｓｉｔ），１９６４年该系统建成，随即在美国军方启用，１９６７年美国政府批准该系统解密并提供民用。Ｔｒａｎｓｉｔ系统在军事和民用方面取得了极大的成功，它实现了全球范围内的核潜艇、导弹测量船、各种军用、民用船舶的全天候导航，并在大地测量、高精度授时、监测地球自转等方面得到了广泛的应用，显示了卫星导航的优越性。它在卫星导航技术的发展中具有划时代的意义，是最早的卫星定位系统。但是这个系统的卫星数量少，不能实时定位；卫星轨道低，难以精密定轨；无线电频率较低，难以补偿电离层效应的影响；从地面站观测到卫星的时间间隔较长（平均１．５ｈ），无法提供连续的实时三维导航；定位精度低。因此，不能满足军事和地球动力学研究等各方面的要求。
为满足军事部门和民用部门对连续实时三维导航的迫切要求。１９７３年美国国防部制定了发展新一代卫星导航系统ＧＰＳ的计划。该计划历时２０年，耗资达３００亿美元，成为继阿波罗登月、航天飞机之后的第三项庞大的空间计划。所建成的系统也就是目前所称的“授时与测距导航系统，全球定位系统”（ＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＴｉｍｉｎｇａｎｄＲａｎｇｉｎｇ，ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ），通常简称为“全球定位系统（ＧＰＳ）”。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。
在俄罗斯，１９６５年开始建立了一个卫星导航系统，叫做ＣＩＣＡＤＡ。但是ＣＩＣＡＤＡ有着和Ｔｒａｎｓｉｔ同样的缺点。于是从１９８２年１０月１２日发射第一颗ＧＬＯＮＡＳＳ卫星开始，到１９９６年完成了２４颗工作卫星加一颗备用卫星的全球导航卫星系统ＧＬＯＮＡＳＳ的布局。ＧＬＯＮＡＳＳ系统的卫星位于三个轨道面内，轨道高度约１９０００ｋｉｎ，轨道倾角“．５０，运行周期为１１小时１５分。整个系统于１９９６年１月１８日起正常运行，打破了在卫星导航定位领域由美国ＧＰＳ一统天下的局面，形成多系统兼容共用的新格局。
欧盟的“伽利略”计划酝酿以久，从上个世纪９０年代开始，欧盟就一直就该计划的可行性进行研究论证，欧盟成员国的１００多家公司参加了这项工作。２０００年６月，在世界无线电通信大会上，欧盟经多方努力，终于获得了实施“伽利略”计划所需要的Ｌ频段的频率资源，为“伽利略”计划的顺利实施创造了必要的条件。“伽利略”卫星系统将由３０颗轨道卫星组成，卫星的轨道高度为２．４万ｋｍ，倾角５６。，分布在３个轨道面上，每个轨道面部署９颗工作卫星和１颗在轨备用卫星。可见“伽利略”系统一旦建成，标志着欧洲拥有自己的卫星导航定位系统，必将改变整个卫星定位系统的市场格局。
１９８９年９月，我国首次利用自己的两颗地球同步卫星进行了双星快速定位通信演示实验，获得了圆满成功。随着近几年我国同世界上其它国家和公司的技术交流与合作，大大丰富了双星定位系统的研制和开发，并于２０００年ｌＯ月３１日、１２月２１日和２００３年５月２５日发射了三颗自己的导航定位卫星，“北斗一号”卫星，从而形成了我国第一代卫星导航定位系统，揭开了我国卫星导航事业发展的新篇章。
为了在该领域保住全球霸主地位，美国不断投入巨资更新完善ＧＰＳ系统，并对ＧＰＳ系统进行技术攻关（方秀花等，２００２）。
①ＧＰＳ星座卫星的更新换代。ＧＰＳ系统星座最初使用的是Ｂｌｏｃｋ－Ｉ卫星，接着使用的是Ｂｌｏｃｋ．ＩＩ、ＩＩＡ，后来是Ｂｌｏｃｋ．ⅡＲ，最近使用的是改进型Ｂｌｏｃｋ—ＩＩＲ、ＩＩＦ。１９９７年，由洛马公司生产的Ｂｌｏｃｋ．ＩＩＲ卫星开始替换１９８９～１９９６年期间发射的Ｂｌｏｃｋ．ＩＩ和Ｂｌｏｃｋ．ＩＩＡ卫星，并于７月２３日发射了首颗Ｂｌｏｃｋ．ⅡＲ卫星。Ｂｌｏｃｋ。ＩＩＲ卫星的设计寿命由Ｂｌｏｃｋ．ＩＩＡ的７．５年延长到ｌＯ年。与Ｂｌｏｃｋ．ＩＩＡ卫星相比，Ｂｌｏｃｋ－ＩＩＲ抗核辐射和抗激光照射能力都有所提高。在Ｂｌｏｃｋ－ＩＩＲ的设计要求中就有具备经过核战争而生存下来的能力这一项。另外，卫星的天线经过新的设计，加强了抗干扰能力。
②加强抗干扰技术的研究．美军施里弗空军基地发言人表示，美军已能做到有选择性地干扰某些地区ＧＰＳ卫星信号，却不影响己方精确军事应用。在最近的阿富汗战争中，美国就是这么做的。但在军用ＧＰＳ领域，如何摆脱敌方对ＧＰＳ的干扰仍是一个很难解决的问题。多年来，美国研究人员一直在研究如何提高ＧＰＳ系统的抗干扰能力。目前和今后研究的主要方面有：（ａ）利用伪ＧＰＳ星座提高抗干扰能力；Ｃｏ）新型抗干扰ＧＰＳ接收机Ｇ－－ＳＴＡＲ诞生；ｆｃ）研制Ｍ码卫星。
＠ｏＰｓ领域的革命一量子定位系统（Ｇｉｏｖａｎｎｃｔｔｉ，２００１）。当前的ＧＰＳ是一种卫星无线电定位、导航与授时系统，是通过发射电磁脉冲并且测量它们到达待定点的时延来实现定位的。这种方法的精度受到信号功率和带宽的限制。为了克服这些缺点，美国麻省理工学院（ＭＩＴ）的研究人员正在研究一种基于量子技术的定位系统，称为量子定位系统（ＱｕａｎｔｕｍＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ，ＱＰＳ）。这项研究采用具有量子特性的激光取代电磁脉冲。如取得成功，将使当前ＧＰＳ系统产生革命性的突破．ＱＰＳ的特点是定位精度高具有很高的安全性。
１．２国内外应用动态
目前ＧＰＳ技术的应用正沿着两个方向发展，一是用于地球科学，目前主要是地球动力学的超高精度静态测量，后处理的基线精度已达到了１０一＾．１０－９，也就是说，１０００公里的边长，观测精度达到１厘米至ｌ毫米，这样的精度几乎达到了其测量精度的极限，足以检测地壳运动的微小变化。二是用于各种交通工具和机动兵器的导航和动态定位。采用差分技术可将动态定位的精度提高到Ｏ．５￣５米，在几十公里范围内已达厘米甚至毫米量级，从而使动态定位具有非常广阔的应用领域。差分ＧＰＳ的关键是建立高精度的ＧＰＳ基准站，通过播发差分改正信息，使接收这一信息的ＧＰＳ接收机实现动态定位。
ＧＰＳ空间大地测量技术在地球动力学中的应用，尤其是在地壳运幼的监测方面有着划时代的意义。目前，范围选数公羹至几千公里的控制网或形变监测网，糟度上从米至毫米毅躬定位，一般都将ＧＰＳ传为营选手段。睫著载波棚使实瓣差分定位技术戆匿怒成熬，ＧＰＳ已开始向分米乃至厘米级的放样、高精度动态定位等领域渗透。它可以精确地提供板块运动的阏维信息＜空间和时闯），而藏设备简单，作业方便，所以它不仅在簸测区域性税块运动髑板块内的地壳形变方嚣舆有广阙的裁景，露晟在监测全球性的教块运动方垂，已经逐滚超越ＶＬＢｌ、ＳＬＲ等其它空间定位技术。
ＧＰＳ星密全面布设静宽戒、全球ＧＰＳ蕊测霹静建设、戳及ＧＰＳ接收辊和数据赴理软件的不断完善，尤其是测量糙度的大幅度提高，使得人们可以直接利用ＧＰＳ技术的戏测结果建立板块运动模型，这方面的研究成果已有很多陆续发表。应用于地壳运动和地球动力学研究匏ＧＰＳ溅蘩援本貔国黪合作幸孥点曩益镑显，并蠢时空密集纯翻定点连续震瓣豹台薄纯方向发展。将ＧＰＳ台阵技术用于±呶震预报及地球动力学研究最典型的国家是美阑与日本。这两个国家都布设了鞍为密集的ＧＰＳ观测嗣。也正是由于这种趋势和其崧民用用户的日益增多，美瞬致麝已经取消ＳＡ（选择霹嗣搜）政策。
ＩＧＳ（国际ＧＰＳ服务）自１９９２年起，已在众球建虚了多个数据存储及处理中心和西余个常年观测豹台站，我国也设立了上海余山、武汉、西安、披萨、台湾等多个常年观测台站，这些台站的聪测数撼每天遵过ＩＮＴＥＲＮ＇Ｌｒｆ羼馋自美嚣的数据存簸中心，ＩＧＳ还死乎实时姥综合各数据处理中心的结果。并参与国际地球自转服务ＩＥＲＳ的全球坐标参考系维护及地球蠢转参数的发布。使用者也可免费扶ＩＮＴＥＲＮＥＴ弼土取褥观耩数据及精密曩掰等产菇。ＩＧＳ所取得的成就集中代表了ＧＰＳ襁地球动力学研究中的水平。ＩＧＳ的几个分析中心所麟割的ＧＰＳ数据处瓒软件目前已广泛应用于国际上很多研究机构，其中具有代表性的为美阔加州喷气搀遴实验室熊ＧＩＰＳＹ软粹，寐省建工学院瓣ＧＡＭＩＴ／ＧＬＯＢＫ软俘，瑞士德尔愿大学天文研究所的ＢＥＲＮＥＳＥ软件。这魑软件的功能、数据处理结果的精度基本一致。剥用这些软件加上精密璧历或迸当的观测资料就可以达到上述的测量精度。
褒辍内，鑫１９８８年串德会终在滇嚣试验臻建立凌翟繁一个ＧＰＳ遗巍形变麓溺羽越来，蒋有关单位在我国大陆布设了大薰的ＧＰＳ固定和流动网站。且从１９９１年初以来，各单位系统地开展了地壳运动监测工作，陆续完成了不同地区ＧＰＳ阚点的复测，积累了大量ＧＰＳ数摄资辩。擐多磅究掇稳和学砻进纷了用ＧＰＳ鼹溅资辩疆究医城遗麦运动弱形嶷豹工俸，鸯很多相关的论文和文章发袭。
自簌中国地壳遥动观测网络获取首期观测数据以来，利用箕区域网、基本网和基准嗣１９９８零到２００２年阍蛇ＧＰＳ理测结果，已经获褥中国犬隧瑷今地巍运动鲍基本特短。可敬报清楚地看到现今中国大陆地壳邂动的概貌，对研究区域地球动力学、以及区域地壳运动与地震豹荧系喜着缀大静推动作用。弼瞻逮也ｉｆ穗了一系捌与之相关和迸一步的研究工作。这也是本论文研究的资料来源。
２００１年１１月１４日发擞了昆仑山口西８．１级地震，围绕这一难得的大地震糯例，很多学
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者应用中国地壳运动网络所获得的ＧＰＳ观测资料进行了地震前后中国大陆及该区域的地壳运动和形变特征研究，探索了利用ＧＰＳ观测结果，特别是连续观测结果研究地震的地壳运动信息的实例，并取得了一些与地震有关的地壳形变异常信息。
综上所述，ＧＰＳ技术的出现为现今地壳运动的监测带来了革命性的变化，利用ＧＰＳ等空间大地观测技术研究地壳运动，探索地球动力学现象在全世界得到迅猛发展。迄今为止，利用此技术，一些学者和科学家初步确定了板块、亚板块和板块内块体的划分，并同地质与地球物理方法得到的结果进行了比较。同时有些学者正着力于利用ＧＰＳ连续观测系统成功捕获强地震前地壳形变异常信息的研究。
１．３中国地壳运动观测网络简介
论文的所有计算与分析都是以中国地壳运动观测网络的观测数据和部分计算结果为基础进行的。因此先对其予以简要介绍。
中国地壳运动观测网络（以下篱称网络）是由中国地震局提出立项，并负责牵头，会同总参测绘局、中国科学院和国家测绘局共同承担的“九五”期间国家重大科学工程之一。网络是以监测地壳运动、服务地震预测预报为主要目标，同时兼顾大地测量和国防建设需要，以ＧＰＳ技术为主，辅之已有的甚长基线射电干涉测量（ＶＬＳＤ和人造卫星激光测距（ＳＬＲ）等空间技术，结合精密重力和精密水准测量构成的大范围、高精度、高时空分辨率的地壳运动观测网络。
ＧＰＳ网络由基准网、基本网、区域网和数据传输与分析处理系统等几部分组成。基准网由２５个连续观测的ＧＰＳ基准站组成。而实际上目前ＷＨＪＦ（武汉九峰）、ＺＨＮＺ（郑州）、ＨＲＢＮ（哈尔滨）３个ＧＰＳ观测站也为连续观测，但论文仍以２５个基准站的资料来分析，没有用到这３个连续观测站：基本网由５６个定期复测的ＧＰＳ站组成；区域网由１０００个不定期复测ＧＰＳ站组成。自网络建成运行以来，获得了１９９９年和２００１年两期区域网（包括基本网），１９９８年、２０００年和２００２年三期基本网和基准站的连续观测资料。
这一新的观测网络的建立和运作，势必在地壳运动和地震研究中将发挥重要作用，而且在众多的领域也会发挥重要作用，特别是对地球科学研究各个领域有着广泛的应用前景。论文所有计算与分析都是在上述观测资料和计算结果的基础上进行的。
１．４数据处理软件简介
在空间大地测量学中，常用的ＧＰＳ数据处理软件主要有Ｍｒｒ（美国麻省理工学院）研制的ＧＡＭｒｒ／ＧＬＯＢＫ软件、．ｒＰＬ（美国喷气推进实验所）研制的ＧＩＰＳＹ和Ｂｅｒｎｅ大学研制的ＢＥＲＮＥＳＥ软件。另外还有ＪＰＬ的ＧＰＳ后处理软件ＱＯＣＡ，该软件对处理ＧＰＳ连续观测数据非常方便。ＧＩＰＳＹ的源代码不公开，采用非差方法进行参数求解。它的结构简单，卫星、接收机钟差采用白噪声估计模型，大气延迟采用随机游走模型进行估计，电离层也通过
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双频线性组合消除，对固体潮、极潮和海潮都可以进行改正，但必须在相应的参数控制文件、模扳或命令行进行设置。此软件可以方便的进行精密单点定位，它的准备工作较少，其所需参数文件都在软件中放入了相应的目录，参数设置可通过改变模板完成。
本文中的ＧＰＳ数据计算结果是利用ＧＡＭＩＴ／ＧＬＯＢＫ软件计算得出的。该软件是源代码可公开的非商用软件包，软件首先通过ＧＡＭＩＴ进行单天解的解算，然后利用ＧＬＯＢＫ进行多天解综合、速度场求解、位置时间序列的获取和长弧定轨等。ＧＡＭＩＴ是利用双差方法进行参数求解的，避免了卫星钟差和接收机钟差的估计，求解的方式有：轨道解法（ＯＲＢＩＴ）、基线解法（ＢＡＳＥＬＩＮＥ）和轨道、站点坐标同时解算的松弛解法（ＲＥＬＡＸ）三种。有模糊度解成实数雨Ｉ模糊度尽可能解成整数的选择。大气延迟估计采用了随机游走估计方法。目前较新的版本对同体潮、极潮和海潮都给予改正，但需要在ｓｅｓｔｂｌ．表中作选择。对电离层折射影响采用了双频的线性组合进行消除。在此软件进行数据处理时，需要做一些准备工作，包括观测数据文件、导航文件、先验坐标文件、月亮历表、太阳历表、章动表、地球自转参数和极移表、有关参考椭球的参数文件、天线相位中心改正表、天线和接收机类型表、测站信息文件、坏的卫星排除文件，参数控制文件ｓｅｓｔｂｌ．、测站坐标约束文件ｓｉｔｔｂｌ．和精密星历等，当一次将这些文件都准备好后就可以进行批处理（Ｋｉｎｇｃｔａ１．，２０００）。
１．５论文的目的意义
常规大地测量学在采集数据的空间尺度、时间尺度以及精度等方面的局限性使其无法满足现今地球动力学研究的需要，难以勾画出中国大陆地壳的整体运动特征。ＧＰＳ技术由于有大空间、短时间尺度，高精度，全天候，低成本和机动性强等特点，已逐渐成为研究地壳运动的主要手段之一，为研究孕震的力源、地震活动的时空变迁规律、未来地震的强度、震区震中等一系列长、中、短期预报提供定量的数据依据，有利于提高我国的地震预报能力和水平。同时，对滑坡、岩崩、火山活动、地面下沉等地质灾害的监测和预报也有极其重要的作用。
中国大陆地处欧亚板块的东南，是亚洲东部新构造变形强烈的地区，大陆内部强震频繁，遭受到的地震灾害在世界上也最为严重。众所周知，地震的孕育和发生的过程是地内物质运动以及外部环境包括天体和地壳运动等多种因素综合作用引起地应力在某些地区长期积累、集中、加强，最终导致地壳破裂活动的应变能量释放的过程。中国大陆地壳运动的研究对这一区域的地震预测预报有着重要的意义。在地震孕育和发生过程中随着应力的积累、集中、加强，地壳也发生变化和运动。地壳运动的定量监测也就成为地震预测和预报的重要手段和依据。以ＧＰＳ为主的中国地壳运动观测网络能提供中国大陆主要块体运动的高精度、人范围的实时数据及地壳运动图像，所以利用地壳形变资料研究地震的孕育过程及其规律，进而进行地震预报一直是一个颇受重视的研究方向。昆仑山口西８．１级大地震为用ＧＰＳ资料来分析地壳形变与强地震的关系带来一个很好的震例。
论文正是本着上述的目的而进行探索的。从对观测数据的处理和精度分析入手，讨论数
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据处理中的问题、进行计算结果的分析。从而利用ＧＰＳ技术来获取高精度的地面点位运动信息，分析中国大陆地壳形变运动的状况和点位位移的规律，并且将所获得的地壳运动信息进行一定的分析处理来探索其与强地震孕育、发震的关系。
１．６内容和线索
论文首先介绍了ＧＰＳ技术和定位原理，即ＧＰＳ系统的构成；导航定位的坐标和时间系统，尤其着重介绍了坐标框架；介绍了应用ＧＰＳ观测数据资料研究地壳运动和形变的一些必备知识，以及ＧＰＳ技术的定位原理和误差的来源等。
做科学研究，首先就要有很好的数据资料来源，利用ＧＰＳ观测手段来研究地壳运动无疑对观测数据的处理和精度分析是基础工作之一。因为地壳运动的研究对ＧＰＳ数据处理结果的精度要求是很高的，因此本研究将从ＧＰＳ数据资料的处理和精度分析入手，探讨处理软件中各个参数和不同解决方案对其处理结果的影响，分析主要误差的来源，并且探讨合适的解决方法，从而获得可靠的高精度计算结果。同时在满足精度要求的基础上，也应该兼顾计算的时间效率。以上所述内容在论文中主要是通过对ＯＰＳ卫星进行网络的独立定轨计算与精度分析来体现的。此项工作是本论文的一个重点部分。
在获得全球框架下高精度的可靠计算结果后，分析选取合适的位移参考基准来获取一定时间尺度下的中国大陆地壳运动变化特征；并用获取的多年来地壳运动变化和每个ＧＰＳ连续观测站的位移时间序列来分析这些变化与强地震发生的危险性间的关系。本文的另一个重点部分就是在一个大的中国大陆地壳运动变化的背景下，分析连续观测基准站的点位位移时间序列，讨论点位变化与强地震的关系。并且用小波变换来探索时间序列在一定的位移运动速率下的局部变化特征。
论文始终贯穿着ＧＰＳ数据资料的处理，探讨ＧＰＳ卫星轨道的确定，以及由ＧＰＳ观测手段获得地壳运动信息的特征，分析其异常变化与强地震孕育发生的关系。
第二章ＧＰＳ定位原理
２．１ＧＰＳ系统的构成
ＧＰＳ系统包括三大部分：空间部分．ＧＰＳ卫星星座；地面控制部分．地面监控系统：用户设备部分．ＧＰＳ信号接收机。
（１）空间星座部分。自１９７８年２月２２日，第一颗ＧＰＳ试验卫星（ＢＬＯＣＫ－Ｉ中的ＰＲＮ４）发射成功以来，又随后顺利发射了ＢＬＯＣＫ．Ⅱ、ＩＩＡ、ｆＩＲ工作卫星。现在已经构成由２４颗工作卫星和３颗在轨备用卫星组成ＧＰＳ卫星星座，记作（２４＋３）ＧＰＳ星座（见图２．Ｉ，目前实际可观测到２９颗ＧＰＳ卫星）。２４颗卫星均匀分布在６个轨道平面内，轨道平面相对赤道平面的倾角为５５。，各个轨道平面之间的交角为６０。，即轨道的舟交点赤经各相差６０。。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差９０。，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前３０。。
（ａ）从纬度３５。观看（ｂ）从纬度９０。观看
图２．１ＧＰＳ卫星轨道．地球和轨道面星比例（Ｒｏｔｈａｅｈｅｒ，１９９６）卫星轨道平均高度为２０２００ｋｍ，卫星运行周期为１１小时５８分。每颗卫星每天约有５个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而不同，可为乱１１颗。在两万公里高空的ＧＰＳ卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为１２恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前４分钟见到同一颗ＧＰＳ卫星。位于地平线以上的卫星数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到４颗，最多可见到１１颗。在用ＧＰＳ信号导航定位时，为了计算观测站的三维坐标，消除接收机钟差，必须同时观测至少４颗ＧＰＳ卫星，称为定位星座。这４颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有～定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标的时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的卫星定位。
（２）地面监控系统。对于导航定位来说，卫星轨道的空间位置是动态已知的。卫星的位置是依据卫星播发的星历（描述卫星运动及其轨道的参数）算得的。每颗ＧＰＳ卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统的另一重要作用是保持每颗卫星处于同一时间标准（ＧＰＳ）时间系统。这就需要地面站监测每颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。ＧＰＳ工作卫星的地面监控系统由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站构成。
（３）ＧＰＳ接收机。ＧＰＳ接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的ＧＰＳ信号进行变换、放大和处理，以便测量出ＧＰＳ信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出ＧＰＳ卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间。目前ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。
接收机硬件和机内软件以及ＧＰＳ数据的后处理软件，构成完整的ＧＰＳ用户设备。ＧＰＳ接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在观测站上，接收单元置于观测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。
２．２坐标系统和时间系统
坐标系统与时间系统是描述卫星运动，处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。在ＧＰＳ定位中，通常采用两类坐标系统，即协议天球坐标系和协议地球坐标系。前者与地球自转无关，用来描述卫星的运行位置和状态。后者是与地球相固联的坐标系统，用来表达地面观测站的位置和处理ＧＰＳ观测数据。
在全球定位系统中，卫星被视为位置已知的高空观测目标。所以，为了确定用户接收机的位置，ＧＰＳ卫星的瞬时位置，通常也应化算到统一的地球坐标系统。ＧＰＳ测量采用的是ＷＧＳ－８４、ＩＴＲＦ（国际地球参考框架）坐标系统及１ＴＲＦ的ＩＧＳ实现（即仅用ＩＧＳ跟踪站的ＧＰＳ数据确定的参考框架）。
ＷＧＳ一８４大地坐标系的几何定义是：原点位于地球质心，ｚ轴指向ＢＩＨ１９８４．０定义的协议地球极（ＣＴＰ）方向，ｘ轴指向ＢＩＨ１９８４．０的零子午面和ＣＴＰ赤道交点，Ｙ轴与Ｚ、Ｘ轴构成右手坐标系。ＷＧＳ一８４坐标系框架点的地面点位精度早先为ｍ级，目前为１０ｃｍ量级。它可以满足ＧＰＳ系统运行、管理及一般定位应用的要求，ＧＰＳ卫星发布的广播星历就是以ＷＧＳ?８４为坐标系的。然而，对于监测地壳运动和形变等地球动力学研究的高精度测量要求，ＷＧＳ一８４坐标系是无法满足的，因此出现了ＩＴＲＦ地固地心坐标系统。
ｒｒＲＦ坐标框架是国际地球自转服务ＩＥＲＳ的地面参考框架，它是由空间大地测量观测站的坐标和运动速度来定义的，它为高精度的ＧＰＳ定位测量提供了较好的参考系，框架点
中国地震局分析预报中心硕士论文第二章ＧＰＳ定位原理
地心坐标精度达到ｌ～２ｃｍ，近年来已被广泛应用于地球动力学研究。由于地壳运动，ＩＴＲＦ这种高精度的坐标框架也是变化的。因此先后采用了１ＴＲＦ９１、ＩＴＲ．Ｆ９２、ＩＴＲＦ９３、ＩＴＲＦ９４、ＩＴＲＦ９６、ＩＴＲＦ９７、ＩＴＲＦ２０００等精密的ＩＴＲＦ坐标系统。
自２０００年６月４日开始ＩＧＳ精密星历采用ＩＧＳ９７坐标框架，ＩＧＳ称之为ＩＴＲＦ９７坐标框架的ＩＧＳ实现。自２００１年１２月２日开始ＩＧＳ精密星历采用ＩＧＳ００坐标框架，ＩＧＳ００是ＩＴＲＦ２０００的ＩＧＳ实现。建立ＩＧＳ００框架所选取的ＧＰＳ观测站，也由ＩＧＳ９７框架的５１个增加到５４个。在ＧＰＳ数据计算时，应使用与所用坐标框架一致的ＧＰＳ精密星历，所得的ＧＰＳ站坐标计算结果其框架与星历的框架是一致的。经比较，采用自ＩＴＲＦ９７以来不同框架计算结果的精度是很接近的。
时间系统是精确描述天体和人造卫星运行位置，及其相互关系的重要基准，因而也是人们利用卫星进行定位的重要基准。在ＧＰＳ定位中，具有重要意义的时间系统主要有三种，即恒星时、力学时和原子时。为了满足精密导航和测量的需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，该系统可简写为ＧＰＳＴ，由ＧＰＳ主控站的原子钟控制。ＧＰＳ时属于原子时系统，它的秒长与原子时相同，但与原子时有不同的原点。该系统采用了ＧＰＳ星期数，从１９８０年１月６日０时开始计算。
目前民用的时间系统为世界协调时（ＵＴＣ），它采用了原子时的时间单位，但又在一定范围内顾及地球自转对日长的影响。为了描述卫星运动，应采用惯性时空系统，必须精确考虑日长变化，即采用精确的世界时（ｔｉＴ）。其中ＵＴＯ是直接观测恒星得到的，ｕＴｌ为ＵＴ０作极移改正得到的，ＵＴ２则是对ｕＴｌ作了地球自转率季节性改变得到的。
２．３ＧＰＳ定位原理
２．３．１ＧＰＳ定位的基本观测量
ＧＰＳ定位的基本观测量有：码相位伪距观测僮、载波相位观测值和积分多普勒观测值。下面简要介绍一下前两种观测值。
①码相位伪距观测值。码相位伪距观测量是ＧＰＳ接收机通过测量卫星发射信号与接收机接收到此信号之间的时间差△ｆ，来求得卫星接收机间的距离Ｐ：
ｐ＝Ａｔ?ｃ（２．１）其中：ｃ为光速。
由于卫星钟的误差、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟等，实际测出的距离ｐ与卫星到接收机真实距离斤有误差，因此，一般称Ｐ为伪距。
②载波相位观测值
在码相关型接收机中，当ＧＰＳ接收机锁定卫星载波相位时，就可以得从卫星传到接收机经过延时的载波信号。如果将载波信号与接收机内产生的基准信号比相就可得到载波相位观测值?若接收机内震荡器频率初相位与卫星发射载波初相位完全相同，卫星在ｔｏ时刻发射信号，经过△ｆ后于ｔｉ时刻的相位为∥ｍＪ，接收机基准信号在ｈ时刻相位为巾ｊ（“），则
中国地震局分析预报中心硕士论文第二章ＧＰＳ定位原理
有：
∥＝≯ｆｏｆ）一≯’“）（２．２）通过鉴相器，卫星到接收机之间的相位差可分为Ⅳ０个整周相位和不到一个整周相位之和，即：
≯ｊ＝≯。０ｉ）一≯７０ｆ）＝Ｎｏ?２ｚ＋△≯（ｏ）（２．３）卫星到接收机距离为：
Ｐ＝Ａ∥＝ｚ【Ⅳｏ?２１ｒ＋△≯（ｆｆ）】（２．４）其中：＾为波长。
由于载波频率高、波长短，因此，载波相位测量精度高。但利用载波相位观测值进行定位，要解决好整周模糊度的解算。鉴相器只能测出不足一个整周的相位值，Ⅳ０测不出来。因此，载波相位测量中出现了一个未知的整周数Ⅳ口。称整周模糊度，％需要通过其它途径求定。另外，在接收机跟踪ＧＰＳ卫星进行观测的过程中，常常由于多种原因，如接收机天线被阻挡、外界噪声信号的干扰等，使得计数器无法连续计数，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确了，这种现象称为周跳。周跳的出现和处理是载波相位测量中的一个重要问题。
２．３．２ＧＰＳ定位的基本原理
ＧＰＳ卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。由于ＧＰＳ接收机钟差的存在，要求用户ＧＰＳ接收机在莱一时刻同时接收至少四颗卫星的信号，测出测站点（接收机天线中心）到至少四颗ＧＰＳ卫星的距离并计算出该时刻ＧＰＳ卫星的空间坐标，据此利用距离交会法求出测点的位置。这就是ＧＰＳ定位的基本原理。依据以上原理，主要的定位方法有伪距法定位，载波相位测量定位以及差分ＧＰＳ定位。伪距测量有精码和粗码两种观测方式；载波相位测量有Ｌｌ和Ｌ２两种载波。观测精度分别为２．０ｒａｍ和２．５ｍｍ。载波相位观测确定伪距的精度远高于伪距法码相位观测的精度，因此，在地壳运动监测中普遍采用载波相位观测。
ａ，伪距单点定位
由卫星发射的测距码到观测站的传播时间（时间延迟）乘以光速得出的距离，习惯上简称为伪距。建立伪距观测值方程，必须顾及卫星钟差，接收机钟差以及大气层折射延迟等。为了表达方便，本节所有公式中均以ｋ表示测站号，Ｊ表示卫星编号，ｉ表示观测历元编号。伪距观测值Ｐ倍，Ｊ，ｆｊ可表示为：
Ｐ’Ｏ，Ｊ，ｆ）＝ＰＯ，Ｊ，ｆ）＋ｃ?５ｔＩ—ｃ?矗ｊ＋印柏ｉ，（七，Ｊ）＋印‰忙，Ｊ）（２．５）其中：５ｔｚｋ接收机钟差，ｄ‘为卫星钟差，ｄｐ‘Ⅻ阢ＪＪ表示对流层折射影响，它包括干分量和湿分量两部分，６Ｐ‘ｉｏ。僵，Ｊｊ表示电离层折射影响，ｐ倍，Ｊ，ｆｊ为正确的卫星至测站距离，其计算公式为：
中罄地震髑分辑预报中心硕士论文第二章ＧＰＳ定位原理
尸＠，，，ｆ）＝√（ｘ，一ｘＩ）２＋（ｙ，一ｙＩ）２＋（ｚ』一ｚＩ）２（２．６）叠崖的嫩标∞，ｙ，，ｚｊ）是己知的。顾及式（２．６），在式（２．５）中只寄４个束知数：观测站３个嫩标来雯挺数ｆ致，ｙｋ，矗），另一个未知数是接收规锋差鲫≮。因此在同～观测历元，只需同时观测４颗卫星，即可获得４个观测方程式，求解出这４个未知数。若观测的卫星数多余４个，女§存在多余观涮，鼗辩矮将式（２．５）线镌纯，褥按最，ｊ、二乘法进行平差计冀。
ｂ．载波相位测量
瞬间载波相位差指的悬，在某～指定历元由接收机产生的参数载波信号的相位与此时接接｝｜５［到瓣卫星载波僖号静籀位之麓。载浚裰谴差静鬟测方稷为：
烈颤五母＝氏《岛）一办‰）＋舌尹；（‘）一，，彭ｉ＋，．【ｌ一÷彰瓴）】．毋；（２．７）
＋，?Ａｆ二《女，奠＋，?矗ｆ基转，秀＋Ｉ联女，Ｊ，ｏ）
其中：妒｛岛土妒，（ｔｏＪ是分别雀接收帆钟及卫星钟所定义的时间尺度中所度量的蜘始历冗相位值；，是载波频率；ｐ‘“ｊ、ｐ气嘶Ｊ分别寝示卫地距、卫地距变率：６，＾、５，『分鞠隽接收橇锋差鞍显星锋差；Ｎ强，，，秽表示初始掰元翡整捌特定馕；ｆ?压ｒ‘Ⅻ障，疗为对流层折射改正项；ｆ?／ｘｒ‘ｈ传，∥为电离屡折射改正项。
载波相位溯量，由任一观测站ｋ在任一观测历元ｉ对饺～卫黧，均可由接收机取褥观测袋《≈，，，０，鼓（２。７）为箕数学横型。式子的蠢端包捂大量寒鲡数，另势，在乎差过程中引入过多的参数往往会降低解的精度和可靠度。通常避过对载波相位测量值进行线性组合（及簸分），便可获得高精度的ＧＰＳ相对定位结果。
２．３．３ＧＰＳ相对定位
ＧＰＳ测鬃是在多种误差潦静俸霜影噙下避行豹，嚣慕髓距静态缝对定位静精度必能这到米级，显然不能满足精密工程测量以及地球幼力学研究的要求。测量中的一魑系统误差可通过一魑改正模型赢接修难，也可引入相应的附加参数在平差中一并求解，但过多的附加参数会影跨定篷解熬霹靠性，嚣显，有些谖差缀难用数学摸熬来模拟。其实。一静楚擎骞效豹消除或减弱系统误麓影响的方法是将相位差观测值缀合成装值，由于一拨误差对相关的观测值影响相同或相近，利用这种相关性，可大大地减弱相位麓观测值中的有关误差的影响。
在骥鉴测她悫运动和彤交失嚣熬匏ＧＰＳ鼹测列数据处理瓣，主要袋用静态辐对定位方法。相对定位方法，又称差分ＧＰＳ定位，是用两台ＧＰＳ接收机，分别发置在基线的两端，弗同步麓溺榴阊的ＧＰＳ卫麓，戬确定蒸线端点在协议地球嫩标系申的福对位鼙或萋线向量。ＧＰＳ相对定位，按照基本观测量线牲缎会形式的不弼，存单差、双差鞠三差三种。
假定安置在基线两端点的接收机噩（产１，２），对ＧＰ８卫星一和，，于历冗ｔ，和ｔ２进行了同步观测，测可褥以下独立的载波相位蕊测鬃：妒ｆ（＾＞、西（ｆ２）、妒≠（ｆ１）、妒ｆ（ｆ２）、妒券ｆ１）、
妒！（ｆ２）、妒｛（“）、ｐ！（ｆ２）。上述三种差分定义为：
①单差（Ｓｉｎｇｌｅ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ），为不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之差，其表达形式为
△妒７０）＝叫Ｏ）一妒ｆ（ｆ）（２．８）在单差中消除了卫星钟差的影响；同时可以明显减弱轨道误差、大气折射误差等系统误差的影响，尤其当基线较短时，效果更明显。
②双差（Ｄｏｕｂｌｅ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ），为不同站，同步观测同一组卫星，所得单差之差。可表示为下式
Ｖ△妒‘（ｆ）＝△妒‘（ｆ）一△伊’（ｆ）＝【妒：（ｆ）一伊÷（ｆ）一妒；（ｆ）＋９ｆ（ｆ）】（２．９）利用双差能进～步消除接收机钟差的影响。
③三差（ＴｒｉｐｅＩ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ），即于不同历元，同步观测同一组卫星，所得观测量的双差之差。其表达式为
田Ａ矿（‘）－ＶＡｑ，ｋ（ｔ２’ｊＶ卸。（‘：）。瞄１２）一９㈣。（２．１０）
一耐（ｆ２）＋伊ｆ（ｆ２）卜［妒：（ｆ１）一妒÷（＾）一妒！（ｔ１）＋妒／（ｆ１）】三差进一步消除了初始相位模糊度。
从零差相位观测值到三差观测值，数据一步比一步平滑，可组成的观测方程一步比一步减少，实际采用的数据也一步比一步有损。目前在实际定位的计算中，很多软件都采用双差。
２．４ＧＰＳ定位的误差来源
ＧＰＳ定位是通过地面接收设备接收卫星传送的信息来确定地面点的三维坐标。定位结果的误差主要来源于ＧＰＳ卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在高精度的ＧＰＳ测量中，还应注意到地球潮汐、负荷潮及相对论效应的影响。在研究误差对ＧＰＳ测量的影响时，往往将误差化算为卫星至观测站的距离，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差。下面对影响观测量的主要三类误差来源作简单介绍。
（１、与卫星有关的误差
①卫星钟差。是ＧＰＳ卫星上的原子钟与理想的ＧＰＳ日寸之间存在的偏差或漂移。一般通过钟差模型改正后，各卫星间的同步差，可保持在２０ｎｓ以内，由此引起的等效距离偏差将不会超过６ｍ。卫星钟差或改正后的残差，在相对定位中，可通过观测量求差（或差分）的方法消除。
②卫星轨道偏差。卫星在运行中受到多种摄动力的作用，其运行轨道非常复杂，使得确定精确的ＧＰＳ卫星实时位置难度很大。卫星轨道误差是当前利用ＧＰＳ定位的重要误差来源之一。处理卫星轨道误差的方法主要有轨道改进法和距离较近点同步观测值求差方法。
但）卫星信号的传播误差
①电离层折射的影响。是ＧＰＳ卫星信号通过电离层时受到介质弥散特性的影响，使信号的传播路径发生变化，而产生的对定位精度的影响。电离层对信号传播路径影响的大小，主要取决于电子总量和信号的频率。对于ＧＰＳ卫星信号，在夜间当卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响将小于５ｍ：而在日间正午前后，当卫星接近地平线时，其影响可能大于１５０ｍ。通常采取三种措施来减弱电离层折射的影响；（ａ）采用双频观测；（ｂ）利用电离层模型加以修正；（ｃ）对距离较近的点可以利用同步观钡９值求差的方法。
②对流层折射的影响。它对观测值的影响可分为干分量与湿分量两部分，干分量主要与大气的温度和压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高度有关。对对流层折射影响的处理方法主要有：（ａ）采用对流层模型加以改正：（ｂ）引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据处理中一并求解；（ｃ）对距离较近的点可以利用观测量求差方法。
③多路径效应影响。接收机天线除直接接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号叠加，将会引起测量参考点（相位中心）位置的变化，从而使观测值产生误差。减弱其影响的措施主要有：（ａ）安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面；Ｃｏ）选择造型适宜且屏蔽良好的天线；（ｃ）适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响；（ｄ）改善ＧＰＳ接收机的电路设计。
（３）与接收设备有关的误差
①观测误差。它属于偶然误差，适当增加观测量，认真仔细地做好天线的置平、对中和高的量取，都将减弱观测误差。②接收机的钟差。可以采用高精度的外接频标（时间标准）以提高接收机时间标准的精度。在相对定位中，可以利用观测值求差的方法有效地减弱接收机钟差影响。③载波相位观测的整周模糊度。在解算时一般都要增加未知数。④天线的相位中心位置偏差。一般通过在计算中做改正来削弱其影响。
２．５地壳运动数据处理与分析
２．３．１ＧＰＳ相位数据处理中的问题
ＧＰＳ定位利用ＧＰＳ卫星播发的电磁波，测得其载波相位观测值，求得地面点的精密坐标，由此获得地壳运动信息。从卫星到观测站接收机的载波相位观测值可化为卫星到接收机的距离，由此距离可建立ＧＰＳ数据处理最基本的观测方程，其中包含多种信息，如观测站坐标、接收机与卫星钟差、卫星轨道参数、地球空闻定向参数、介质延迟参数等等。由于ＧＰＳ相位观测数据量大、观测方程多、参数多、不少参数变化复杂，计算需经过多次迭代，数据处理过程较为复杂。为求得精密的计算结果，ＧＰＳ相位观测数据处理需解决如下一些问题（顾国华等，２００１）：
①对ＧＰＳ原始相位观测数据做预处理，进行平滑滤波检验，剔除粗差观测值，消除周跳，尽可能求解初始相位的模糊整周数，由此把卫星到接收机的相位观测值化为相当精确的距离观测值：
②对相位观测值做平差计算，减小、消除或改正一些变化量，如消除接收机与卫星钟差，消除电离层延迟的影响，估计对流层延迟，做固体潮理论位移改正、极潮位移改正，还可做海洋负荷位移改正等；
③为提高计算精度，还可以采用精密星历或进一步改进已知的ＧＰＳ卫星轨道，采用ｒｒＲＦ精密起算点坐标，采用ＩＧＳ全球ＧＰＳ观测站数据同时做处理，采用适当的约束条件等。２．３．２地壳运动信息的获取
通过对原始的ＧＰＳ相位观测值处理，获取各时段各同步测区中所有参数及其协方差矩阵或法方程。将所有同步测区所有时段的处理结果作为准观测值，通过综合后处理最终获取地壳运动的基本信息，既观测点的坐标、位移或位移速率等。在用ＧＡＭＩＴ／ＧＬＯＢＫ软件处理时，可通过如下步骤来计算：
①首先获得测站坐标和卫星轨道的单日松弛解。当同步观测的测站数较多时，可以进行分区处理；
②将所获得的每天一个或多个单日松弛解和ＳＯＰＡＣ计算产出的全球ＩＧＳ跟踪站的单日松弛解合并，得到一个包含所有ＧＰＳ测站的单日松弛解．这个单日解给出了测站坐标、极移和卫星轨道参数的松弛解和方差．协方差矩阵。也可计算得到测站间的基线向量；
③综合所有的单日松弛解估算测站位置和速度，获得一定坐标参考框架下的整体运动。然后可以把整体运动转换为所需要的自己选定基准下的相对运动。
在ＧＰＳ数据处理结果中，地面点坐标的无基准解最适宜于地壳运动分析。同常规地面观测网中的自由网解一样，无基准解的基本特点在于它所确定的观测点的几何形状，基本上只取决观测数据的质量和数量，而与地面框架点的已知坐标及其精度无关，因而能最精确地确定观测点所构成的几何形状及其变形。但这种三维无基准解的空闯坐标系有可能是不定的，相应的椭球体空间定向与在地球内部的定位也就可能不定。
２．３．３相似变换方法
相似变换方法在ＧＰＳ数据的处理中有着广泛的应用。ＧＰＳ数据处理中涉及到不同的参考框架，在不同的参考框架之间的相似变换是经常遇到的。应用不同参考框架的坐标或位移（速率）研究地壳运动时，首先要把他们归化到同一个参考框架中。相似变换的原理如下：设有两个三维空间直角坐标系Ａ、Ｂ，同一点在该两点坐标系中的坐标为（ｘ．、Ｙ＾、ＺＡ）和（Ｘ。、Ｙ。、Ｚａ），他们之间有如下关系：
ｘＢ＝（１＋Ｋ）Ｒ（。ｚ）Ｒ（。Ｙ）Ｒ（８ｘ）Ｘ＾＋ＡＸ（２．１１）其中：ｘ＾＝（ｘ＾、Ｙ＾、ｚ＾）７，ｘ萨（ｘＢ、ＹＢ、ＺＢ）１，ＡＸ＝（／ｘＸ、Ａｙ、ＡＺ）７，
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Ｒ（｛ｚ）＝ｌ—ｓｉｎｆｚＣＯＳ；ｚ０ｌ（２．１２）
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中国地震局分析预报中心硕士论文第二章ＧＰＳ定位原理
（２．１３）
（２．１４）
［Ｘ乏ＢＪ＝１１］＋足Ｊ｜ｌＪ－善！量Ｉ葶］?巨］＋［翻ｃｚ．柳２．６本章小结
本章介绍了ＧＰＳ定位的基本常识和利用观测资料研究地壳运动和形变的一些必备知识。首先简要介绍了ＯＰＳ系统的构成、ＧＰＳ导航定位中常用的坐标和时间系统；然后介绍了ＧＰＳ技术的基本定位原理和误差的来源；最后分析讨论了数据处理中所需要解决的问题，并且简单介绍了从ＧＰＳ观测资料获取地壳运动信息的计算过程。通过这些介绍来对ＧＰＳ技术用于监测地壳运动和形变等地球动力学的研究奠定初步基础。
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