详情
国家重大科技基础设施项目——“中国大陆构造环境监测网络”建设成果展示
2012-06-21
国家重大科技基础设施“中国大陆构造环境监测网络”简称陆态网络，以全球卫星导航定位系统（GNSS）为主，辅以甚长基线干涉测量（VLBI）、人卫激光测距（SLR）和干涉合成孔径雷达（InSAR）等空间技术，结合精密重力和精密水准观测技术，对地球岩石圈、水圈和大气圈变化进行实时监测的国家地球科学综合观测网络。陆态网络是在“九五”国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”的基础上，建设的全国统一、高时空分辨率的地壳构造运动监测网络，实现了对我国一、二级构造块体及主要块体边界活动断裂带、主要地震重点危险区的动态监测，获取中国大陆地壳运动细部特征，主要服务于地震预测和科学研究，兼顾大地测量和气象预报等综合应用。
2006年国家批准陆态网络立项建设，工程总投资5.24亿元人民币。国家地震、测绘、气象和教育等有关部门和研究机构联合攻关，历时4年，顺利完成项目建设任务，各项指数指标均达到或优于设计指标。陆态网络产出的观测数据和观测成果，已广泛应用于科学研究和国民经济建设相关领域，取得了初步的科学效益、工程效益和应用效益。
一、GNSS观测
陆态网络以高约束强度将中国地区的GNSS观测数据纳入全球参考框架，获得高精度的三维坐标。通过连续观测和定期加密重复观测，即可获得中国地区三维坐标随时间的变化序列，用于高精度地壳运动监测。
1．工程效益
（1） 260个GNSS连续观测基准站组成了覆盖中国大陆及周边地区的基准网，产出30s、1s和50Hz采样率的观测数据，水平观测精度
（2） 2000个GNSS非连续观测区域站组成了覆盖中国大陆地区的区域网，产出30s的观测数据，水平观测精度
（3） 8套可移动GNSS基准站组成流动GNSS观测网络，产出30s、1s和50Hz的观测数据，现场获取，为应急现场观测提供保障。
（4）实现了多种卫星系统接收和兼容技术。项目观测系统除接收美国GPS系统卫星信号，同时可兼容俄罗斯GLONASS系统和欧洲GALILEO系统的卫星信号，并为中国北斗卫星（COMPASS）定位系统预留观测通道。在260个连续观测基准站配备三要素气象仪，其中25个核心基准站配置原子频标（铷原子钟或氢原子钟），并预留中国北斗卫星定位系统观测墩。提高了GNSS观测系统的观测能力和时间精度，具备了多星系统组合定位的能力，提高了观测数据精度。
（5）数据汇集、处理、产出、服务能力明显增强。国家数据中心具有数据汇集、数据监控、数据管理、数据处理、数据共享服务与信息发布的能力。实现了观测数据的实时汇集、处理，与共享子系统之间实现数据交换，实现数据共享，与IGS接轨产出GNSS数据与数据处理产品。研发了具有自主知识产权的数据处理软件包，改变了我国GNSS数据处理领域依靠国外技术的状况。
GNSS观测体系的数据产品包括：GNSS基准站点位运动时间序列、中国地壳运动位移速度图、中国地壳运动水平运动速度场图、中国地壳运动垂直运动速度场图、全国应变场变化图、GNSS卫星快速星历和精密星历、大气可降水量分布变化图、电离层电子密度变化图。
2．科学效益
截至2011年底，利用陆态网络GNSS观测资料或观测设施公开发表的论文已达160余篇（其中SCI/EI/ISTP检索79篇）。内容涵盖了地震孕震机理和中长期预测、地震动态形变过程监测、地壳运动和地球动力学研究、大地测量基准体系、近地空间大气圈动态变化监测和电离层空间天气监测与研究。
（1）地震孕震机理和中长期预测
陆态网络产出的高时空分辨率的地壳运动图，特别是其动态演化可以用来监测与地震发生过程相关的断层带形变时空演化全过程，如慢地震事件、断层带内脆性–韧性转换带上的瞬态滑移，为研究孕震力源，地震活动的时空迁移规律，未来地震可能发生的地点和强度等一系列地震中、短期预测预报的科学问题提供定量的依据。
（2）地震动态形变过程监测
利用GNSS观测资料获取地表形变资料，揭示大范围、远场的同震位移，为认识大地震发生机理提供直接的数据支持。在全国范围内分布的260个陆态网络GNSS连续观测基准站和2000个定期进行坐标联测的区域站可以提供大范围地壳运动的高精度定量观测结果，推动中国大陆构造的现今运动与变形研究进入了一个全新阶段。
（3）地壳运动和地球动力学研究
监测地壳变形是地震预报、维护国家相关基准框架体系及其相关地球科学研究的重要条件。而以往的研究往往受到站点密度低，缺少连续观测台网等条件的限制，诸多地学问题难以深入。陆态网络基准网的连续观测数据和2000个区域网的坐标联测数据，为相关科学研究提供了第一手的观测资料。
（4）大地测量基准建立与维护
陆态网络GNSS观测网络作为目前国内覆盖范围最广、观测手段最全、数据处理能力最强的国家地球物理综合观测平台，能够提供中国大陆及其周边地区内基准站点四维坐标、精密卫星轨道及大气参数，可服务于国家基础测绘、卫星定位与导航产业的需求。同时，为研究高精度、高分辩率的地球形状及其变化，实现空间参考系的统一提供重要依据。有力地配合国家测绘主管部门建立和维持我国的四维大地测量基准体系，形成连续运行的高精度的动态坐标参考框架，为实现我国大地测量基准的现代化，发展我国的自主卫星定位系统打下坚实的基础。
（5）近地空间大气圈动态监测
陆态网络GNSS连续观测数据提供的高时空分辨率、准实时和连续的大气可降水量分布及其变化图像，为天气分析预报、数值天气预报、人工影响天气等领域提供基础信息，从而提高了灾害性天气预报的时效和预报精度。
（6）电离层空间天气监测与研究
陆态网络的GNSS观测资料经处理后，可提供我国上空高分辨率的电离层浓度的时空演变图像。通过一段时期的资料积累和分析研究，可建立我国上空电离层变化物理模型，促进空间物理学研究的发展。
3．应用效益
（1）玉树地震应急工作和科学考察
（2）北斗第二代卫星导航系统电离层时延修正
中国科学院武汉测量与地球物理研究所承担了北斗第二代卫星导航系统电离层时延修正任务，利用我国大陆地区近一个太阳活动周期的实测GNSS数据（含陆态网络200余个基准网1年的连续观测数据），测试验证了我国第二代卫星导航系统全球广播电离层时延修正模型（IGGSH）在中国区域应用性能，成功地证明了我国第二代北斗卫星导航系统区域电离层时延差分修正技术在中国区域的优良性能，在我国北斗第二代卫星导航系统研制与测试中发挥了重要作用。
（3）自然灾害综合防治
目前，陆态网络基准站和区域站观测的数据已经服务于地震中长期监测预报，在中国地震局2012年度地震趋势分析研究中初步发挥作用。截止2011年12月，通过对基准站数据和区域站2009年和2011年2次坐标联测数据进行处理，分析了2011年日本宫城9.0级地震对我国东北及华北地区地震形势的影响。
此外，随着全球气候持续变暖，各类极端天气将不断增多，重大气象灾害频繁发生，气象灾害已成为制约经济社会发展的重要因素。近年来飞速发展的地基GNSS水汽监测技术系统已日渐成熟，由实验性发展为实用性业务系统。目前，京津冀地区、西南地区、珠三角地区和长三角地区都已经建设了地基GNSS大气水汽观测网，并产出GPS大气降水量分布图。上述水汽观测网络不仅部分选用了陆态网络GNSS连续观测基准站，而且其布网设计、布设密度、建设质量和技术标准均借鉴了陆态网络的技术规程和建设经验，取得了较好的建设效果。
（4）空间天气环境探测
利用陆态网络的基准网和IGS全球观测站的GNSS观测资料，采用GNSS双频信标的测量可获得电离层TEC参量，实现大范围电离层TEC的现报和预报。中国科学院地质与地球物理研究所（IGGCAS）空间环境综合观测台链利用陆态网络GNSS观测数据，结合IGGCAS模型获取的电离层磁暴时中国上空电离层TEC二维图像，得到我国电离层暴的时空演变特性，特别是磁暴期间我国电离层低纬电子浓度梯度变化的情况，其精度远高于目前全球电离层TEC模型给出的结果，在我国的空间天气探测方面具有广阔应用前景。
（5）震后区域测绘基准重建
2008年汶川8.0级地震发生后，国家基础地理信息中心、陕西测绘局、四川测绘局和重庆测绘院在汶川地震重点受灾区域布设大地控制点监测网，将震前与震后的形变监测成果归算至ITRF2005参考框架和2008.363历元。2010年玉树7.1级地震发生后，国家基础地理信息中心、青海省测绘局和陕西测绘局在玉树地震重点受灾区域建设10个应急基准站、5个应急流动站和1个应急数据中心，为灾区救援和重建时期的应急测图等提供快速高精度定位服务。这两次震后区域测绘基准重建都使用了陆态网络位于震区的GNSS基准站和区域站，节约了震后区域测绘基准重建的时间。
（6）863项目及其他国家重点科研项目支撑
中国科学院武汉测量与地球物理研究所承担的国家863项目“多尺度GNSS无缝导航定位电离层延迟精确改正技术研究”和2009年国家杰出青年基金“GPS/GNSS电离层监测理论及延迟改正方法的拓展与应用研究”，基于陆态网络提供的全国范围内的GNSS基准站连续观测数据，研究我国上空电离层活动变化特征及对相关GNSS电离层时延修正技术，为未来高精度GNSS应用中的精细空间天气效应的精确修正奠定了基础。
武汉大学承担的“广域实时精密定位技术与示范系统”是“十一五”国家863计划地球观测与导航技术领域重点项目。该项目以广域差分和精密单点定位技术为基础，利用陆态网络覆盖全国范围的GNSS基准站实时观测数据为主要数据源，集成实时数据处理、互联网和卫星通信等技术，建成我国高精度卫星导航增强示范系统，服务于广域单频用户精密单点定位。系统实时定位精度优于
伴随着陆态网络的建设完成，参与陆态网络建设的各实施单位依托陆态网络的观测数据和观测设施，积极拓展陆态网络在各个相关行业的科研和生产应用。已开展的相关工作已获得1项国家奖项，4项省部级奖项以及4项其他各类奖项。
二、重力观测
地球重力场是基本的也是比较稳定的地球物理参数之一。观测重力场的变化可以反过来研究地壳的变形、介质密度的变化或质量的迁移，从而探讨与地震预报研究和现代地壳运动有关的地球动力学问题。重力观测网络具体包括观测体系、运行维护保障体系和设备检测标定体系。
1．工程效益
（1）建立由30个连续相对重力观测站和1个超导重力站组成的覆盖中国大陆及周边地区重力观测网。采用gphone相对重力仪，产出采样率1s、观测分辨率0.1微伽、观测精度1微伽的相对重力观测数据，采用超导重力仪，产出采样率1s、观测精度0.1至0.01微伽的观测数据，实时传输到国家数据中心，为地球科学研究、地震监测预报等提供高分辨率的重力时间变化场。
（2）建立了610个测量点组成、测线长度约
（3）建立了由100个测量点组成的中国大陆地区绝对重力测量网。采用FG5绝对重力仪，通过流动测量，现场获取观测数据，观测精度为5微伽以内，为各类相对重力测量提供了更严格的绝对重力基准。
（4）1个超导重力仪位于西藏拉萨，获取采样率为1s和10s、数据精度优于0.01×10–8 ms–2的超导重力原始观测数据。
（5）建立重力仪标定校准机制。建立了利用绝对重力测量校准超导重力仪，再利用超导重力仪校准gPhone连续重力观测仪的工作机制，保证了30个台站重力仪校准精度。
重力观测网络的数据产品包括：重力基准站重力变化时间序列、重力潮汐参数变化图、全国重力场变化速度图。
2．科学效益
在科学研究领域，截至2011年底，利用陆态网络重力观测资料或观测设施公开发表的论文已达40余篇（其中SCI/EI/ISTP检索13篇）。内容涵盖了地球几何形变和物质迁移的定量研究、地震动态形变过程监测、地壳运动和地球动力学研究、地震产生的物质迁移过程监测和震前高频重力变化的相关探索。
（1）地球几何形变和物质迁移的定量研究
陆态网络的建设实现了全国超过
（2）地震产生的物质迁移过程监测
陆态网络重力观测网络通过对基准网部分台站进行绝对重力测量、相对重力测量、定点连续重力测量，获取中国大陆统一的重力场时空变化，形成基本能够监测中国大陆重力非潮汐变化和重力潮汐变化的台网，为全国大尺度地震预报服务。
（3）震前高频重力变化探索
近期数个地震发生之前的重力观测资料表明，在重力扰动异常中极可能存在与地震相关的“第三类脉动”。陆态网络在全国范围内的30个连续观测重力站可进行连续重力观测，数据采样率为1s。陆态网络连续重力观测数据实现了对中国大陆及其周边地区重力变化的准实时监控，使得捕捉地震之前的异常信号成为可能。
3．应用效益
（1）中国地震背景场探测
中国地震背景场探测工程项目是“十一五”期间建设的国家地震安全计划中的项目之一，其中观测台网的建设任务中包括重力观测台网的建设。为了达到“背景场”工程中连续重力观测系统的各项技术指标（建设形成具有70个站观测规模的连续重力观测网，
（2）武汉引力与固体潮国家野外科学观测研究站
武汉引力与固体潮国家野外科学观测研究站，是国家“十五”重大科学工程“子午工程”的核心站之一，承担了多项国家基础研究任务。陆态网络的建设，为武汉引力与固体潮国家野外科学观测研究站的申报提供了重要的基础科研设备和基础观测环境。其中，重力与固体潮观测设备（FG5绝对重力仪、DZW型相对重力仪和PET重力仪等）均为陆态网路项目支持购置或改造，承担全国重力、倾斜、应变潮汐观测台站的技术管理、全国固体潮观测数据库和共享服务平台建设。同时，卫星激光观测作为陆态网络的基准站，参加国际地球动力学观测和研究计划。
（3）大地测量与地球动力学国家重点实验室
大地测量与地球动力学国家重点实验室拥有由武汉大地测量国家野外科学观测研究站，陆态网络林芝、湛江、万州、吉安等4个基准站以及拉萨超导重力观测站。同时，实验室通过陆态网络的建设，实现了与国家地震、测绘、地理信息、气象、教育等有关部门的资料、数据共享，为实验室科研提供了大地测量主要的观测手段和观测资料保障，有力地保障了实验室科研工作的顺利开展。
伴随着陆态网络的建设完成，参与陆态网络建设的各实施单位依托陆态网络的观测数据和观测设施，积极拓展陆态网络在各个相关行业的科研和生产应用，已开展的部分工作已获得省部级奖项1项。
三、VLBI观测
VLBI观测原理是银河系外的同一天体（河外射电源）发射的无线电信号通过不同的路径到达不同的射电望远镜，将各射电望远镜接收到的信号进行相关处理，即可测量出该天体所发射的无线电信号的相关特性，进而利用射电干涉测量原理，可解算地面点之间的高精度相对位置（基线长度和方位）。VLBI是唯一能提供完整EOP（地球定向参数）系列和与ICRF（国际天球参考架）建立直接连接的空间测地技术，VLBI还是测量洲际超长基线最精确的技术。
1．工程效益
（1）形成观测体系
上海、昆明和乌鲁木齐3个甚长基线干涉（VLBI）站组成的中国大陆地区VLBI观测网，产出脉冲星或卫星到3个VLBI站的时延和时延率等，为处理获得精密站坐标、基线、坐标和基线变化、EOP、深空卫星轨道等提供观测数据。
VLBI观测网得到的数据产品为VLBI台站的位置和速度。
（2）提升观测能力
升级后的3个VLBI甚长基线干涉站性能和观测能力得到显著增强。上海佘山站和乌鲁木齐站的IVS观测天数和观测时间逐年提高。昆明站作为新参加测地VLBI观测实验的台站，利用自主观测数据对站坐标进行了数据处理。采用VTRF2008框架，站坐标归算到2011.5历元。在陆态网络工程的支持下，昆明站实现了兼容国际测地VLBI标准观测模式的技术改造。
（3）改善观测质量
陆态网络对VLBI中心的相关处理机系统进行了适应性改造，使得相关处理机可以采用不同的积分时间处理强弱不同的射电源，提高观测效率和信噪比。
（4）增强数据结算能力
研发了具有自主知识产权的VLBI数据处理软件包。软件功能包括单次解和综合解。单次解可以解算的参数为在指定的参考架下的台站坐标、射电源坐标、EOP等。综合解在定义了地球参考架的原点和指向以及射电天球参考架的赤经起点之后进行参考架解算，得到相对于定义框架下的台站坐标、速度、射电源坐标、EOP参数序列等。
2．应用效益
（1）嫦娥二号卫星轨道测控
2010年10月，在嫦娥二号卫星发射任务中，中国科学院上海天文台利用陆态网络3个VLBI观测站和上海相关处理机中心，联合北京密云站VLBI观测站，配合测控系统原有的统一S频段航天测控网，完成了嫦娥二号卫星轨道测量任务和X频段相对差分干涉测量（DOR）的试验。
（2）国际测地和天体测量VLBI服务快速UT1测量
四、 SLR观测
人卫激光测距（SLR）通过测量激光脉冲在观测站和卫星之间的往返传播时间，从而计算卫星到观测站之间的距离。在计算过程中，还应对大气中的光速值和卫星的质心等进行精确的修正，并对测量中的光路和电器系统的延时等进行严格的标定。
1．工程效益
（1）形成观测体系
上海、长春、西安、北京、武汉和昆明6个固置人卫激光（SLR）站，以及1个流动SLR分别产出测站到卫星之间的距离数据，然后联网处理，为处理获得精密站坐标及变化、OP、地球卫星轨道等提供观测数据。
SLR观测网络得到的数据产品：SLR台站的位置和速度。
（2）提升观测能力
实现了高实时性kHz重复率激光测距控制技术、高精度伺服跟踪技术、精密事件计时技术以及白天kHz重复率激光测距技术，SLR观测实现了全天候观测。
（3）增强数据结算能力
研发了具有自主知识产权的陆态网络SLR数据处理软件包，软件包括激光数据快速处理分析和激光数据事后精密处理两大功能模块。
2．应用效益
（1）海洋二号（HY-2）卫星全球联测和精密定轨
陆态网络改造后的SLR观测站均实现了白天千赫兹卫星激光测距，获得了对此类卫星的观测能力。
（2）北斗卫星导航系统（COMPASS）联测和精密定轨
经陆态网络改造的上海、长春、西安、北京、武汉和昆明SLR观测站参加了全球COMPASS-M1卫星联测和精密定轨。处理结果表明COMPASS-M1卫星的SLR定轨精度可达到分米级。
