高頻GPS數(shù)據(jù)的單點(diǎn)精密定位法在測(cè)震學(xué)中的應(yīng)用

李露露， 肖 攀， 張偉峰， 宋國(guó)華

(安徽省地震局蚌埠地震臺(tái)， 安徽 蚌埠 233000）

0 引言

通常， 地震瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)形變和地震波信息是利用記錄速度和加速度的地震儀獲取的[1]。隨著GPS 觀測(cè)精度和處理方法的不斷提高、 高采樣率(1～50 Hz) GPS 接收機(jī)的出現(xiàn)[2]， 結(jié)合高精度的GPS 數(shù)據(jù)處理軟件和高速通訊系統(tǒng)， 這種傳統(tǒng)的界限將被打破。 GPS 低頻數(shù)據(jù)可以監(jiān)測(cè)長(zhǎng)周期的地球表面運(yùn)動(dòng)形變信息。 而同時(shí)GPS 高頻數(shù)據(jù)， 可以在監(jiān)測(cè)短周期動(dòng)態(tài)變化領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用， 使GPS 成為一種新的觀測(cè)儀器——GPS 地震儀。

傳統(tǒng)使用的數(shù)字地震計(jì)存在著漂移和大震限幅等儀器自身的局限性， 另外， 安裝定位不準(zhǔn)確等也會(huì)對(duì)記錄和定位結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。 與之相比， GPS 地震儀則不存在漂移、儀器限幅和儀器定向安裝不準(zhǔn)確等問(wèn)題。 “十五” 以后， 安徽省地震局實(shí)現(xiàn)了對(duì)24個(gè)臺(tái)站的數(shù)字化測(cè)震改造， 在運(yùn)行的幾年里一些臺(tái)站的數(shù)據(jù)采集器出現(xiàn)了內(nèi)部授時(shí)無(wú)法與GPS 授時(shí)進(jìn)行正常校對(duì)， 授時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。 部分臺(tái)站多次調(diào)整地震計(jì)安裝方位， 但定位結(jié)果仍不理想等新問(wèn)題。

2011年3月11日， 安徽省地震局測(cè)震臺(tái)網(wǎng)接收到日本本州東海岸地震事件。 全省使用包括KS-2000/60s/100s/120s 寬帶地震計(jì)、 BBVS-60/120 寬頻帶地震計(jì)、 BBVS-120 寬頻帶地震計(jì)、 CTS-1、 FSS-3、 FSS-3DBH、 JDF-2、 JCZ-100 在內(nèi)的幾種地震計(jì)， 在本次地震事件中， 除一些長(zhǎng)周期和強(qiáng)震地震儀外， 多數(shù)臺(tái)站出現(xiàn)了限幅。

據(jù)統(tǒng)計(jì)， 福建省在此次地震中， 至少有FZL、 HEF、 JZA、 LAN、 MCG、 SCH 六個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)明顯限幅。 另外， 臨近的江蘇省NJ2、 GUY、 ZJ、 XW。 河南省DA、 HX、 JY、 JZ、SC、 XX 等臺(tái)站也出現(xiàn)類似情況。 這樣大的地震若發(fā)生在國(guó)內(nèi)， 如此多的臺(tái)站出現(xiàn)限幅、 漂移等勢(shì)必會(huì)給地震事件參數(shù)的確定帶來(lái)一定的困難， 給地震事件后一系列工作進(jìn)行帶來(lái)阻礙。

GPS 可同時(shí)對(duì)任意大的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)位移進(jìn)行直接觀測(cè)， 已有的數(shù)據(jù)顯示， 由GPS 所獲得的地面水平方向位移精度可以達(dá)到厘米級(jí)[3]（但是由于受到對(duì)流層影響比較大， 高程方面的精度相對(duì)較差）， 且觀測(cè)精度隨位移振幅的增大而提高。 隨著分析軟件精度的不斷提高，可以逐步實(shí)現(xiàn)GPS 高頻數(shù)據(jù)的單臺(tái)甚至多臺(tái)定位， 屆時(shí)針對(duì)強(qiáng)震對(duì)于傳統(tǒng)地震計(jì)的補(bǔ)充作用越發(fā)顯著。 精密單點(diǎn)定位理論的提出， 為加速實(shí)現(xiàn)GPS 高頻數(shù)據(jù)的單點(diǎn)定位提供了有效的方法。

1 精密單點(diǎn)定位理論

目前， 高采樣率GPS 數(shù)據(jù)處理主要有非差和雙差兩種模式[2]。 GAMIT 軟件是目前非常具有代表性的雙差模式的高精度數(shù)據(jù)處理軟件。 自1997年美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 (JPL)Zumberge 提出了PPP (精密單點(diǎn)定位) 的概念以后， 非差精密定位得到了迅猛的發(fā)展， 其代表性的高精度數(shù)據(jù)處理軟件為GIPSY 軟件。

GPS 精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning， PPP) 技術(shù)基本思想簡(jiǎn)單（圖1）， 就是利用IGS (或其他機(jī)構(gòu)) 提供的GPS 精密軌道和精密鐘差信息計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)和鐘差， 同時(shí)應(yīng)用比較完整的物理改正模型改正定位過(guò)程中的各種誤差項(xiàng)[3、4]， 進(jìn)行單站的絕對(duì)定位。 正是由于它可以利用單臺(tái)接收機(jī)在全球范圍內(nèi)進(jìn)行高精度的獨(dú)立的靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)定位， 因此， 在很多方面都有很好的應(yīng)用前景。

圖1 精密單點(diǎn)定位模型Fig.1 Precise point positioning model

在測(cè)震學(xué)的研究中， 采用GPS 非差定位有其明顯的優(yōu)勢(shì)。 當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)， 靜止參考站不易選， 非差模式可以對(duì)單個(gè)測(cè)站進(jìn)行處理， 避免了參考站的選取問(wèn)題。 因此， 本文也采用非差模型的PPP 方法進(jìn)行GPS 數(shù)據(jù)處理。 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合處理軟件（PANDA）在衛(wèi)星精密定軌、 PPP 等方面達(dá)到了國(guó)際著名軟件的同等水平[5]， 可應(yīng)用于衛(wèi)星精密定軌和動(dòng)態(tài)定位研究。 本文采用PANDA 對(duì)高采樣率GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行單歷元?jiǎng)討B(tài)定位， 獲得歷元、 瞬時(shí)位移結(jié)果。 數(shù)據(jù)處理采用PANDA 軟件精密定軌自己生成的精密軌道和鐘差產(chǎn)品。 具體處理過(guò)程如下： ①數(shù)據(jù)預(yù)處理進(jìn)行周跳探測(cè)。②采用序貫最小二乘或者均方根濾波方法解算， 每個(gè)連續(xù)觀測(cè)弧段解一個(gè)模糊度， 每2h估計(jì)1個(gè)對(duì)流層參數(shù)。 ③獲得動(dòng)態(tài)定位結(jié)果。

2日本地震為例分析數(shù)據(jù)處理過(guò)程

2011年3月11日， 在日本本州東海岸（經(jīng)度： 142.6°， 緯度： 38.1°）發(fā)生里氏9.0 級(jí)地震。 筆者選取了AHBB 觀測(cè)點(diǎn)的GPS 1Hz 數(shù)據(jù)， GPS 站數(shù)據(jù)與地震儀之間的距離約200m， 兩者距離很近， 可以通過(guò)GPS 數(shù)據(jù)與地震儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較， 分析兩者的一致性。

2.1 地震儀數(shù)據(jù)處理

由于AHBB 觀測(cè)點(diǎn)使用的數(shù)字地震計(jì)為KS-2000 速度型地震計(jì)， 而GPS 數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果為地面地動(dòng)位移， 為了便于比較， 我們首先將速度地震計(jì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和積分處理，得到位移結(jié)果。 圖2、 3 分別為NS 向和EW 向數(shù)字地震計(jì)記錄的原始波形以及進(jìn)行763 濾波仿真后的位移數(shù)據(jù)波形。

圖2 NS 向速度地震計(jì)原始記錄與積分位移數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.2 Comparison of N-S velocity seismometer records and integral displacement data

圖3 EW 向速度地震計(jì)原始記錄與積分位移數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.3 Comparison of E-W velocity seismometer records and integral displacement data

2.2 高采樣率GPS 數(shù)據(jù)非差處理

GPS 數(shù)據(jù)采用PANDA 軟件處理， 同時(shí)將解算的結(jié)果轉(zhuǎn)化在E、 N、 U 三個(gè)方向的坐標(biāo)中， 由于U 方向的精度原因， 這里僅使用E、 N 方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3 數(shù)據(jù)對(duì)比

使用matlab 將GPS 觀測(cè)的位移結(jié)果與速度地震儀積分處理的位移結(jié)果在時(shí)間軸上進(jìn)行比較， E 方向和N 方向的結(jié)果如圖4、 5 所示， 圖中每個(gè)綠色圓點(diǎn)代表一個(gè)GPS 觀測(cè)歷元；曲線代表速度地震計(jì)積分位移。

圖4 GPS 與地震儀E 方向比較Fig.4 E-W component displacement comparison between GPS and seismometer

圖5 GPS 與地震儀N 方向比較Fig.5 N-S component displacement comparison between GPS and seismometer

3 其他地震分析結(jié)果

為更好的說(shuō)明高頻GPS 數(shù)據(jù)在測(cè)震學(xué)方面應(yīng)用范圍和優(yōu)劣性， 文章在同一測(cè)點(diǎn)（AHBB）對(duì)不同震級(jí)， 不同震中距的幾個(gè)地震（表1）進(jìn)行類似分析。

表1 選取地震事件參數(shù)Table 1 Selection of earthquake parameters

對(duì)表一中地震的GPS 高頻數(shù)據(jù)以及速度地震計(jì)記錄到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相同分析， 得到比較圖（圖6、 7）。

4 結(jié)論

（1）從圖4、 5 中可以看出， 除去前面幾十秒數(shù)據(jù)以外， GPS 與地震儀所獲得的位移形變結(jié)果吻合的很好， 說(shuō)明在監(jiān)測(cè)地震波時(shí)， GPS 與地震儀均能獲得準(zhǔn)確的地動(dòng)位移信息。分析前面GPS 與地震儀結(jié)果不吻合的原因， 是由于測(cè)站在地震前后發(fā)生了永久性的位移，這樣GPS 與地震儀的測(cè)量基準(zhǔn)不再相同， 從而導(dǎo)致了圖中不吻合。

圖6 淮安地震GPS 與速度地震儀E 方向和N 方向比較Fig.6 E-W and N-S components displacement comparison between GPS and seismometer in HuaiAn earthquake

圖7 臺(tái)灣地震GPS 與速度地震儀E 方向和N 方向比較Fig.7 E-W and N-S components displacement comparison between GPS and seismometer in Taiwan earthquake

GPS 不僅能測(cè)量地震時(shí)期的地震波信號(hào)， 同時(shí)能直接反映出地表的永久性位移， 而地震儀只能記錄地震波信號(hào)， 而無(wú)法直接獲得地表的永久性位移。 因此， 利用高采樣率GPS數(shù)據(jù)可以彌補(bǔ)地震儀不能直接恢復(fù)地表永久位移的不足， 使用高采樣率GPS 技術(shù)與地震儀相互補(bǔ)充， 為進(jìn)一步分析地震震源破裂過(guò)程、 地震波傳播特性、 地殼巖層構(gòu)造等提供更充足的數(shù)據(jù)。

（2）從幾個(gè)地震可以很明顯的看出， 江蘇淮安地震的GPS 數(shù)據(jù)與速度地震計(jì)的吻合度很差， 而日本地震兩者吻合的很好， 并且從GPS 數(shù)據(jù)時(shí)序圖中可以清晰的辨別出P,S 震相，這也很好的說(shuō)明了， GPS 高頻數(shù)據(jù)對(duì)于強(qiáng)震具有很好的補(bǔ)充作用。 同時(shí)GPS 高頻數(shù)據(jù)對(duì)于深源強(qiáng)震的瞬時(shí)地震位移形變信息捕獲能力強(qiáng)， 而對(duì)于小震的捕獲能力較弱， 雖然存在一定的同震數(shù)據(jù)變化信息， 但定位誤差大， 出現(xiàn)不能識(shí)別震相等問(wèn)題。

（3）從臺(tái)灣地震的比較上， 雖然我們也可以看出GPS 與速度地震計(jì)的吻合， 但值得注意的是， 受地震波周期影響， GPS 數(shù)據(jù)在震級(jí)分析方面的可行性還值得商榷。

（4）文中GPS 與地震儀結(jié)果出現(xiàn)不能完全吻合的情況， 除了速度地震計(jì)在仿真后與實(shí)際地動(dòng)位移產(chǎn)生誤差之外， GPS 高頻數(shù)據(jù)的處理過(guò)程、 高頻數(shù)據(jù)的處理軟件以及GPS 接收機(jī)都有可能對(duì)地動(dòng)位移結(jié)果產(chǎn)生影響。 如何進(jìn)一步提高高采樣率GPS 動(dòng)態(tài)定位精度， 更精確地恢復(fù)瞬時(shí)震動(dòng)形變， 還需要進(jìn)一步研究。

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