基于高頻GPS和強(qiáng)震儀觀測實(shí)時(shí)監(jiān)測地表形變

涂 銳

中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，陜西 臨潼710600

GPS和強(qiáng)震儀觀測是獲取高精度地表形變（位移、速度、加速度）的兩種有效手段，它們已廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害監(jiān)測且各具特色。GPS易于獲取高精度位移，但存在采樣頻率低、高頻信噪比低，信號(hào)穩(wěn)定性差的缺陷；同時(shí)，強(qiáng)震儀易于獲取高分辨率加速度，但因基線漂移誤差的存在，其積分后的速度和位移常存在偏差。當(dāng)前的數(shù)據(jù)處理方式大多是單站模式或單傳感器模式，導(dǎo)致大區(qū)域的密集臺(tái)網(wǎng)和多傳感器的觀測資源沒有充分利用。為了取長補(bǔ)短，優(yōu)勢互補(bǔ)，本文提出了兩類新的數(shù)據(jù)處理策略，一類是多站增強(qiáng)解（包括GPS增強(qiáng)解，強(qiáng)震儀增強(qiáng)解）；另一類是多傳感器組合解（包括松組合解，緊組合解，自適應(yīng)組合解），從而實(shí)現(xiàn)了密集臺(tái)網(wǎng)觀測的最優(yōu)估計(jì)和不同傳感器觀測的優(yōu)勢互補(bǔ)。其主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下：

（1）研究了GPS測速增強(qiáng)解算方法?；舅枷耄合噜彍y站上衛(wèi)星星歷誤差、大氣殘差等幾乎相同或相近，在GPS歷元差分測速估計(jì)中，參考站上強(qiáng)約束測站坐標(biāo)求解誤差改正數(shù)，并播發(fā)到流動(dòng)站上進(jìn)行改正，可以有效消除或減弱其共性誤差影響，從而提高流動(dòng)站解算精度和解的穩(wěn)定性。算例結(jié)果表明，本文提出的GPS測速增強(qiáng)解算方法明顯優(yōu)于單站測速恢復(fù)位移方法，基于廣播星歷產(chǎn)品實(shí)時(shí)獲取的地表位移形變精度可達(dá)1～2cm。

（2）改進(jìn)了強(qiáng)震儀觀測經(jīng)驗(yàn)的基線漂移校正方法?；静襟E：在大區(qū)域的密集臺(tái)網(wǎng)中，首先選擇無基線漂移或具有較小基線漂移的測站作為參考站，將相鄰測站速度波形的相關(guān)性最大作為標(biāo)準(zhǔn)來確定瞬時(shí)基線漂移時(shí)間窗口，并采用經(jīng)驗(yàn)的雙折線來完成基線漂移校正，從而恢復(fù)位移波形。2011年3月11日日本Tohoku－Oki地震的強(qiáng)震儀記錄處理結(jié)果表明，本文多站增強(qiáng)方法提取的位移波形比單站的經(jīng)驗(yàn)基線校正結(jié)果更加準(zhǔn)確，并且由一些未知原因引起的粗差記錄可以被有效識(shí)別并剔除，使得整個(gè)區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的結(jié)果更加穩(wěn)健。

（3）提出了GPS和強(qiáng)震儀觀測松組合方法。首先，GPS相位觀測值處理成高精度GPS位移信息，強(qiáng)震儀加速度觀測去初始漂移后兩次積分為強(qiáng)震儀位移信息，通過對(duì)兩種不同傳感器的位移序列作差并進(jìn)行平滑去噪處理，得到準(zhǔn)確的基線漂移誤差，從而恢復(fù)得到組合系統(tǒng)的形變信息。試驗(yàn)表明，通過一個(gè)單頻GPS接收機(jī)和一個(gè)簡易的MEMS加速度計(jì)的組合，可以實(shí)時(shí)提供高精度、寬頻帶的形變信息。

（4）建立了GPS和強(qiáng)震儀觀測緊組合模型。強(qiáng)震儀的基線漂移被當(dāng)作未知參數(shù)引入動(dòng)態(tài)PPP模型中，當(dāng)作隨機(jī)游走過程進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，并且將基線漂移校正后的加速度引入到狀態(tài)方程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)噪聲約束。序列驗(yàn)證結(jié)果表明，強(qiáng)震儀的基線漂移可以準(zhǔn)確估計(jì)和有效校正，采用幾分鐘的GPS數(shù)據(jù)即可實(shí)時(shí)獲取高精度的形變信息。

（5）討論了GPS和強(qiáng)震儀觀測自適應(yīng)組合方法。通過定義4種統(tǒng)計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)震儀的基線漂移被劃分為初始化階段、靜態(tài)漂移階段、瞬時(shí)漂移階段和永久漂移階段，從而自適應(yīng)地調(diào)整動(dòng)態(tài)噪聲和漂移解算窗口長度來得到最優(yōu)組合解，實(shí)現(xiàn)兩種觀測的優(yōu)勢互補(bǔ)。