实时高频GPS在地震学中的应用研究

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实时高频 GPS 及处理方法
GPS 全面建成至今只有不到 20 年的时间， 但
却广泛地应用于导航、 大地测量、 摄影测量、 地 震学等多 个 领 域。 随 着 技 术 和 方 法 的 不 断 发 展， 其定位精度和采样频率有了明显提高 ， 目前 GPS －9 定位精度可达亚毫米级， 相对定位精度可达10 。 而数据采样率从 30 s 提升到了 0. 02 ～ 1 s， 甚 至 0. 01 s， 极 大 拓 展 了 观 测 的 时 间 尺 度。 实 时 高 频 GPS 技术 （ 简称 ＲH GPS） 是目前 GPS 发展的最新 阶段，主要是通过接收机和 4 颗以上的卫星来实时 获取高频数据 （ 采样率高于 1 s ） ， 并通过通讯网 络和处理中心实时解算出地面点亚厘米级的位移 。 其数据处理方法主要有差分模式和非差模式两种 ， 差分模式必须要选择一个参考站点， 然后对其他 站点进行相对定位， 非差模式主要依赖于高精度 的卫星轨道信息。 两种方法在后处理情况下精度 相当，但在高精度的实时应用中， 非差模式由于 无法及时获取可靠的轨道信息而受限 。 目前国际上的 GAMIT / GLOBK、 ＲTD 和 GIPSY 软件均可做实时高频 GPS 数据处理， 前两种软件 为差分模式定位，GIPSY 为非差模式定位。 本文主 要详细阐 述 GAMIT / GLOBK 的 实 时 处 理 方 法， 该 软件中的 TrackＲT 模块是由麻省理工学院的 Thom-
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地
震
研
究
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操作过程中， 其数据采集、 传输和处理受到通讯 设备、处理机配置等硬件因素的影响， 时间延迟 约为 2 ～ 5 s，可为地震预警等实时地震学应用提供 帮助。
采取限幅的方法， 而 GPS 在振幅方面不会产生饱 和，它没有仪 器 响 应 来 限 制 接 收 机 的 观 测 能 力 ， 相对而言，位移越大其定位相对精度会越高， 所 以 GPS 技术更适用于大震造成的地表形变 ； （ 3 ） 地震仪只有在地面震动后才能产生观测 值，但很多地震事件如： 断层滑移， 岩石粘性变 化，流性变化和震后形变等， 虽然产生了地壳形 变，但是并未产生地震波。 在火山活动和非构造 性变形过程等， 由于形变的时间尺度较大而未必 产生地震波。 利用高频 GPS 监测这些事件， 可以 较好地获得低频形变信息， 进而了解慢形变过程 与机理； （ 4 ） 目前的地震 （ 强震 ） 仪在大震中很难提 取出长周期位移。而 Allen 和 Ziv （ 2011 ） ，Bock 等 （ 2011 ） 认为： 实时 GPS 定位得到的最稳定的信息 就是水平位移，可有效弥补传统地震技术的不足， 为大地震的震级估计和地震破裂过程研究提供非 常重要的信息。 虽然高频 GPS 在地震学应用上具有很多的优 势，在大地震 发 生 时 可 以 记 录 到 明 显 的 位 移 等 ， 但它也存在一些限制因素： （ 1 ） 相对于地震仪而 言，高频 GPS 的噪声基底较大， Ji 等 （ 2004 ） 分 析认为，1 ～ Hz GPS 数据计算的 EW 向， NS 向和 垂直 方 向 位 置 标 准 差 可 达 到 3 mm，7 mm 和 11 mm。 Langbein 和 Bock （ 2004 ） ， Bock 等 （ 2011 ） 研究认为 1 Hz GPS 观测数据可以在 99% 的置信水 平，估计振幅超过 6 mm 的水平位移， 因此目前高 频 GPS 还不足以记录小震所造成的微弱地表形变。 （ 2 ） 目前 GPS 接收机仅能获得 1 Hz 或者超高频 （ 20 ～ 50 Hz ） 的数据， 但 是 对 于 更 高 频 （ 约 200 Hz） 的信号， 它最终还是要受限于接收机的频带 宽度。 因此，结合 GPS 和地震仪资料各自发挥其优 势，可起到相互补充的作用， 目前 GPS 观测技术 与地震学的观测谱范围逐渐合并， 逐步发展成了 — —GPS 地震学 （ Nikolaidis et al， 一门新兴的学科— 2001 ） ，将会把传统地震学向前推进一大步 。
星历名称 轨道误差 / cm 导航星历 预报星历 （ 外推的 24 h） 预报星历 （ 观测的 24 h） 快速星历 ～ 100 cm
～ 5 cm
实时
～ 3 cm
3 ～9 h
BKG NTＲIP Client （ BNC ） 和 QT 软件的 libraries 和 include 文件。BNC 软件主要是利用互联网协议和 客户端来传输 ＲTCM 数据， 可通过互联网端口为 trackＲT 模块提供 GPS 原始数据。 BNC 软件除了可 以实时传输 GPS 原始数据外， 还具有将原始数据 转换为 ＲINEX 格式数据、 存储星历文件、 发布数 据、 精 密 单 点 定 位 等 功 能， 可 通 过 http： / / igs. bkg. bund. de / ntrip / download 下载。 1. 2 卫星星历文件 实时 GPS 数据处理时所需的卫星轨道文件也
～ 2. 5 cm
17 ～ 41 h
最终星历
～ 2. 5 cm
12 ～ 18 d
每周四
个参考站，然后进行差分处理， 但由于实时数据 流中并不包括站点的位置坐标， 所以必须要预先 给定站点坐标值。 在命令文件中还需利用 SITE_ STATS 和 ATM_ STATS 命令对站点的坐标噪声和 大气延迟进行先验约束， 确保其解算精度。 参考 站的选择方法可参考殷海涛等 （ 2012 ） ， 为了使参 ，通常将参考站的这两组值设置 考站 “固定不动” 为 0 。在命令文件中还需设定站点的天线和接收机 型号，以及更新数据码偏心文件 （ DCB ） ， 这样不 仅可以提高解算精度， 还可减少计算量， 提高计 算效率。 实时 GPS 数据处理的核心问题也是模糊度的 Wubbena 快速 解 算， TrackＲT 模 块 使 用 Melbourne宽相 （ MW － WL ） ， 甚宽相 （ EX － WL ） 和消电离 层浮点估计 （ LC ） 来计 算 整 周 模 糊 度。 设 L1 和 L2 的模糊度整周数为 N1 ，N2 ，则： （ 1 ） MW － WL 是基于相位和距离数据来估计 N1 － N2 ； （ 2 ） EX － WL = N1 － （ f1 / f2 ） * N2 是 L1 的 整周数，但 L2 的周数变为了 1. 283* N2 ； （ 3 ） LC = 2. 546* N1 － 1. 984* N2 。 EX － WL 不受几何距离变化的影响，但是依赖 于电离层延迟。对于短基线来说，EX － WL 应该接 近于 0 才符合 N1 和 N2 的选择。 当 N1 和 N2 正确 的时，LC 残差也应该接近于 0 。 在定位精度方面， 目前实时高频 GPS 的定位 精度在亚厘米级， 这表示它可以为大地震的震级 估计提供约束。 在解算时间方面， 实时高频 GPS 的数据处理在理论上可达到实时解算 ， 但在实际
必须满 足 实 时 的 要 求。 目 前 国 际 GPS 服 务 机 构 （ IGS） 提供了 3 种 卫 星 星 历： 最 终 星 历 （ IGF ） 、 快速星历 （ IGＲ ） 和 预 报 星 历 （ IGU ） 。 对 于 IGS 最终星历来说， 精度虽然很高， 但时间延迟 12 ～ 18 d，这限制了实时或准实时用户的使用。 IGS 提 供的快速精密星历 （ 时间延迟 17 ～ 41 h ） ， 也不能 满足实时的要求。为了实现实时应用， IGS 机构于 2000 年 3 月 5 日 （ GPS 周 1 052 周） 提供了超快星 历。超快星历和超快卫星钟差的更新率为 6 h， 在 每 天 UTC （ Coordinate Universal Time ） 3 ： 00 、 9 ： 00 、15 ： 00 和 21 ： 00 各发布一次。 超快星历的历 元间隔为 15 min， 共包括 48 h 的轨道信息， 前 24 h 是基于跟踪站的观测值计算得到 ，后 24 h 是外推 预报得到的。 实时 GPS 数据处理只能利用后 24 h 外推结果来进行计算。 除了 IGS 发布的精密星历 外，观测数据本身也可实时获取导航星历， 但其 精度较低， 不建议使用。 表 1 对现有 GPS 卫星星 历文件进行了比较， 发现只有预报星历中外推的 24 h 结果在精度和时间延迟上满足实时高频 GPS 数据处理的要求。 1. 3 实时处理方法 实时处理 GPS 数据时，TrackＲT 模块中的部分 命令与 Track 模块相同，需要在命令文件中设置一
Comparison of GPS satellite ephemeris files
卫星钟差 ～ 5 ns ＲMS ～ 2. 5 ns SDev ～ 3 ns ＲMS ～ 1. 5 ns SDev ～ 150 ps ＲMS ～ 25 ps SDev ～ 75 ps ＲMS ～ 25 ps SDev ～ 75 ps ＲMS ～ 20 ps SDev 时间延迟 实时 更新时间 实时 UTC 3： 00， 9： 00， 15： 00， 21： 00 9： 00， UTC 3： 00， 15： 00， 21： 00 UT术作为地学研究的一个有效途径 ， 具有
文介绍了实时 高 频 GPS 技 术 及 其 数 据 处 理 方 法， 并与传统地震 （ 强震 ） 仪进行了对比分析， 论述 其如何应用于地震预警等实时地震学领域 。
全天 候、 高 精 度、 自 动 化、 高 效 益 等 显 著 特 点， 在地壳运动监测和地球动力学等领域发挥着越来 越重 要 的 作 用 （ Wang et al， 2001 ； Gan et al， 2007 ； Zhang，Gan，2008 ） 。目前 GPS 通常利用日 均值来分析和研究长周期的地壳形变信息 ， 可为 中长期地震预测提供可靠的依据， 但它不能捕捉 内地壳瞬时形变信息。 随着接收机技术和存储能力的提高 ， 我们可 以获取高频 （ 1 Hz ） 和超高频 （ 20 ～ 50 Hz ） GPS 观测数 据， 而 单 历 元 GPS 处 理 技 术 的 逐 渐 成 熟， 也使高频 GPS 有能力观测到周期大于 1 s 的真实地 表位移。目前国内外学者已经利用高频 GPS 观测 网成功的获取了几次大地震所引起的瞬时地表运 动状态，如 2003 年加州 San Simeon 6. 5 级地震 （ Ji et al，2004 ） ，2004 年 SumatraAndaman 9. 3 级 巨 震 （ Ohta et al，2006 ） ，2008 年 汶 川 8. 0 级 地 震 （ Yin et al， 2010 ） 和 2011 年 日 本 9. 0 级 地 震 （ Grapenthin，Freymueller，2011 ） 等， 这为我们更 好地理解地震破裂过程以及地震波在地表的传播 方式开辟了新的途径。 通讯技术的飞速发展使高频 GPS 数据的实时 传输成为了可能， 可获取实时地表位移状态， 弥 补现有技术手段的不足。 当前实时高频 GPS 技术 成为国际 研 究 的 新 热 点 （ Allen， Ziv，2011 ） 。 本