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单站GPS测速在地震监测中的应用论文
摘要：近年来, GPS测速已经成为研究GPS地震学的一种重要方法。本文介绍了GPS测速的原理, 并尝试将GPS测速应用于地震监测中。利用单站高频GPS数据, 对2011年日本大地震和2012年新疆地震期间的GPS测速结果和同震位移进行了分析。结果表明, 单站GPS测速无需其他参考站信息和精密轨道钟差, 其测速精度达到几个mm/s, 同时能反演地震期间观测站的速度变化信息和震中与监测站的位置关系, 可为地震监测提供一种有效可行的方式。
关键词：单站GPS测速; 高频GPS; 震中; 同震位移;
随着GPS技术在地震学领域的应用, 已经形成了一门新的学科———GPS地震学 (GPS Seismology) [1]。目前GPS地震学已经成为地壳运动检测和地震监测的一种重要手段。最初GPS技术一般用于获取地震同震位移, 之后, 随着GPS观测精度和数据处理技术的发展和提高, 尤其是高频GPS技术的出现, GPS不仅能监测长期地壳形变, 也能用于监测测站短期瞬时位移变化, 这为地震监测提供了重要补充手段。
一般利用GPS高频数据获取测站瞬时位移主要采用相对定位技术, 即采用远离震中的GPS台站作为参考站, 与地震监测站组成基线, 进行差分处理后获得监测站在的同震位移。但是, 这种处理方法要求GPS参考站与监测站之间的距离不能太远, 而实际上受地震的影响, GPS参考站在地震期间也会发生位移, 从而影响监测站的结果。
随着PPP技术的发展, 单站GPS精密定位也被应用于GPS地震监测中, 但是这种方法受卫星轨道和钟差精度的影响, 无法实现实时监测, 难以满足实际地震监测需求。网络RTK技术 (PPP-RTK) 虽然能提供实时轨道和钟差改正信息, 但这种方法成本较大, 存在实时数据通讯和质量控制等问题。此外, 在PPP计算中, 模糊度固定也是一个难以解决的问题[2]。
近年来, 国内外有学者从历元间的位移变化入手, 利用单站GPS观测值确定历元间位移变化, 获得测站的瞬时速度信息, 并用于地震监测与反演。文献[2]利用导出多普勒观测值对地震前后的同震位移进行了初步研究[2], 其后又对单站GPS测速与地震期间P波的传播关系进行了分析[7]。文献[8]和[9]分析了单站GPS测速的精度, 认为水平方向可以达到5mm/s, 高程方向可以达到1cm/s[8,9]。文献[10]对BDS和GPS单站测速进行比较, 认为二者精度相当[10]。基于这些研究, 本文利用单站GPS测速进行了研究, 并利用2011年日本大地震和2012年新疆地震期间的实际观测数据进行分析, 对单站GPS测速与地震监测进行了进一步研究, 并探究震中与GPS监测站的距离与GPS测速的关系。
1 单站GPS测速
利用GPS进行测速主要有三种, 一是利用GPS定位结果, 通过位置差分来获取速度;二是利用GPS原始多普勒观测值直接计算速度;三是利用载波相位差分所获得的多普勒观测值来计算速度[3]。位置差分虽然容易实现, 但这种方法求得的速度精度较低[4], 原始多普勒观测值精度通常低于导出多普勒观测值的精度[5]。因此本文主要介绍第三种方法。
1.1 单站GPS测速原理
对于GPS载波相位, 其无电离层组合观测方程为:
式 (1) 中, L为以距离为单位的相位观测值;ρ为卫星到测站的距离;clkR和clkS分别表示接收机钟差和卫星钟差;N为经过无电离层组合后相位模糊度;λ为相位组合波长;trop为对流层延迟;multi为多路径误差;ε为固体潮、海潮等其他误差及观测值噪声。
对式 (1) 进行微分可得多普勒观测方程, 可表示为:
式 (2) 中, dt为时间变化微小量;r为卫星到测站的位置向量;v为测站的速度;Δ表示变量的历元间的变化。
当历元间隔很小时, 对流层误差和多路径误差等的变化量可以忽略。当相位不存在周跳时, ΔN不存在。卫星钟差可以通过广播星历予以修正, 因此式 (2) 可简写为:
式 (3) 中, 未知参数为测站速度v和接收机钟差变化Δclk。
对于GPS高频数据 (如1Hz) , 其历元间隔很小, 对流层多路径等误差变化不大, 因此可以近似地利用式 (3) 进行计算, 得到测站的速度信息。
1.2 误差分析
从式 (2) 可以看出, 单站GPS测速精度受到各种误差的影响。这些误差大致有卫星轨道和钟差误差、对流层误差、多路径误差等[6]。
对于实时单站GPS测速, 无法获得精密卫星轨道和钟差, 因此卫星轨道和钟差误差较大, 但对于高频GPS数据, 其历元间卫星轨道和钟差误差几乎相同, 因此在历元间差分中, 可以很好地将卫星轨道和钟差消除。
对流层误差受对流层模型精度的影响, 但对于历元间高频数据的差分, 这些误差也可以消除。
对于相位观测值, 其多路径误差一般比较小。另外, 历元间多路径误差具有相关性, 大部分可以在历元间差分中消除。
由式 (2) 可知, GPS测速中历元间相位观测量与周跳有关, 因此需要对相位观测值进行周跳探测等预处理。当发生周跳时, 可进行周跳修复或数据剔除。
1.3 单站GPS测速用于地震监测
目前地震监测中一般是通过监测台站的同震位移研究地震信息。如前所述, 相对定位技术受参考站距离和本身位移的影响较大, 而PPP技术受到轨道和钟差实时性的制约, 本文所述的单站GPS测速技术能获取地震期间台站的速度信息, 同样可以对地震进行监测。同时对速度进行积分, 同样可以得到地震期间台站的同震位移。
与相对定位技术和PPP技术相比, 单站GPS测速只需采用广播星历, 保证了该方法的实时性或准实时性。同时, 这种方法只需要一个监测站, 具有较高的精度和可靠性。因此, 这种方法在实时地震监测中是一种有效的方法。
2 数据试验
为验证GPS测速用于地震监测的理论, 本文以2011年3月11日期间日本大地震和2012年6月30日新疆地震为例, 进行试验及分析。
2.1 2011年日本大地震
选取此次地震期间距离震中较近的两个IGS跟踪站 (MIZU, USUD) 观测数据, 其中MIZU距震中约170km, USUD距震中约450km, 数据采样率为1s。采用自编软件Vel_Cal进行计算。
图1和图2为地震前后的MIZU和USUD测站的GPS测速结果及通过对测速信息进行积分后得到的同震位移 (为方便观察, 将N方向和E方向误差分别平移了100mm和-100mm) 。
图2 USUD站GPS测速及同震位移 (N方向和E方向误差平移了100mm和-100mm) Fig.2 GPS velocity variation and coseismic displacement at USUD (100mm and-100mm errors are added in North and East direction)
从图1和图2可以看出, 当地震发生后, 距离震中最近的MIZU站最先感知, 随后地震波传至USUD站, 且距离震中近的MIZU站扰动最大, 说明地震破坏程度与震中距离有直接关系。
在图1 (b) 同震形变中, MIZU在地震发生前和发生后的同震形变在厘米级, 而根据其他文献及信息[7], 强震使MIZU站向南偏移了1.13m, 向东偏移了2.13m, 在垂直方向下沉了0.1m, 这个信息并未在图1的同震形变中体现出来, 这可能是由于本方法中计算的同震位移是通过对速度进行积分得到的, 虽然速度信息受卫星轨道和钟差、对流层误差等的影响较小, 但各个历元的误差积累对同震位移的影响不可忽略, 导致同震位移与实际结果不一致。
2.2 2012年新疆地震
2012年6月30日新疆地震的相关信息见表1 (http://www.cenc.ac.cn/) 。
表1 2012年6月30日新疆地震信息Table 1 Xinjiang earthquake information at June 30, 2012 下载原表
表1 2012年6月30日新疆地震信息Table 1 Xinjiang earthquake information at June 30, 2012
选取此次地震期间离震中较近的两个陆态网监测站 (XJSH和XJKC) , 监测站位置与震中的关系见图3。图4和图5为这两个测站在地震期间的在东西方向上的测速结果和同震位移。
图3 监测站分布Fig.3 Monitoring station distribution
结合表1、图3和图4、图5结果可知, 此次地震 (发生时刻为5时7分31秒) 震中所在位置为43.4N, 84.4E, 其中XJSH距离震中137km, XJKC距离震中240km。从速度变化图上可以看出, 在XJSH站, 其E方向速度变化幅度在8分35秒左右开始变大;在XJKC站, 其E方向速度变化幅度在9分6秒左右开始变化。两站之间时间差异约为31s, 而两站距离震中的差异为103km。按照地震传播方式, 其横波是S波, 对地面产生前后左右的抖动, 破坏性较强, 传播速度约为3.2~4.0km/s, 这与XJSH和XJKC站速度发生抖动的时间差和距离差吻合。且从XJSH和XJKC的速度变化图中可以看出, XJKC的振幅比XJSH的小一些, 这也是由于XJKC距离震中较远的缘故。由此可见, 当GPS监测站距离震中越远, 其测速变化反应时间也越慢。当多个站同时监测测速变化时, 可以通过时间差确定震中位置。
图5 XJKC站东西方向测速结果和同震位移Fig.5 GPS velocity variation and coseismic displacement in East/West direction at XJKC
3 结语
本文介绍了单站GPS测速的原理和方法, 在该方法的基础上对2011年3月11日日本地震和2012年6月30日新疆地震期间的GPS测速结果进行了试验。由分析可知, GPS测速精度可到几个mm/s, 当震中较浅, 且GPS监测站离震中较近时, 单站GPS测速能反演地震期间观测站的速度变化信息和震中与监测站的位置关系, 后续可以探索此方法在地震监测中的应用。
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