高频GPS数据的单点精密定位法在测震学中的应用

李露露， 肖 攀， 张伟峰， 宋国华

(安徽省地震局蚌埠地震台， 安徽 蚌埠 233000）

0 引言

通常， 地震瞬时的动态形变和地震波信息是利用记录速度和加速度的地震仪获取的[1]。随着GPS 观测精度和处理方法的不断提高、 高采样率(1～50 Hz) GPS 接收机的出现[2]， 结合高精度的GPS 数据处理软件和高速通讯系统， 这种传统的界限将被打破。 GPS 低频数据可以监测长周期的地球表面运动形变信息。 而同时GPS 高频数据， 可以在监测短周期动态变化领域发挥重要的作用， 使GPS 成为一种新的观测仪器——GPS 地震仪。

传统使用的数字地震计存在着漂移和大震限幅等仪器自身的局限性， 另外， 安装定位不准确等也会对记录和定位结果产生较大的影响。 与之相比， GPS 地震仪则不存在漂移、仪器限幅和仪器定向安装不准确等问题。 “十五” 以后， 安徽省地震局实现了对24个台站的数字化测震改造， 在运行的几年里一些台站的数据采集器出现了内部授时无法与GPS 授时进行正常校对， 授时系统出现故障。 部分台站多次调整地震计安装方位， 但定位结果仍不理想等新问题。

2011年3月11日， 安徽省地震局测震台网接收到日本本州东海岸地震事件。 全省使用包括KS-2000/60s/100s/120s 宽带地震计、 BBVS-60/120 宽频带地震计、 BBVS-120 宽频带地震计、 CTS-1、 FSS-3、 FSS-3DBH、 JDF-2、 JCZ-100 在内的几种地震计， 在本次地震事件中， 除一些长周期和强震地震仪外， 多数台站出现了限幅。

据统计， 福建省在此次地震中， 至少有FZL、 HEF、 JZA、 LAN、 MCG、 SCH 六个台站出现明显限幅。 另外， 临近的江苏省NJ2、 GUY、 ZJ、 XW。 河南省DA、 HX、 JY、 JZ、SC、 XX 等台站也出现类似情况。 这样大的地震若发生在国内， 如此多的台站出现限幅、 漂移等势必会给地震事件参数的确定带来一定的困难， 给地震事件后一系列工作进行带来阻碍。

GPS 可同时对任意大的静态和动态位移进行直接观测， 已有的数据显示， 由GPS 所获得的地面水平方向位移精度可以达到厘米级[3]（但是由于受到对流层影响比较大， 高程方面的精度相对较差）， 且观测精度随位移振幅的增大而提高。 随着分析软件精度的不断提高，可以逐步实现GPS 高频数据的单台甚至多台定位， 届时针对强震对于传统地震计的补充作用越发显著。 精密单点定位理论的提出， 为加速实现GPS 高频数据的单点定位提供了有效的方法。

1 精密单点定位理论

目前， 高采样率GPS 数据处理主要有非差和双差两种模式[2]。 GAMIT 软件是目前非常具有代表性的双差模式的高精度数据处理软件。 自1997年美国喷气推进实验室 (JPL)Zumberge 提出了PPP (精密单点定位) 的概念以后， 非差精密定位得到了迅猛的发展， 其代表性的高精度数据处理软件为GIPSY 软件。

GPS 精密单点定位(Precise Point Positioning， PPP) 技术基本思想简单（图1）， 就是利用IGS (或其他机构) 提供的GPS 精密轨道和精密钟差信息计算卫星坐标和钟差， 同时应用比较完整的物理改正模型改正定位过程中的各种误差项[3、4]， 进行单站的绝对定位。 正是由于它可以利用单台接收机在全球范围内进行高精度的独立的静态或者动态定位， 因此， 在很多方面都有很好的应用前景。

图1 精密单点定位模型Fig.1 Precise point positioning model

在测震学的研究中， 采用GPS 非差定位有其明显的优势。 当地震发生时， 静止参考站不易选， 非差模式可以对单个测站进行处理， 避免了参考站的选取问题。 因此， 本文也采用非差模型的PPP 方法进行GPS 数据处理。 武汉大学卫星导航定位技术研究中心自主研发的卫星导航系统综合处理软件（PANDA）在卫星精密定轨、 PPP 等方面达到了国际著名软件的同等水平[5]， 可应用于卫星精密定轨和动态定位研究。 本文采用PANDA 对高采样率GPS 数据进行单历元动态定位， 获得历元、 瞬时位移结果。 数据处理采用PANDA 软件精密定轨自己生成的精密轨道和钟差产品。 具体处理过程如下： ①数据预处理进行周跳探测。②采用序贯最小二乘或者均方根滤波方法解算， 每个连续观测弧段解一个模糊度， 每2h估计1个对流层参数。 ③获得动态定位结果。

2日本地震为例分析数据处理过程

2011年3月11日， 在日本本州东海岸（经度： 142.6°， 纬度： 38.1°）发生里氏9.0 级地震。 笔者选取了AHBB 观测点的GPS 1Hz 数据， GPS 站数据与地震仪之间的距离约200m， 两者距离很近， 可以通过GPS 数据与地震仪的数据进行比较， 分析两者的一致性。

2.1 地震仪数据处理

由于AHBB 观测点使用的数字地震计为KS-2000 速度型地震计， 而GPS 数据计算结果为地面地动位移， 为了便于比较， 我们首先将速度地震计记录的数据进行滤波和积分处理，得到位移结果。 图2、 3 分别为NS 向和EW 向数字地震计记录的原始波形以及进行763 滤波仿真后的位移数据波形。

图2 NS 向速度地震计原始记录与积分位移数据对比图Fig.2 Comparison of N-S velocity seismometer records and integral displacement data

图3 EW 向速度地震计原始记录与积分位移数据对比图Fig.3 Comparison of E-W velocity seismometer records and integral displacement data

2.2 高采样率GPS 数据非差处理

GPS 数据采用PANDA 软件处理， 同时将解算的结果转化在E、 N、 U 三个方向的坐标中， 由于U 方向的精度原因， 这里仅使用E、 N 方向的数据进行分析。

2.3 数据对比

使用matlab 将GPS 观测的位移结果与速度地震仪积分处理的位移结果在时间轴上进行比较， E 方向和N 方向的结果如图4、 5 所示， 图中每个绿色圆点代表一个GPS 观测历元；曲线代表速度地震计积分位移。

图4 GPS 与地震仪E 方向比较Fig.4 E-W component displacement comparison between GPS and seismometer

图5 GPS 与地震仪N 方向比较Fig.5 N-S component displacement comparison between GPS and seismometer

3 其他地震分析结果

为更好的说明高频GPS 数据在测震学方面应用范围和优劣性， 文章在同一测点（AHBB）对不同震级， 不同震中距的几个地震（表1）进行类似分析。

表1 选取地震事件参数Table 1 Selection of earthquake parameters

对表一中地震的GPS 高频数据以及速度地震计记录到的数据进行相同分析， 得到比较图（图6、 7）。

4 结论

（1）从图4、 5 中可以看出， 除去前面几十秒数据以外， GPS 与地震仪所获得的位移形变结果吻合的很好， 说明在监测地震波时， GPS 与地震仪均能获得准确的地动位移信息。分析前面GPS 与地震仪结果不吻合的原因， 是由于测站在地震前后发生了永久性的位移，这样GPS 与地震仪的测量基准不再相同， 从而导致了图中不吻合。

图6 淮安地震GPS 与速度地震仪E 方向和N 方向比较Fig.6 E-W and N-S components displacement comparison between GPS and seismometer in HuaiAn earthquake

图7 台湾地震GPS 与速度地震仪E 方向和N 方向比较Fig.7 E-W and N-S components displacement comparison between GPS and seismometer in Taiwan earthquake

GPS 不仅能测量地震时期的地震波信号， 同时能直接反映出地表的永久性位移， 而地震仪只能记录地震波信号， 而无法直接获得地表的永久性位移。 因此， 利用高采样率GPS数据可以弥补地震仪不能直接恢复地表永久位移的不足， 使用高采样率GPS 技术与地震仪相互补充， 为进一步分析地震震源破裂过程、 地震波传播特性、 地壳岩层构造等提供更充足的数据。

（2）从几个地震可以很明显的看出， 江苏淮安地震的GPS 数据与速度地震计的吻合度很差， 而日本地震两者吻合的很好， 并且从GPS 数据时序图中可以清晰的辨别出P,S 震相，这也很好的说明了， GPS 高频数据对于强震具有很好的补充作用。 同时GPS 高频数据对于深源强震的瞬时地震位移形变信息捕获能力强， 而对于小震的捕获能力较弱， 虽然存在一定的同震数据变化信息， 但定位误差大， 出现不能识别震相等问题。

（3）从台湾地震的比较上， 虽然我们也可以看出GPS 与速度地震计的吻合， 但值得注意的是， 受地震波周期影响， GPS 数据在震级分析方面的可行性还值得商榷。

（4）文中GPS 与地震仪结果出现不能完全吻合的情况， 除了速度地震计在仿真后与实际地动位移产生误差之外， GPS 高频数据的处理过程、 高频数据的处理软件以及GPS 接收机都有可能对地动位移结果产生影响。 如何进一步提高高采样率GPS 动态定位精度， 更精确地恢复瞬时震动形变， 还需要进一步研究。

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