北斗系统在地震行业的应用

文|游新兆 王阅兵

中国地震台网中心

关键字：北斗系统；地壳运动；应急救援；应用

一、前言

地震行业是国家防震减灾工作的主体。中国是全球内陆地震最频繁、地震灾害最为严重的国家之一，切实增强抵御和应对地震灾害能力、保障人民群众生命财产安全是地震行业面临的重大课题。地震是一种突发的、剧烈的地壳运动表现形式，获取地壳运动与变形的可靠信息，是地震研究及其预测预报的重要基础，而地壳运动是个漫长而缓慢的过程，需要高精度的技术方法才能获取真正有效的运动信息，同时还要求具有足够的时间与空间域，以描绘地壳运动与变形的全过程。

20 世纪80 年代，以全球定位系统（GPS）为代表的全球导航卫星系统（GNSS）测地技术从根本上突破了传统大地测量的局限，得以实现毫米级精度大尺度地壳运动的监测。1988 年中国地震局在云南滇西地震试验场建立了我国第一个区域地壳形变监测网，经过30 多年的发展，形成了一定密度的高精度中国地壳运动观测网络，获取到较高分辨率的地壳运动图像。多种地震监测设备的位置和时间，主要利用GNSS 的定位和授时功能，以往主要使用和依靠的是美国的GPS，显然存在一定风险。随着我国北斗卫星导航系统（BDS）的不断完善，导航定位、授时精度不断提高，特别是北斗系统自带短报文通信功能，为防震减灾事业发展带来新的机遇。自2012 年北斗系统实现亚太地区覆盖，地震系统就开始针对北斗系统在地震行业的主要应用需求开展实验研究，在北斗高精度地壳运动观测以及北斗短报文应急救援等应用实验基础上，加快推进北斗系统实际应用。目前北斗系统已实现在地震监测领域的日常应用。

二、北斗系统地震行业应用进展

1.地壳运动观测应用

（1）中国地壳运动观测网络

中国大陆构造活动强烈，活动断裂分布广泛，特别是青藏高原及其周缘、新疆天山地区，而强震主要发生在活动断裂带上。为监测中国大陆现今地壳运动状态服务于地震预测预报，自1988 年开始的10 年间，中国地震局先后在川滇、河西走廊、青藏高原、新疆天山、华北、福建东南沿海等地区开展GPS 区域性形变监测，建设流动观测站约300 个，为大范围地壳运动观测研究奠定了技术基础。1997 年，中国地震局牵头，联合总参测绘导航局、中国科学院、国家测绘地理信息四部门实施建设了国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”（简称网络工程）；2007 年，中国气象局和教育部加入，六部门联合在网络工程的基础上实施建设了国家科技基础设施“中国大陆构造环境监测网络”（简称陆态网络），以全GNSS观测技术为主，建成了260 个连续观测基准站和2056 个定期观测区域站构成的观测网络，基本实现了对我国二级构造块体的整体运动状态的动态观测。网络工程和陆态网络在很大程度上促进了我国GNSS 观测技术的应用发展，在地震预测预报与地球科学研究中发挥了重要作用，同时在大地测量、气象预报和国防建设等领域得到高效应用。

随着北斗系统的应用，中国地震局作为北斗地基增强系统联合建设部门，承担了北斗地基增强系统50 个框架网基准站和63 个区域基准站建设，许多基准站与陆态网络基准站并址建设，这即是对陆态网络极好的补充，也是陆态网络作为国家重大科技基础设施的应用拓展。地震行业一直在根据地震监测需求推进加密基准站建设，目前日常运行的基准站近500 多个。自2015 年，新建基准站以及已有基准站设备更新均采用BDS/GNSS 接收机，兼容北斗系统观测的基准站超300 个，尚未更新的基准

站已规划近期全面更新为BDS-3/GNSS 接收机。（2）北斗高精度地壳运动观测实验

2012年底，北斗系统向亚太地区正式提供服务。为加快推进北斗系统在地壳运动监测领域的应用，地震系统随即开展北斗系统高精度实验观测，主要目的是检测北斗系统大范围地壳运动监测能力，同时测试国产接收机长期连续观测能力。2013 年2 月，从陆态网络基准站中选取了山东荣成、宁夏盐池、河北唐山、云南下关和河南郑州5 个基准站，站间距离400 ～2400km，架设观测北斗（BDS-2）与GPS 信号的国产接收机与原有陆态网络基准站开展并址实验观测。采用武汉大学卫星导航定位技术研究中心研发PANDA 软件中的PPP 模块，分别处理BDS 和GPS 观测数据。

前期3 年观测结果表明，BDS 在水平向的定位精度约为8.5mm，垂向定位精度约为20mm；GPS 在水平向的定位精度优于5mm，垂向定位精度约为7mm，单点定位精度BDS-2 相比GPS 精度略低。而从基线结果对比看，如荣成BDRC—唐山BDTS 基线（457km），尽管BDS 单日解的离散度偏大，但长期观测的基线长度及其变化率一致，均以1.8mm/a 的速率缩短（图1），分析认为BDS 精度相对较低的原因主要是前期BDS-2 可用的MEO 和IGSO 卫星较少，再就是采用的BDS精密轨道精度相比GPS 有差距，而单点解的精度又依赖卫星轨道精度，速度场垂向误差可能主要是框架尺度因子波动所带来的误差。此外，数据处理时还纳入陆态网络山东荣成、山西太原、四川筠连和湖北武汉等基准站的数据，这些站采用的是国外产接收机（模块更新后能接收BDS-2 和GPS 信号）。通过比较，不同接收机之间的差异性不大，BDS 与GPS 计算的基线水平速度场未见系统性差异（表1），而垂向速度场有较大差异。2016 年之前的实验观测表明BDS-2 已具备高精度观测能力，2017 年随着北斗地基增强系统的建设应用，地震系统将北斗系统纳入日常观测，并着重北斗高精度数据处理分析。

2013 年开始实验观测采用的国产接收机迄今已连续运行了9 年多，未发生故障，说明国产接收机技术已基本成熟，值得信赖。

图1 荣成BDRC 与唐山BDTS 基线时间序列

表1 BDS 与GPS 在ITRF08 框架下速度场 mm/a

（3）北斗高精度数据处理

地壳运动观测数据解算力求达到最高精度，而且更关注站间相对位置和观测精度。目前采用GNSS 相位差分方法数据处理的国际通用软件，一是美国麻省理工学院、加州大学圣地亚哥分校斯克利普斯海洋研究所等单位研发GAMIT/GLOBK，开放源代码，再就是瑞士伯尔尼大学研发的Bernese，授权开放源代码，这两个软件主要进行基线解算，可以通过差分有效规避相关误差的影响。GAMIT/GLOBK 软件10.61 版本之后开始支持北斗系统观测数据解算，但在读取新格式轨道和兼容北斗频率数据时适应性存在一定的缺陷；而Bernese 软件尚未提供支持北斗系统观测数据解算的版本。基于Linux 平台对软件进行二次开发，实现了两个软件基于双差定位解算北斗观测数据。

利用GAMIT/GLOBK 处理北斗地基增强系统155 个基准站和陆态网络30 个基准站（已升级兼容BDS）2016—2019 年的观测数据。为获取北斗观测基准站在稳定框架下的解算结果，引入了30个IGS 站观测数据，先处理IGS 和陆态网络基准站的GPS 和北斗数据，利用GPS 获取这些核心站在ITRF 框架下坐标和速度，并将这些参考站坐标作为约束将北斗基准站网GAMIT 无基准自由解固定到ITRF2014 框架下，获得了地壳运动图，BDS 与GPS 的水平速度场差别约为1 ～2mm/a。

图2 CHZH 站BDS 与GPS 坐标时间序列

从测站坐标时间序列对比看，以CHZH 测站为例（图2），BDS 与GPS 水平向具有较好的一致性，只是离散度偏大，而垂直向GPS 监测到了明显的周期性，而BDS 的周期性信号似乎被噪声淹没，显示出精度略差，分析原因可能在几个方面，一是BDS 卫星的精密轨道产品精度目前相对较低，二是与BDS 卫星有关的模型如光压模型、卫星天线相位中心模型等，影响定位精度。

2020 年北斗系统完成全球组网后，地震系统GNSS 基准站逐步升级为北斗三号（BDS-3）/GNSS 接收机观测，目前已完成150 站的设备更新。在BDS 数据处理分析方面做了进一步深入分析工作，如BDS 全球参考框架参数、卫星天线相位中心模型等。因BDS-3 设备更新时间不长，我们选取了分布全球40 个IGS 站（BDS-3/GNSS）观测数据进行分析，NEU 三方向的精度（RMS）分别为3.8mm、3.7mm 和9.0mm。MEO 卫星已实现全球覆盖，BDS 观测精度已有明显提升。从CUSV站BDS-3 计算的测站坐标时间序列（图3）可以看到在NEU 水平与垂直向上均能检测出季节性周期信号，实现了BDS 高频观测数据的高效处理。例如，2021 年5 月22 日玛多Ms7.4 地震后，我们给出了附近基准站BDS-3（1Hz）获取到高精度地震高频震动图（图4）。

图3 CUSV 站BDS-3 计算的测站坐标时间序列

图4 BDS-3 获取的2021 年5 月22 日玛多Ms7.4 地震高频位移图

目前，地震系统已实现采用GAMIT/GLOBK 日常自动处理BDS-2 和BDS-3 观测数据。

（4）北斗高频数据处理与地震预警应用实验

高频GNSS 观测可以克服强震动区域地震计记录饱和的局限，有效增加了强地面运动的动态范围和观测频率带宽。实现地震预警应用的关键是大规模BDS 高频观测数据的快速处理技术，以及地震触发后计算同震位移和地震瞬时波形，进行地震定位、震源机制解和地震破裂过程反演。通过实验目前已基本能够实现对高频BDS 位移时间序列的实时数据流处理，用以往的震时数据模拟计算，可在地震波经过后自动提取永久同震位移，实现无需先验信息和人工干预的条件下自动反演震源参数并估算矩震级，全部计算能在5 分钟内完成。由于实时应用没有精密星历，一般应用超快速精密星历，实时解算整周模糊度有可能出现误差，需要进一步提高快速计算中的观测精度。

2.北斗通信大震应急管理与服务示范系统

北斗系统拥有短报文通信功能，为在无地面通信信号情况下的通信和指挥调度提供了有力支撑。大震发生后，震区地面通信系统有可能遭到严重破坏，为实现利用北斗系统高效救援，在北斗地基增强系统项目支持下，构建了北斗通信大震应急管理与服务示范系统。基本流程是利用北斗短报文通信功能，前方通过北斗手持终端，将带有位置和时间的灾情信息上报到指挥端，后方应急指挥中心服务器上部署BDS 大震应急管理与服务系统，自动接收前方上报信息，并根据汇集的现场灾情信息以及系统数据库信息统计评估，给出灾情综合信息，指挥中心研判后通过应急指挥平台给前方救援人员发送调度指令。利用北斗短报文通信实现高效应急管理与服务的关键是建立信息数据库，包括灾区基础数据、应急人员、应急救援装备等信息，并能及时更新。示范系统包括灾情信息采集系统、灾情信息数据库、应急指挥平台，应用GIS 技术将灾情信息整合到电子地图上（图5），通过在云南的测试实验，基本实现了利用北斗短报文快速应急指挥调度。BDS-3短报文通信容量提升，可显著增大指挥调度信息量。

图5 BDS 大震应急管理与服务示范系统显示界面

三、北斗系统在地震行业应用展望

北斗系统以其高精度定位、授时以及短报文通信功能，在国家防震减灾领域有广阔的应用前景。北斗系统在地震行业的应用需求主要体现在地壳运动观测高精度定位、地震观测设备的精确授时、地震应急救援应用和普通导航定位应用四个方面。

1.地壳运动观测高精度定位，包括长期连续观测和实时动态监测

GNSS已经成为地壳运动观测基本的技术手段，随着北斗系统的推广应用，北斗地基增强系统、测绘基准等一些国家重大项目的实施，以及测绘、气象、地调、交通、中科院等行业部门重点项目的实施，基准站数量将大幅增加，通过数据共享加以评估利用，再根据地震监测具体需求适当加密，有望未来10 年在我国地震活动频繁的主要断层，形成间距约10 ～30km 连续监测台阵；随着北斗系统全球建站的增加，星历精度与卫星天线相位中心等模型将进一步改善，从而有利获取高精度中国大陆现今地壳运动的三维时变位移场，为地震预测预报提供重要的基础支撑。此外，密集的台阵能提供实时高频位移观测，可有效提高地震快速定位精度和确定地震破裂过程，通过与强震观测的融合构建实用技术系统，与传统地震预警技术并行，实现优势互补，有助于进一步提高地震预警的时效性与准确性。

2.地震观测设备的精确授时

地震监测设备如测震、强震、地电阻、地电场、地磁、地球化学、地下流体、定点形变、地应变等，测站位置绝对定位精度一般要求在厘米级至米级，时间同步精度要求在1μs ～1ms。当前主要应用GPS 定位与授时的设备数千套，从长远安全考虑，应尽快更新为应用北斗系统，新增设备应完全具备北斗定位与授时功能。

3.北斗通信地震应急救援应用

大震发生后无地面通信保障条件时，采用带北斗定位和通信功能的便携式设备可以快速构建卫星通信指挥系统，实现救援人员与后方指挥部信息互通、协同联动，支撑应急救援工作高效有序开展。北斗三号短报文大幅扩容，有助于在前期北斗二号短报文示范应用的基础上，进一步开发基于北斗三号短报文的语音播报系统，实现更及时快速信息交流。

4.普通导航定位应用

配备小型手持北斗接收终端，结合北斗地面基准站，或借助北斗地基增强系统提供的广域、局域差分信号，实现厘米级实时动态定位，应用于地震台站定位、地震活断层探测、地质与地球物理勘测，灾害调查和灾后重建等工作。

四、结语

随着北斗系统日臻完善和全球应用，将提供更高精度的定位与授时服务以及容量更大的通信服务，在当前全面推进北斗应用的大背景下，北斗基准站等观测资源将持续增加，为地震行业提供更丰富共享资源，促进地震观测技术高质量发展和防震减灾事业现代化建设。