方榮新，施 闖，宋偉偉，牛小驥，張 全，陳克杰，劉經(jīng)南

武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，武漢 430079

1 引 言

傳統(tǒng)地震儀可以監(jiān)視地震發(fā)生、記錄地震波信號(hào)等相關(guān)信息，為快速確定地震震中、震級(jí)以及地震預(yù)警提供寶貴的觀測(cè)資料.地震儀主要有寬頻帶地震儀（速度型地震儀）和強(qiáng)震儀（加速度型地震儀）兩種，在應(yīng)用中主要存在兩個(gè)問(wèn)題：一是寬頻帶地震儀遇到強(qiáng)震時(shí)經(jīng)常會(huì)超出記錄量程，無(wú)法完整的記錄地震波波形；二是在地震和海嘯預(yù)警研究中，地震儀數(shù)據(jù)通常需要積分為位移量計(jì)算震級(jí)和海嘯高度[1-2］，但受儀器傾斜、旋轉(zhuǎn)等因素影響，積分結(jié)果會(huì)引入許多誤差，難以獲得準(zhǔn)確的地殼形變信息.以上兩個(gè)問(wèn)題是造成地震震級(jí)確定誤差的主要原因之一.例如，2011年3月11日，日本發(fā)生Mw9.0級(jí)大地震（東日本大地震），但是日本氣象廳（JMA）1h后速報(bào)的震級(jí)僅為Mw8.4，3天后才修訂為Mw9.0.速報(bào)震級(jí)偏小，導(dǎo)致日本相關(guān)部門對(duì)地震引起的海嘯高度預(yù)報(bào)偏低，最終造成日本東北部沿海地區(qū)應(yīng)對(duì)海嘯準(zhǔn)備不足，增加了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失.

近年來(lái)，隨著高頻GNSS接收機(jī)（1～50Hz）的出現(xiàn)和精密定位技術(shù)的發(fā)展，利用高頻GNSS數(shù)據(jù)恢復(fù)地震時(shí)期地表瞬時(shí)動(dòng)態(tài)形變信息和地震波信號(hào)的研究已較為成熟.2003年，Larson等成功利用實(shí)測(cè)的高頻GPS數(shù)據(jù)采用JPL研發(fā)的GIPSY軟件恢復(fù)了2002年Delali地震的遠(yuǎn)場(chǎng)地震波[3］.Kouba采用PPP方法處理了此次地震期間的IGS跟蹤站網(wǎng)1Hz GPS數(shù)據(jù)，表明PPP方法同樣可以獲得地震波信號(hào)[4］.隨后，高頻GNSS數(shù)據(jù)恢復(fù)地震波信號(hào)的研究得到了迅速發(fā)展[5-6］，其結(jié)果也被用于震源破裂過(guò)程、震源參數(shù)反演、斷層滑動(dòng)分布等研究中[7-9］，并發(fā)展為一門新的學(xué)科——“GNSS地震學(xué)”[10］.GNSS作為記錄地震波信號(hào)的一種新型儀器，也被稱為“GNSS地震儀”.

然而，上述研究主要基于事后處理模式，若要利用GNSS觀測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)地震參數(shù)實(shí)時(shí)確定及地震預(yù)警，需要提供實(shí)時(shí)的GNSS數(shù)據(jù)處理結(jié)果.一種能夠?qū)崿F(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解算及地震波信號(hào)實(shí)時(shí)探測(cè)的系統(tǒng)，本文稱之為“實(shí)時(shí)GNSS地震儀系統(tǒng)”.GNSS實(shí)時(shí)精密定位是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù).GNSS實(shí)時(shí)精密定位主要有兩種模式，即實(shí)時(shí)相對(duì)定位和實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位（Real-time Precise point positioning-RTPPP）模式.實(shí)時(shí)相對(duì)定位需要至少一個(gè)測(cè)站作為參考站，當(dāng)大地震發(fā)生時(shí)，地震波的波及范圍可達(dá)到幾百甚至上千公里，很難快速實(shí)時(shí)地選擇完全靜止的參考站.RTPPP模式采用單臺(tái)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)精密定位，定位方式靈活，適合實(shí)時(shí)定位處理[11］.JPL實(shí)施的實(shí)時(shí)地震和海嘯預(yù)警工程（GREAT）旨在采用RTPPP方法實(shí)現(xiàn)全球范圍cm級(jí)精度定位服務(wù)，用于自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警（http：∥www.gdgps.net／products／great-alert.html）.Allen等將實(shí)時(shí)GPS數(shù)據(jù)獲得的地震波結(jié)果與利用加速度和速度計(jì)獲得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明實(shí)時(shí)高頻GPS數(shù)據(jù)能夠用于地震震級(jí)確定和地震預(yù)警[12］.張小紅等利用精密單點(diǎn)定位采用仿實(shí)時(shí)模擬的方式，獲得了汶川地震GPS測(cè)站的定位結(jié)果[13］.但是，這些研究未對(duì)GPS獲得的地震波信號(hào)進(jìn)行定量的精度評(píng)定.本文將基于RTPPP方法，構(gòu)建實(shí)時(shí)GNSS地震儀系統(tǒng)，并通過(guò)模擬震動(dòng)平臺(tái)和實(shí)測(cè)地震數(shù)據(jù)，定量分析GNSS地震儀系統(tǒng)的精度.

2 實(shí)時(shí)GNSS地震儀系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 實(shí)時(shí)GNSS地震儀系統(tǒng)原型Fig.1 A prototype of real-time GNSS seismometer system

2.1 GNSS實(shí)時(shí)定位

本文構(gòu)建的實(shí)時(shí)GNSS地震儀系統(tǒng)采用RTPPP方法進(jìn)行精密定位.RTPPP方法需要實(shí)時(shí)獲得高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，目前國(guó)際GNSS服務(wù)組織（IGS）提供預(yù)報(bào)的衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品（IGU產(chǎn)品）其預(yù)報(bào)部分的軌道精度為5cm，鐘差精度僅為3ns，無(wú)法滿足高精度mm-cm級(jí)實(shí)時(shí)定位的需求.因此，需要通過(guò)精密定軌獲得高精度實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，然后通過(guò)數(shù)據(jù)播發(fā)模塊發(fā)送給用戶用于實(shí)時(shí)精密定位.

2.1.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流接收

2007年6月，IGS開(kāi)展了IGS實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（Real Time Pilot Project，RTPP），主要目標(biāo)包括：管理和維護(hù)IGS的實(shí)時(shí)跟蹤站網(wǎng)絡(luò)；生成組合的IGS實(shí)時(shí)分析產(chǎn)品；研究出一套標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收和發(fā)布格式；制定實(shí)時(shí)分析產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)格式.該計(jì)劃旨在形成一套完整的IGS實(shí)時(shí)產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)（http：∥igscb.jpl.nasa.gov／）.

武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心自2009年開(kāi)始參與RTPP計(jì)劃，并于2009年6月，由IGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流工作組BKG的GNSS data center授權(quán)在武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心成立了亞太地區(qū)最早的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心（http：∥ntrip.gnsslab.cn）.圖2為武漢大學(xué)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)的GNSS實(shí)時(shí)基準(zhǔn)站分布圖，這些基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精密定軌獲得實(shí)時(shí)精密軌道和衛(wèi)星鐘差的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

2.1.2 實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品生成

目前一些數(shù)據(jù)處理中心已可以提供實(shí)時(shí)的鐘差產(chǎn)品：BKG分析中心實(shí)時(shí)獲取跟蹤站網(wǎng)絡(luò)的高采樣率實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，采用RTNet軟件開(kāi)展了秒級(jí)更新的實(shí)時(shí)鐘差估計(jì)工作，鐘差精度優(yōu)于0.5ns[14］；ESA采用基于擴(kuò)展卡爾曼濾波開(kāi)發(fā)的Auto-BAHN軟件可以提供精度為0.3ns的5s更新的鐘差產(chǎn)品[15］.

武漢大學(xué)自主研發(fā)的PANDA（Positioning And Navigation Data Analyst）軟件具有實(shí)時(shí)定軌功能，能為用戶提供實(shí)時(shí)軌道精度3～5mm和鐘差精度0.1～0.3ns的產(chǎn)品[16-17］.具體過(guò)程是：（1）接收?qǐng)D2中顯示的GNSS基準(zhǔn)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，利用基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)流的接收、時(shí)間同步處理，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流發(fā)送至軌道和鐘差處理端；（2）利用獲取的基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)精密定軌，獲得衛(wèi)星精密軌道；（3）固定利用PANDA軟件定軌獲得的精密軌道，同時(shí)強(qiáng)約束測(cè)站坐標(biāo)，模糊度參數(shù)通過(guò)歷元間差分方法進(jìn)行消除，參數(shù)估計(jì)采用平方根信息濾波，估計(jì)參數(shù)包括衛(wèi)星鐘差歷元間的變化、接收機(jī)鐘差歷元間的變化以及對(duì)流層參數(shù).由于通過(guò)歷元間差分方法估計(jì)的是衛(wèi)星鐘差歷元間的變化，因此需引入一參考?xì)v元的衛(wèi)星鐘差初值，該初值可采用廣播星歷計(jì)算得到.

短暫性腦缺血發(fā)作是常見(jiàn)的神經(jīng)內(nèi)科疾病之一，病情最多在24小時(shí)內(nèi)緩解，具有反復(fù)發(fā)作性，其特點(diǎn)是發(fā)病突然、病程短暫、病情可逆[1] 。本病多發(fā)生于中老年人群，而隨著我國(guó)人民生活習(xí)慣的改變，人口老齡化趨勢(shì)的到來(lái)，使得老年短暫性腦缺血發(fā)作的發(fā)病率呈明顯升高趨勢(shì)[2] ，如不能針對(duì)本病給予有效的救治，很多患者最終可發(fā)展至腦卒中。筆者近年來(lái)采用氯吡格雷聯(lián)合阿司匹林治療老年短暫性腦缺血發(fā)作，取得了滿意的效果，現(xiàn)報(bào)告如下。

2.1.3 數(shù)據(jù)通信和產(chǎn)品播發(fā)

數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用通用的Ntrip協(xié)議與TCP／IP協(xié)議兩種方式連接.這兩種方式應(yīng)用于不同的情況：一，對(duì)具有管理控制功能的實(shí)時(shí)跟蹤站接收機(jī)，直接采用TCP／IP協(xié)議與數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行連接；二，實(shí)時(shí)跟蹤站接收機(jī)通過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)與客戶端數(shù)據(jù)連接軟件連接，采用Ntrip協(xié)議.數(shù)據(jù)格式主要包括RTCM2.0、RTCM3.0以及接收機(jī)原始二進(jìn)制格式.

圖2 武漢大學(xué)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)的GNSS基準(zhǔn)站分布圖Fig.2 Distribution of real-time reference stations distributed from Wuhan University

衛(wèi)星軌道與鐘差產(chǎn)品可采用多種播發(fā)方式，主要包括GPRS、3G等Internet傳輸和同步通信衛(wèi)星播發(fā)，本系統(tǒng)采用3G傳輸播發(fā)方法.

2.1.4 實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位

利用PANDA計(jì)算的實(shí)時(shí)精密衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，在用戶端實(shí)時(shí)接收并對(duì)觀測(cè)站高頻GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位，可獲得觀測(cè)站逐歷元定位結(jié)果.具體過(guò)程為：自接收機(jī)獲得實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)后，利用服務(wù)端發(fā)送的軌道和鐘差信息改正廣播星歷的衛(wèi)星軌道誤差以及衛(wèi)星鐘誤差，觀測(cè)值采用雙頻無(wú)電離層組合觀測(cè)值（LC），利用模型改正潮汐誤差，相位偏差、對(duì)流層延遲等，其中對(duì)流層延遲改正采用Saastamoinen模型加GMF投影函數(shù)[18］，殘余的天頂對(duì)流層延遲誤差采用隨機(jī)游走方法進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì).最后采用卡爾曼濾波實(shí)時(shí)估計(jì)測(cè)站坐標(biāo)和模糊度等參數(shù).

2.2 實(shí)時(shí)探測(cè)

高頻GNSS數(shù)據(jù)通過(guò)RTPPP方法解算可以實(shí)時(shí)獲得觀測(cè)站逐歷元?jiǎng)討B(tài)定位結(jié)果.當(dāng)定位結(jié)果收斂以后，測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列將處于平穩(wěn)狀態(tài).一旦測(cè)站位置發(fā)生變化，RTPPP定位結(jié)果將實(shí)時(shí)反映測(cè)站運(yùn)動(dòng)軌跡.圖3為2011年?yáng)|日本大地震USUD站的RTPPP處理結(jié)果，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)前，RTPPP結(jié)果處于平穩(wěn)狀態(tài)，一旦地震波到達(dá)測(cè)站，RTPPP結(jié)果將實(shí)時(shí)反應(yīng)測(cè)站瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)情況.從圖中我們發(fā)現(xiàn)，E方向不僅包含動(dòng)態(tài)的地震波形，還存在20cm的永久性偏移，說(shuō)明高頻GNSS數(shù)據(jù)不僅可以捕獲地震波信號(hào)，還可以測(cè)定測(cè)站永久性偏移量.這些信息可以為地震參數(shù)快速確定和地震預(yù)警提供更加可靠的觀測(cè)資料和判斷依據(jù).

3 精度分析

為了定量評(píng)估實(shí)時(shí)GNSS地震儀系統(tǒng)的精度，本文分別利用模擬震動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和Baja California地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

3.1 震動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為研究GNSS動(dòng)態(tài)定位精度，我們構(gòu)建了震動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[19］，如圖4所示.該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由8根彈簧將一塊鋁板固定在金屬框架上，鋁板上可同時(shí)承載GNSS接收機(jī)天線、加速度計(jì)和慣導(dǎo)設(shè)備（IMU）等多種儀器設(shè)備.通過(guò)外力作用于鋁板，平臺(tái)可在三維空間6個(gè)自由度方向運(yùn)動(dòng).

本次實(shí)驗(yàn)采用的儀器包括一臺(tái)Trimble NetR8 GNSS接收機(jī)，接收的數(shù)據(jù)設(shè)置為該儀器的最高采樣率50Hz，一臺(tái)慣導(dǎo)設(shè)備（IMU），設(shè)置的數(shù)據(jù)采樣率為250Hz.如圖4所示，GNSS1為Trimble NetR8 GNSS接收機(jī)的天線，而另一個(gè)接收機(jī)天線（GNSS2）為IMU提供時(shí)間脈沖和加速度漂移校正，該GNSS接收機(jī)的采樣率為1Hz.

圖3 2011年?yáng)|日本大地震USUD站獲得的地震波信號(hào)Fig.3 Displacement waveforms derived from USUD station in 2011Tohoku-Oki earthquake

IMU設(shè)備本身即可提供平臺(tái)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)位置信息.IMU包括加速度計(jì)和陀螺儀，前者測(cè)量加速度（以及重力，合稱比力），后者測(cè)量角速度（或角度變化）.IMU的測(cè)量信息可以通過(guò)積分運(yùn)算得到運(yùn)載體位置、速度和姿態(tài)信息，但是IMU傳感器存在誤差且其積分誤差隨時(shí)間無(wú)限發(fā)散，因此需要額外的輔助信息來(lái)抑制發(fā)散現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)采用GNSS／IMU組合方式獲得載體運(yùn)動(dòng)位置信息，其處理流程如圖5所示.其中GNSS輔助信息采用雙差相對(duì)定位獲得天線GNSS2的位置與速度.相對(duì)定位采用的GNSS基準(zhǔn)站距離震動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)約400m，采樣率為1Hz.而IMU測(cè)量獲得震動(dòng)平臺(tái)的加速度和姿態(tài)信息，通過(guò)積分算法獲得IMU的位置與速度，結(jié)合GNSS相對(duì)定位結(jié)果，采用卡爾曼濾波估計(jì)方法，最終獲得震動(dòng)平臺(tái)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)位置信息.

本文將IMU獲得的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)位置信息作為參考，驗(yàn)證RTPPP方法的定位精度.由于IMU與GNSS1在震動(dòng)平臺(tái)上的擺放位置不相同，兩者之間存在一個(gè)桿臂向量，因此要通過(guò)桿臂改正將IMU得到的定位信息轉(zhuǎn)換到GPS所處的位置，并將坐標(biāo)結(jié)果由地固系（X／Y／Z）轉(zhuǎn)換至站心坐標(biāo)系（E／N／U）.

RTPPP計(jì)算流程如2.1節(jié)所述，實(shí)時(shí)精密軌道和鐘差產(chǎn)品由PANDA軟件提供，軌道和鐘差差分?jǐn)?shù)每秒播發(fā)一次.用戶端實(shí)時(shí)接收播發(fā)的產(chǎn)品采用PPP方法可實(shí)時(shí)獲得震動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)結(jié)果.為了比較RTPPP和IMU結(jié)果，坐標(biāo)結(jié)果均由地固系（X／Y／Z）轉(zhuǎn)換至站心坐標(biāo)系（E／N／U）.圖6為其中一組震動(dòng)實(shí)驗(yàn)的RTPPP（紅線）與IMU（藍(lán)線）結(jié)果，為定量分析RTPPP精度，計(jì)算了RTPPP與IMU結(jié)果的互差（綠線所示）.通過(guò)統(tǒng)計(jì)，E、N、U 方向互差RMS值分別為7.4mm、6.2mm和16.9mm.從圖中U方向的結(jié)果可以看出，盡管RTPPP結(jié)果表現(xiàn)出一定的長(zhǎng)周期趨勢(shì)項(xiàng)，但短時(shí)間內(nèi)（數(shù)分鐘）精度較高，同樣完整地恢復(fù)了震動(dòng)平臺(tái)的震動(dòng)波形.而在實(shí)時(shí)地震監(jiān)測(cè)和地震波信號(hào)提取研究中，主要關(guān)注的是短時(shí)間內(nèi)相對(duì)變化量和振動(dòng)波形，因此，RTPPP在短時(shí)間內(nèi)的高精度正好可以滿足地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和地震波獲取的需求.

圖6 平臺(tái)震動(dòng)RTPPP與IMU結(jié)果及互差Fig.6 Displacements of platform movements derived from RTPPP and IMU and their differences

3.2 實(shí)測(cè)地震分析

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)GNSS地震儀系統(tǒng)在實(shí)際地震中的運(yùn)用，本文對(duì)2010年4月4日（UTC時(shí)間22∶40∶42）墨西哥北部發(fā)生的Ms7.2級(jí)Baja California地震進(jìn)行研究.美國(guó)南加州區(qū)域布設(shè)的GPS測(cè)站記錄了本次地震的發(fā)生過(guò)程，為此次地震研究提供了寶貴的觀測(cè)資料.利用本文介紹的RTPPP方法，以模擬實(shí)時(shí)的方式重新處理了Baja California地震期間共4個(gè)測(cè)站的1Hz高頻GPS數(shù)據(jù)，為便于分析，均轉(zhuǎn)換為站心坐標(biāo)系（E／N／U）.圖7為P500站RTPPP計(jì)算的E、N、U方向結(jié)果.

為了定量分析RTPPP結(jié)果的精度，分別與事后PPP結(jié)果以及相對(duì)定位（DD）結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.事后PPP結(jié)果利用PANDA軟件計(jì)算得到，精密星歷采用CODE分析中心提供的事后精密軌道和鐘差產(chǎn)品，利用模型改正潮汐誤差，相位偏差、對(duì)流層延遲等，其中對(duì)流層延遲改正采用Saastamoinen模型加GMF投影函數(shù)，殘余的天頂對(duì)流層延遲誤差采用隨機(jī)游走方法進(jìn)行估計(jì)，電離層延遲采用雙頻無(wú)電離層組合消除，最后通過(guò)最小二乘方法估計(jì)測(cè)站坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差和模糊度等參數(shù).具體計(jì)算策略詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[6］.

相對(duì)定位（DD）結(jié)果采用南加州地震數(shù)據(jù)中心（SCEDC）公布的結(jié)果.美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）和南加州地震研究中心（SCEC）等機(jī)構(gòu)共同建立的南加州地震數(shù)據(jù)中心提供了此次地震期間GPS數(shù)據(jù)解算的測(cè)站坐標(biāo)時(shí)間序列，其數(shù)據(jù)處理方式為相對(duì)定位模式[20］，（http：∥www.data.scec.org／research／MayorCucapah20100404／Mexicali＿GPSsac.tar.gz）.

圖8給出了P500站地震前后共半小時(shí)（22：30—23：00）的RTPPP與事后PPP結(jié)果以及兩者的差值，圖9為RTPPP與DD結(jié)果比較結(jié)果.

4個(gè)測(cè)站地震前后共半小時(shí)（22∶30—23∶00）的RTPPP與事后PPP、RTPPR與DD結(jié)果比較見(jiàn)表1.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，RTPPP與事后PPP互差RMS水平方向?yàn)?～8mm，優(yōu)于1cm，高程方向?yàn)?3～27mm，優(yōu)于3cm；RTPPP與相對(duì)定位（DD）結(jié)果互差rms水平方向?yàn)?～9mm，優(yōu)于1cm，高程方向?yàn)?4～28mm，優(yōu)于3cm.

表1 RTPPP與PPP和DD結(jié)果的互差rmsTable 1 Difference（rms）between RTPPP and PPP and Difference（rms）between RTPPP and DD

圖7 測(cè)站P500單天RTPPP結(jié)果Fig.7 RTPPP results for one day on station P500

詳細(xì)分析圖9中可以發(fā)現(xiàn)，RTPPP結(jié)果在水平方向的精度與事后PPP和DD結(jié)果相差較?。▋?yōu)于1cm），而高程方向與事后PPP和DD結(jié)果有較大差別，且主要呈現(xiàn)長(zhǎng)周期特性，主要是受預(yù)報(bào)的軌道和鐘差精度、以及對(duì)流層延遲的影響.而DD結(jié)果通過(guò)差分方法有效消除了軌道、衛(wèi)星鐘差及對(duì)流層延遲等誤差影響.

圖10為P500測(cè)站地震前后2min的RTPPP與DD的結(jié)果，此次地震造成的P500測(cè)站水平方向振幅約20cm，RTPPP獲得的水平方向地震波形與DD結(jié)果非常一致.而高程方向振幅約為5cm，且RTPPP結(jié)果在U方向表現(xiàn)的震動(dòng)波形與DD結(jié)果基本一致，說(shuō)明RTPPP對(duì)于振幅為5cm的高程方向運(yùn)動(dòng)也具有監(jiān)測(cè)能力.

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建的實(shí)時(shí)GNSS地震儀系統(tǒng)采用RTPPP方法能獲取高精度的測(cè)站瞬時(shí)地表形變和地震波，該方法采用單站獨(dú)立測(cè)量模式，具有很好的定位靈活性.當(dāng)RTPPP收斂后，統(tǒng)計(jì)半小時(shí)觀測(cè)時(shí)段，其定位精度水平方向優(yōu)于1cm，高程優(yōu)于3cm.RTPPP結(jié)果在水平方向的精度與事后PPP和DD結(jié)果相當(dāng)，而高程方向與事后PPP和DD結(jié)果相比，主要存在長(zhǎng)周期特性誤差的影響，在短時(shí)間內(nèi)的相對(duì)定位精度較高.在實(shí)時(shí)GNSS地震監(jiān)測(cè)和地震波信號(hào)提取中，主要關(guān)注的是短時(shí)間內(nèi)相對(duì)變化量和振動(dòng)波形，因此RTPPP方法非常適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)GNSS地震儀系統(tǒng).

圖10 P500測(cè)站RTPPP與雙差（DD）地震前后2min結(jié)果比較Fig.10 Displacements on station P500derived from RTPPP and relative positioning and their differences（2minutes）

GNSS地震儀系統(tǒng)的測(cè)量幅度范圍沒(méi)有限制，只要GNSS接收機(jī)能正常工作，可以測(cè)量任意震動(dòng)幅度的位移.由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸和用戶實(shí)時(shí)軌道鐘差產(chǎn)品播發(fā)與接收受到網(wǎng)絡(luò)延遲影響，該系統(tǒng)的信號(hào)輸出延時(shí)一般為3～5s.而該系統(tǒng)的測(cè)量頻帶范圍與GNSS數(shù)據(jù)采樣率有關(guān)，例如，50Hz采樣的GNSS地震儀無(wú)法提取頻率大于25Hz的地震信號(hào)，而許多傳統(tǒng)地震儀能捕獲頻率高達(dá)幾十甚至幾百赫茲的地震波信號(hào)，說(shuō)明GNSS地震儀系統(tǒng)在高頻部分的分辨能力與傳統(tǒng)地震儀仍有明顯差距.因此，通過(guò)實(shí)時(shí)GNSS地震儀系統(tǒng)獲取瞬時(shí)地表形變和地震波信號(hào)，再結(jié)合傳統(tǒng)地震儀記錄的地震波加速度和速度數(shù)據(jù)，將為地震參數(shù)確定和地震快速響應(yīng)提供更加豐富、可靠的觀測(cè)資料，從而實(shí)現(xiàn)地震早期預(yù)警、海嘯預(yù)警以及地震災(zāi)害快速評(píng)估等方面的應(yīng)用.

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