利用高频GPS数据反演地震要素

介绍了利用高频GPS观测数据反演地震要素的原理和方法. 以2019年7月4日和7月6日发生在美国加州里奇克莱斯特的地震为研究对象，首先利用PRIDE PPP-AR软件进行动态精密单点定位解算以获得测站的位移时间序列，然后使用S变换对位移时间序列去噪，再根据去噪后的时间序列提取地震波的振幅与周期，并提出双重3-sigma法则以分别提取地震波的体波和面波到达时，最后据此反演出地震的震中位置、震级以及发震时刻. 根据本文提出的方法反演得到的震中位置与美国地质勘探局（USGS）发布的位置偏差在10 km左右，震级偏差在0.2级左右，发震时刻偏差在20 s以内. 结果表明，利用高频GPS数据可以较为准确地反演出地震要素.      

GNSS观测的2021年青海玛多地震（Mw 7.4）同震形变及其滑动分布

北京时间2020年5月22日2时,中国青海省果洛州玛多县发生Mw 7.4地震。收集震中附近9个连续运行卫星定位基准站(continuously operating reference stations,CORS)观测数据,基于模糊度解算的精密单点定位(precise point positioning with ambiguity resolution,PPP-AR)技术处理了2 h时段的高频(1 Hz采样)全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)数据,快速确定本次地震的近场同震位移,其中水平方向最大约为0.6 m。结合远场12个CORS震前、震后各3 d低频(30 s采样)数据的非差PPP解算同震形变场,基于弹性位错模型反演了玛多地震断层几何参数和滑动分布。结果显示:玛多地震属于典型走滑事件,发震断层走向278.49°,倾角为64.38°,滑动角为-10.90°,破裂长度约为138.72 km,宽度为4.82 km;滑动量超过3 m的滑移主要集中在东部小于18 km深度的区域,最大破裂可达4.2 m。反演的地震矩为1.85×1020Nm,相当于矩震级7.45,比美国地质调查局利用地震波的反演结果略大。     

不同精密星历对震时高频GNSS解算结果精度分析

进行震时高频全球卫星导航系统（GNSS）数据解算时,不同的精密星历对GNSS解算结果会有不同的影响．本文针对IGS数据中心提供的最终精密星历(IGF)和快速精密星历(IGR)在震时高频GNSS数据解算结果中的精度进行分析,从理论上探讨不同星历对震时高频GNSS数据精度的影响,选取2010年Baja地震的高频GNSS数据采用GAMIT／TARACK单历元动态定位方法进行解算分析,结果表明,两种星历对震时高频GNSS数据结果相差不大, 在E、N方向上差值最大不超过2.2 cm,在U方向上差值最大不超过4 cm,且两种星历E、N、U方向均方根偏差小于2,解算震时高频GNSS数据时不同精密星历对解算结果精度影响差别在厘米级,当进行震时高频GNSS数据处理工作时,可使用不同精密星历进行替代解算．      

汶川地震孕育过程中变形场变化特征研究

揭示与地震孕育过程相关的变形场特征是判别地震孕育阶段及地震危险性的一个重要途径。收集汶川Ms 8.0地震震中区汶川台自2002年10月至汶川地震前的地倾斜观测数据,利用小波分析方法和分段拟合方法,提取了震前地倾斜变化的阶段性特征;利用2001年以来全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）站坐标日解数据,计算了震中附近的泸州GNSS站与周围GNSS站间基线,通过基线变化与区域地震的Benioff蠕变结果的对比,发现了二者的协同性特征。分析结果表明,2004年底汶川台地倾斜速率出现显著下降,西向倾斜速率由230 ms/a减少到130 ms/a;2007年初至发震前减少到60 ms/a;2007年底至发震前未出现指数型加速变化。广州-泸州GNSS基线在2005年初开始的加速缩短异常与Benioff蠕变亏损异常具有较高的相关性,相关系数为0.89;该基线加速缩短持续时间约2.5 a,对应地震的震级估计为7.9级,与汶川地震震级相当,反映了其与汶川地震的应变积累具有一定的相关性。2004年苏门答腊Ms 8.9地震的发生对川滇地区应力应变场影响较为显著,对汶川地震的孕育发生起到了加速作用。研究结果对于认识地壳形变观测的意义及创新地震预测思路具有参考价值。     

北斗载波相位差分的高频测速

针对GNSS测速方法中,传统单站历元间伪距单点定位位置差分及原始多普勒观测实时估计载体速度精度较低的问题,该文通过GNSS模块输出的载波相位观测值,根据相位中心一阶差分导出多普勒观测值的方法、同时系统地分析参数估计中各项误差源的影响,最后通过多普勒测速原理实时估计载体的速度信息。实验结果表明,该文所采用的方法静态模式下精度可以达到1～2mm/s,动态情况下测速精度可以达到5cm/s,较好地满足了机械控制领域的测速需求。     

PPP网解UPD模糊度固定技术监测尼泊尔Ms8.1级地震对中国珠峰地区及周边地震同震位移

利用UPD模糊度固定技术无需顾及基线解算基站地震所带来的影响,可以进行高精度非差PPP解算,"真实"获取地震周边地区GNSS站点高精度同震位移变化。为此,本文利用"国家基准一期工程""中国大陆构造环境监测网络"以及国家测绘地理信息局在珠峰周边所观测的GNSS观测资料,基于UPD模糊度固定技术高精度非差解算2015年4月25日尼泊尔Ms8.1级地震对我国珠峰地区及周边地震同震位移影响。首先,本文选取全国及周边IGS均匀分布、站点稳定、远离震区的GNSS连续观测网络数据计算卫星端的宽、窄巷UPD,采用PPP网解UPD模糊度固定技术,对解算地震区域内的GNSS测站的载波相位模糊度进行固定,得到无模糊度的精确相位观测值,进行高精度非差PPP解算;通过对平静日IGS测站数据处理与ITRF2008历元坐标对比分析,验证了该方法的精确性;最后,对2015年4月25日、5月12日地震以及地震前后数据,进行了UPD模糊度固定技术的非差PPP解算,分析了中国珠峰地区及周边GNSS站的同震位移;同时也分析了中国珠峰地区在2005—2015年10年的位移变化情况。UPD模糊度固定技术整网解算的方法也证实了能够为GNSS用于监测地震同震位移等,提供了一种精确、可靠的技术手段。     

BDS载波相位历元间差分测速方法研究

针对载波相位历元间差分测速前后历元选取不同广播星历计算时,卫星钟差跳变导致测速结果错误突变的问题,提出前后历元仍采用相同的广播星历来计算卫星位置和钟差的改进方法。用北斗实测数据验证了方法的正确性,并评估了北斗测速的精度。实验结果表明:静态条件下,北斗载波相位历元间差分测速精度可达mm/s级;动态条件下,采样率1Hz,测速结果与高精度组合导航测速结果符合精度为cm/s级;并且测速精度与物体的动态条件(如加速度)有一定的相关性。     

基于几何模型的惯性辅助PPP周跳修复与快速重新收敛

在复杂观测环境下,GNSS信号容易发生周跳和失锁现象,导致精密单点定位技术（PPP）模糊度重新初始化,影响定位精度及可靠性。本文基于PPP／SINS紧组合,提出了利用短时间内惯导递推的高精度位置信息辅助PPP周跳修复的几何模型。该模型采用原始观测值建立历元间差分方程,将周跳作为参数进行估计,而惯导提供的高精度位置作为带权的虚拟观测值参与平差解算,在固定周跳整数值后修复相位观测值,从而保持高精度的连续定位。以车载和机载两组数据分析了该方法的有效性,结果表明,引入惯性辅助能够显著加快PPP定位的重新收敛,实现周跳的准确修复。      

北斗三号与超高频GNSS同震形变监测:以2021年青海玛多Mw 7.4地震为例

随着北斗三号完成全球组网以及硬件技术发展,地壳形变监测网络的全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）接收机正朝着多系统、超高频（≥50 Hz）更新升级。基于陆态网络和中国青海省连续运行参考站的GNSS观测数据,获取2021年青海玛多Mw 7.4地震的同震位移波,并进行了震前精度统计和功率谱密度分析。结果表明,北斗三号在本次地震中的位移拾取精度比全球定位系统(global positioning system,GPS)更优;采样率提高到50 Hz对削弱位移时间序列混叠效应作用不显著,在10 Hz左右达到饱和;对50 Hz同震位移波差分获取到的速度和加速度序列噪声较大,难以利用。综合应用场景和成本考虑,GNSS地震监测的采样率最高设置在5~10 Hz即可。     

一种基于速度约束的智能手机RTD算法研究

针对受限于低成本信号接收与处理单元,手机伪距单点定位和伪距差分定位无法满足用户对定位精度的要求的问题,该文利用多普勒测速和历元间差分求解速度矢量约束位置解,构建附加多普勒原始观测值速度约束、附加伪速度约束和历元间位置约束的3种实时差分(RTD)模型。并与常规RTD模型进行对比,探究其在双频多系统下的定位精度及其稳定性。实验结果表明,3种模型相较于常规RTD都能有效提高定位精度,其中历元间位置约束的RTD模型定位精度的提升最为明显;静态模式下,小米8利用历元间位置约束的RTD定位下E、N、U方向提升分别为65%、50%和47%;在动态模式下,小米8利用历元间位置约束的RTD定位后,平面精度可提升43%。     

单历元PPP分析日本Mw9.0地震引起的我国东部沿海同震地表形变

通过对高频GPS观测数据的单历元PPP进行解算,并对定位结果进行恒星日滤波,详细分析了日本Mw9.0地震引起的我国东部沿海的同震地表形变过程。结果显示,震时我国东部沿海基准站发生了显著的水平方向和垂直方向的瞬时形变,幅度约为10cm,震后没有产生大于1cm的永久性位移,与国内外相关研究结果基本一致,验证了PPP技术用于同震地表形变分析的有效性。     

利用GNSS高频数据分析研究大震同震响应

在介绍GPS单历元定位方法的基础上,利用陕西GNSS连续站的高频数据,通过高精度数据处理软件GAMIT／GLoBK的运动学定位模块Track,计算得到2011年3月11日日本东海M9．0级地震以及2012年4月11日印尼苏门答腊M8．6级地震时连续运行观测站的水平同震变形。解算结果表明：测站的同震变形能够体现地震波的传播过程,并在地震波特性和地震类型判定方面具有一定帮助。     

基于多源SAR数据的2022年门源Ms 6.9地震同震破裂模型反演研究

2022年1月8日青海省海北州门源县发生Ms 6.9地震,震中位于青藏高原东北缘祁连-海原断裂中段,属历史地震空区,基于多源合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）遥感数据研究该地震的破裂模式对理解青藏高原东北缘构造变形机制、应变释放过程以及地震危险性评估具有重要意义。首先利用Sentinel-1数据和合成孔径雷达差分干涉测量（differential interferometry synthetic aperture radar,D-InSAR）技术获取了门源地震的同震形变场,视线（line of sight,LOS）向形变场显示此次地震造成了约20 km长的地表破裂,最大形变约0.75 m;然后基于Sentinel-2卫星数据,利用光学影像配准和相关技术获取了本次地震的东西向同震形变场,最大同震位移达2.5 m;最后基于均匀弹性半无限位错模型,以LOS向形变场为约束反演了断层的滑动分布模型。结果显示,门源地震是一次典型的左旋走滑型地震,地震破裂主要集中在0~10 km深度范围,最大滑动量3.25 m,滑动角10.44°,对应深度4.89 km;反演给出的矩震量为1.07×1019 N·m,对应矩震级Mw 6.6。结合野外考察和地质资料,初步判定发震断裂为冷龙岭断裂,并引起托莱山断裂发生同震滑动。同震库仑应力结果显示,冷龙岭断裂东段和托莱山断裂西段应力状态为加载,未来具有发生强震的风险。     

城市环境下多系统实时PPP/MEMS INS紧组合模型构建与性能分析

以GNSS和INS为代表的传感器提供的高精度实时位置是自动驾驶、智能交通等领域的重要基础。为提升GNSS和MEMS INS在城市环境下的实时定位性能,本文利用IGS播发的实时精密轨道和钟差改正数,构建了多系统实时PPP/MEMS INS紧组合模型,分析和评估了多系统实时PPP与PPP/MEMS INS紧组合的性能,并与事后精密产品获得的结果进行对比。试验结果表明,在GNSS短时中断期间,多系统PPP/MEMS INS紧组合可以实现连续可靠定位;水平和高程分量的定位精度分别可达0.374和0.339 m,但与事后精密产品相比仍有差距,点位定位精度相差约为0.15 m。PPP/INS紧组合的测速及定姿精度主要取决于INS,测速精度约为1 cm/s,与使用IGS事后产品得到的结果相比,无明显差异;航向角的可观测性较弱,静止期间航向角误差明显增加。     

利用伪距差分法进行GPS测速

针对低成本GPS接收机只能观测到单频伪距和相位的情况,提出了利用伪距差分法测定载体速度的方法,给出了相邻历元和历元间伪距差分测速的公式,并分析了其精度。用一组机载和一组车载实测数据对伪距差分测定速度方法进行了验证,结果表明,由于车载系统受外界的干扰较大,相比于机载系统,其测速精度较低;对于不同的观测环境、接收机类型以及运动状态,差分历元对数n的大小对伪距差分测速精度的影响也会不同;接收机本身的特性对伪距差分测速精度的影响较大。     

大型构筑物GNSS监测多路径探测及消除方法研究

本文分析了多路径效应产生的原因及其信号特征,利用相同环境下,相邻周期相同时刻的GNSS观测数据多路径误差应有强相关性的特征,采用逐个观测历元差分和卡尔曼滤波相结合的方法来消弱多路径效应的影响,从而提高大型构筑物GNSS监测的成果精度。     

历元间差分精密单点定位的精度分析

针对历元间差分精密单点定位技术用于地表形变监测的可行性问题,该文利用IGS跟踪站数据,对此方法的精度进行分析:借助自编程序,对IGS跟踪站不同采样率数据进行动态模拟的数据处理和误差统计,对历元间差分精密单点定位技术的精度进行比较和初步分析,验证GPS数据采样率对该技术定位精度的影响。实验结果表明,此方法能够满足地震等地质灾害引起的同震地表形变监测的精度要求。     

2021年青海玛多Mw 7.4地震前后b值的变化特征研究

古登堡-里克特频度-震级关系式中的b值常被用作估算区域应力大小的一个重要指标,对于评估地震发生概率起着至关重要的作用。北京时间2021-05-22T02:04:11青海省玛多县附近发生Mw 7.4地震,此次地震发生在巴颜喀拉块体内部,东昆仑断裂以南的次级断裂昆仑山口-江错断裂上。为了揭示这次玛多地震之前震源区的孕震环境和震后余震的演化,利用中国地震台网中心提供的2009-01-01-2021-05-20地震目录,对玛多地震发震前后的b值分布和变化进行了研究。研究发现,在2021年5月22日之前,玛多地震主震区b值最低,表明震源区存在明显的应力积累;从近十年震源区b值的时间序列来看,b值也呈现下降趋势,该发现可以作为今后判定块体内部大地震主震临近的重要依据。利用震后的余震序列计算了断层周边的b值变化,发现早期的b值变化对后期余震的发生位置预测也具有一定的指导作用。     

多模GNSS精密卫星钟差估计与分析

对基于历元间差分相位和非差伪距观测值的混合差分卫星钟差估计方法进行了改进,实现了多模全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）卫星钟差联合快速估计。选择了全球分布的50个跟踪站进行实验,对卫星钟差精度进行了分析和精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）验证。结果表明:多模卫星钟差与武汉大学提供的最终精密卫星钟差互差优于0.2 ns,精密单点定位结果与武汉大学发布的最终精密卫星轨道和钟差产品的定位精度相当。     

一种新的利用历元间位置变化量约束的GNSS导航算法

目前常用相位或多普勒观测值平滑伪距的方式提高全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)的导航性能。然而在城市环境下,GNSS观测信号中断严重,且行人等载体运动具有很大随机性,常规的相位平滑伪距或者常速度/常加速度导航算法效果有限。因此,提出了一种基于历元间载体位置变化量约束的单机GNSS导航算法,该算法利用历元间相位差分观测值计算高精度历元间位置变化量,并以此描述载体的运动,构建滤波模型的状态方程,同时利用伪距观测值构建观测方程,采用扩展卡尔曼滤波实时估计载体的位置。实验使用低成本的单频u-blox接收机实测数据,结合该算法进行导航解算。结果表明,静态情况下,导航结果的平面精度优于0.56 m;在动态情况下,平面精度优于1.0 m。在使用基站播发的GNSS差分改正数后,导航平面精度、垂向精度分别提高约49%、46%。该算法性能可靠,即使前后历元仅有4颗卫星连续观测,仍能够提供连续、平滑的实时定位结果,为用户提供更优的导航体验。