方榮新，施 闖，宋偉偉，牛小驥，張 全，陳克杰，劉經(jīng)南

武漢大學衛(wèi)星導航定位技術(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、記錄地震波信號等相關信息，為快速確定地震震中、震級以及地震預警提供寶貴的觀測資料.地震儀主要有寬頻帶地震儀（速度型地震儀）和強震儀（加速度型地震儀）兩種，在應用中主要存在兩個問題：一是寬頻帶地震儀遇到強震時經(jīng)常會超出記錄量程，無法完整的記錄地震波波形；二是在地震和海嘯預警研究中，地震儀數(shù)據(jù)通常需要積分為位移量計算震級和海嘯高度[1-2］，但受儀器傾斜、旋轉(zhuǎn)等因素影響，積分結(jié)果會引入許多誤差，難以獲得準確的地殼形變信息.以上兩個問題是造成地震震級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級大地震（東日本大地震），但是日本氣象廳（JMA）1h后速報的震級僅為Mw8.4，3天后才修訂為Mw9.0.速報震級偏小，導致日本相關部門對地震引起的海嘯高度預報偏低，最終造成日本東北部沿海地區(qū)應對海嘯準備不足，增加了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失.

近年來，隨著高頻GNSS接收機（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)恢復地震時期地表瞬時動態(tài)形變信息和地震波信號的研究已較為成熟.2003年，Larson等成功利用實測的高頻GPS數(shù)據(jù)采用JPL研發(fā)的GIPSY軟件恢復了2002年Delali地震的遠場地震波[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[4］.隨后，高頻GNSS數(shù)據(jù)恢復地震波信號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程、震源參數(shù)反演、斷層滑動分布等研究中[7-9］，并發(fā)展為一門新的學科——“GNSS地震學”[10］.GNSS作為記錄地震波信號的一種新型儀器，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觀測結(jié)果實現(xiàn)地震參數(shù)實時確定及地震預警，需要提供實時的GNSS數(shù)據(jù)處理結(jié)果.一種能夠?qū)崿F(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)實時解算及地震波信號實時探測的系統(tǒng)，本文稱之為“實時GNSS地震儀系統(tǒng)”.GNSS實時精密定位是實現(xiàn)該系統(tǒng)的關鍵技術(shù).GNSS實時精密定位主要有兩種模式，即實時相對定位和實時精密單點定位（Real-time Precise point positioning-RTPPP）模式.實時相對定位需要至少一個測站作為參考站，當大地震發(fā)生時，地震波的波及范圍可達到幾百甚至上千公里，很難快速實時地選擇完全靜止的參考站.RTPPP模式采用單臺接收機實現(xiàn)精密定位，定位方式靈活，適合實時定位處理[11］.JPL實施的實時地震和海嘯預警工程（GREAT）旨在采用RTPPP方法實現(xiàn)全球范圍cm級精度定位服務，用于自然災害監(jiān)測和預警（http：∥www.gdgps.net／products／great-alert.html）.Allen等將實時GPS數(shù)據(jù)獲得的地震波結(jié)果與利用加速度和速度計獲得的結(jié)果進行對比，表明實時高頻GPS數(shù)據(jù)能夠用于地震震級確定和地震預警[12］.張小紅等利用精密單點定位采用仿實時模擬的方式，獲得了汶川地震GPS測站的定位結(jié)果[13］.但是，這些研究未對GPS獲得的地震波信號進行定量的精度評定.本文將基于RTPPP方法，構(gòu)建實時GNSS地震儀系統(tǒng)，并通過模擬震動平臺和實測地震數(shù)據(jù)，定量分析GNSS地震儀系統(tǒng)的精度.

2 實時GNSS地震儀系統(tǒng)構(gòu)成

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

2.1 GNSS實時定位

本文構(gòu)建的實時GNSS地震儀系統(tǒng)采用RTPPP方法進行精密定位.RTPPP方法需要實時獲得高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，目前國際GNSS服務組織（IGS）提供預報的衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品（IGU產(chǎn)品）其預報部分的軌道精度為5cm，鐘差精度僅為3ns，無法滿足高精度mm-cm級實時定位的需求.因此，需要通過精密定軌獲得高精度實時衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，然后通過數(shù)據(jù)播發(fā)模塊發(fā)送給用戶用于實時精密定位.

2.1.1 實時數(shù)據(jù)流接收

2007年6月，IGS開展了IGS實時實驗計劃（Real Time Pilot Project，RTPP），主要目標包括：管理和維護IGS的實時跟蹤站網(wǎng)絡；生成組合的IGS實時分析產(chǎn)品；研究出一套標準的實時數(shù)據(jù)接收和發(fā)布格式；制定實時分析產(chǎn)品的標準格式.該計劃旨在形成一套完整的IGS實時產(chǎn)品服務系統(tǒng)（http：∥igscb.jpl.nasa.gov／）.

武漢大學衛(wèi)星導航定位技術(shù)研究中心自2009年開始參與RTPP計劃，并于2009年6月，由IGS實時數(shù)據(jù)流工作組BKG的GNSS data center授權(quán)在武漢大學衛(wèi)星導航定位技術(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為武漢大學實時數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)的GNSS實時基準站分布圖，這些基準站實時數(shù)據(jù)流是實現(xiàn)實時精密定軌獲得實時精密軌道和衛(wèi)星鐘差的數(shù)據(jù)基礎.

2.1.2 實時衛(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時的鐘差產(chǎn)品：BKG分析中心實時獲取跟蹤站網(wǎng)絡的高采樣率實時數(shù)據(jù)流，采用RTNet軟件開展了秒級更新的實時鐘差估計工作，鐘差精度優(yōu)于0.5ns[14］；ESA采用基于擴展卡爾曼濾波開發(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］.

武漢大學自主研發(fā)的PANDA（Positioning And Navigation Data Analyst）軟件具有實時定軌功能，能為用戶提供實時軌道精度3～5mm和鐘差精度0.1～0.3ns的產(chǎn)品[16-17］.具體過程是：（1）接收圖2中顯示的GNSS基準站的實時數(shù)據(jù)流，利用基準站實時數(shù)據(jù)流管理軟件實現(xiàn)對實時觀測數(shù)據(jù)流的接收、時間同步處理，并將實時數(shù)據(jù)流發(fā)送至軌道和鐘差處理端；（2）利用獲取的基準站實時數(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，同時強約束測站坐標，模糊度參數(shù)通過歷元間差分方法進行消除，參數(shù)估計采用平方根信息濾波，估計參數(shù)包括衛(wèi)星鐘差歷元間的變化、接收機鐘差歷元間的變化以及對流層參數(shù).由于通過歷元間差分方法估計的是衛(wèi)星鐘差歷元間的變化，因此需引入一參考歷元的衛(wèi)星鐘差初值，該初值可采用廣播星歷計算得到.

短暫性腦缺血發(fā)作是常見的神經(jīng)內(nèi)科疾病之一，病情最多在24小時內(nèi)緩解，具有反復發(fā)作性，其特點是發(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，而隨著我國人民生活習慣的改變，人口老齡化趨勢的到來，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[2] ，如不能針對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.這兩種方式應用于不同的情況：一，對具有管理控制功能的實時跟蹤站接收機，直接采用TCP／IP協(xié)議與數(shù)據(jù)處理中心進行連接；二，實時跟蹤站接收機通過服務器轉(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以及接收機原始二進制格式.

圖2 武漢大學實時數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)的GNSS基準站分布圖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 實時精密單點定位

利用PANDA計算的實時精密衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，在用戶端實時接收并對觀測站高頻GNSS數(shù)據(jù)進行實時精密單點定位，可獲得觀測站逐歷元定位結(jié)果.具體過程為：自接收機獲得實時觀測數(shù)據(jù)后，利用服務端發(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，觀測值采用雙頻無電離層組合觀測值（LC），利用模型改正潮汐誤差，相位偏差、對流層延遲等，其中對流層延遲改正采用Saastamoinen模型加GMF投影函數(shù)[18］，殘余的天頂對流層延遲誤差采用隨機游走方法進行實時估計.最后采用卡爾曼濾波實時估計測站坐標和模糊度等參數(shù).

2.2 實時探測

高頻GNSS數(shù)據(jù)通過RTPPP方法解算可以實時獲得觀測站逐歷元動態(tài)定位結(jié)果.當定位結(jié)果收斂以后，測站坐標時間序列將處于平穩(wěn)狀態(tài).一旦測站位置發(fā)生變化，RTPPP定位結(jié)果將實時反映測站運動軌跡.圖3為2011年東日本大地震USUD站的RTPPP處理結(jié)果，當?shù)卣鸩ǖ竭_前，RTPPP結(jié)果處于平穩(wěn)狀態(tài)，一旦地震波到達測站，RTPPP結(jié)果將實時反應測站瞬時運動情況.從圖中我們發(fā)現(xiàn)，E方向不僅包含動態(tài)的地震波形，還存在20cm的永久性偏移，說明高頻GNSS數(shù)據(jù)不僅可以捕獲地震波信號，還可以測定測站永久性偏移量.這些信息可以為地震參數(shù)快速確定和地震預警提供更加可靠的觀測資料和判斷依據(jù).

3 精度分析

為了定量評估實時GNSS地震儀系統(tǒng)的精度，本文分別利用模擬震動實驗平臺試驗數(shù)據(jù)和Baja California地震數(shù)據(jù)進行分析.

3.1 震動實驗平臺

為研究GNSS動態(tài)定位精度，我們構(gòu)建了震動實驗平臺[19］，如圖4所示.該實驗平臺由8根彈簧將一塊鋁板固定在金屬框架上，鋁板上可同時承載GNSS接收機天線、加速度計和慣導設備（IMU）等多種儀器設備.通過外力作用于鋁板，平臺可在三維空間6個自由度方向運動.

本次實驗采用的儀器包括一臺Trimble NetR8 GNSS接收機，接收的數(shù)據(jù)設置為該儀器的最高采樣率50Hz，一臺慣導設備（IMU），設置的數(shù)據(jù)采樣率為250Hz.如圖4所示，GNSS1為Trimble NetR8 GNSS接收機的天線，而另一個接收機天線（GNSS2）為IMU提供時間脈沖和加速度漂移校正，該GNSS接收機的采樣率為1Hz.

圖3 2011年東日本大地震USUD站獲得的地震波信號Fig.3 Displacement waveforms derived from USUD station in 2011Tohoku-Oki earthquake

IMU設備本身即可提供平臺的瞬時運動位置信息.IMU包括加速度計和陀螺儀，前者測量加速度（以及重力，合稱比力），后者測量角速度（或角度變化）.IMU的測量信息可以通過積分運算得到運載體位置、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間無限發(fā)散，因此需要額外的輔助信息來抑制發(fā)散現(xiàn)象，本實驗采用GNSS／IMU組合方式獲得載體運動位置信息，其處理流程如圖5所示.其中GNSS輔助信息采用雙差相對定位獲得天線GNSS2的位置與速度.相對定位采用的GNSS基準站距離震動實驗平臺約400m，采樣率為1Hz.而IMU測量獲得震動平臺的加速度和姿態(tài)信息，通過積分算法獲得IMU的位置與速度，結(jié)合GNSS相對定位結(jié)果，采用卡爾曼濾波估計方法，最終獲得震動平臺的瞬時運動位置信息.

本文將IMU獲得的平臺運動位置信息作為參考，驗證RTPPP方法的定位精度.由于IMU與GNSS1在震動平臺上的擺放位置不相同，兩者之間存在一個桿臂向量，因此要通過桿臂改正將IMU得到的定位信息轉(zhuǎn)換到GPS所處的位置，并將坐標結(jié)果由地固系（X／Y／Z）轉(zhuǎn)換至站心坐標系（E／N／U）.

RTPPP計算流程如2.1節(jié)所述，實時精密軌道和鐘差產(chǎn)品由PANDA軟件提供，軌道和鐘差差分數(shù)每秒播發(fā)一次.用戶端實時接收播發(fā)的產(chǎn)品采用PPP方法可實時獲得震動平臺實時運動結(jié)果.為了比較RTPPP和IMU結(jié)果，坐標結(jié)果均由地固系（X／Y／Z）轉(zhuǎn)換至站心坐標系（E／N／U）.圖6為其中一組震動實驗的RTPPP（紅線）與IMU（藍線）結(jié)果，為定量分析RTPPP精度，計算了RTPPP與IMU結(jié)果的互差（綠線所示）.通過統(tǒng)計，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)出一定的長周期趨勢項，但短時間內(nèi)（數(shù)分鐘）精度較高，同樣完整地恢復了震動平臺的震動波形.而在實時地震監(jiān)測和地震波信號提取研究中，主要關注的是短時間內(nèi)相對變化量和振動波形，因此，RTPPP在短時間內(nèi)的高精度正好可以滿足地震實時監(jiān)測和地震波獲取的需求.

圖6 平臺震動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 實測地震分析

為了實現(xiàn)實時GNSS地震儀系統(tǒng)在實際地震中的運用，本文對2010年4月4日（UTC時間22∶40∶42）墨西哥北部發(fā)生的Ms7.2級Baja California地震進行研究.美國南加州區(qū)域布設的GPS測站記錄了本次地震的發(fā)生過程，為此次地震研究提供了寶貴的觀測資料.利用本文介紹的RTPPP方法，以模擬實時的方式重新處理了Baja California地震期間共4個測站的1Hz高頻GPS數(shù)據(jù)，為便于分析，均轉(zhuǎn)換為站心坐標系（E／N／U）.圖7為P500站RTPPP計算的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)果以及相對定位（DD）結(jié)果進行對比.事后PPP結(jié)果利用PANDA軟件計算得到，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、對流層延遲等，其中對流層延遲改正采用Saastamoinen模型加GMF投影函數(shù)，殘余的天頂對流層延遲誤差采用隨機游走方法進行估計，電離層延遲采用雙頻無電離層組合消除，最后通過最小二乘方法估計測站坐標、接收機鐘差和模糊度等參數(shù).具體計算策略詳見參考文獻[6］.

相對定位（DD）結(jié)果采用南加州地震數(shù)據(jù)中心（SCEDC）公布的結(jié)果.美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）和南加州地震研究中心（SCEC）等機構(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)解算的測站坐標時間序列，其數(shù)據(jù)處理方式為相對定位模式[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（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個測站地震前后共半小時（22∶30—23∶00）的RTPPP與事后PPP、RTPPR與DD結(jié)果比較見表1.經(jīng)統(tǒng)計，RTPPP與事后PPP互差RMS水平方向為4～8mm，優(yōu)于1cm，高程方向為23～27mm，優(yōu)于3cm；RTPPP與相對定位（DD）結(jié)果互差rms水平方向為5～9mm，優(yōu)于1cm，高程方向為24～28mm，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 測站P500單天RTPPP結(jié)果Fig.7 RTPPP results for one day on station P500

詳細分析圖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)長周期特性，主要是受預報的軌道和鐘差精度、以及對流層延遲的影響.而DD結(jié)果通過差分方法有效消除了軌道、衛(wèi)星鐘差及對流層延遲等誤差影響.

圖10為P500測站地震前后2min的RTPPP與DD的結(jié)果，此次地震造成的P500測站水平方向振幅約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)的震動波形與DD結(jié)果基本一致，說明RTPPP對于振幅為5cm的高程方向運動也具有監(jiān)測能力.

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建的實時GNSS地震儀系統(tǒng)采用RTPPP方法能獲取高精度的測站瞬時地表形變和地震波，該方法采用單站獨立測量模式，具有很好的定位靈活性.當RTPPP收斂后，統(tǒng)計半小時觀測時段，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，而高程方向與事后PPP和DD結(jié)果相比，主要存在長周期特性誤差的影響，在短時間內(nèi)的相對定位精度較高.在實時GNSS地震監(jiān)測和地震波信號提取中，主要關注的是短時間內(nèi)相對變化量和振動波形，因此RTPPP方法非常適合應用于實時GNSS地震儀系統(tǒng).

圖10 P500測站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)的測量幅度范圍沒有限制，只要GNSS接收機能正常工作，可以測量任意震動幅度的位移.由于實時數(shù)據(jù)流傳輸和用戶實時軌道鐘差產(chǎn)品播發(fā)與接收受到網(wǎng)絡延遲影響，該系統(tǒng)的信號輸出延時一般為3～5s.而該系統(tǒng)的測量頻帶范圍與GNSS數(shù)據(jù)采樣率有關，例如，50Hz采樣的GNSS地震儀無法提取頻率大于25Hz的地震信號，而許多傳統(tǒng)地震儀能捕獲頻率高達幾十甚至幾百赫茲的地震波信號，說明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，通過實時GNSS地震儀系統(tǒng)獲取瞬時地表形變和地震波信號，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提供更加豐富、可靠的觀測資料，從而實現(xiàn)地震早期預警、海嘯預警以及地震災害快速評估等方面的應用.

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