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        基于高頻GPS和強(qiáng)震儀觀測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表形變

        2015-03-18 15:26:30
        測(cè)繪學(xué)報(bào) 2015年10期
        關(guān)鍵詞:基線漂移單站強(qiáng)震

        涂 銳

        中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心,陜西 臨潼710600

        GPS和強(qiáng)震儀觀測(cè)是獲取高精度地表形變(位移、速度、加速度)的兩種有效手段,它們已廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)且各具特色。GPS易于獲取高精度位移,但存在采樣頻率低、高頻信噪比低,信號(hào)穩(wěn)定性差的缺陷;同時(shí),強(qiáng)震儀易于獲取高分辨率加速度,但因基線漂移誤差的存在,其積分后的速度和位移常存在偏差。當(dāng)前的數(shù)據(jù)處理方式大多是單站模式或單傳感器模式,導(dǎo)致大區(qū)域的密集臺(tái)網(wǎng)和多傳感器的觀測(cè)資源沒有充分利用。為了取長(zhǎng)補(bǔ)短,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),本文提出了兩類新的數(shù)據(jù)處理策略,一類是多站增強(qiáng)解(包括GPS增強(qiáng)解,強(qiáng)震儀增強(qiáng)解);另一類是多傳感器組合解(包括松組合解,緊組合解,自適應(yīng)組合解),從而實(shí)現(xiàn)了密集臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)的最優(yōu)估計(jì)和不同傳感器觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。其主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下:

        (1)研究了GPS測(cè)速增強(qiáng)解算方法?;舅枷耄合噜彍y(cè)站上衛(wèi)星星歷誤差、大氣殘差等幾乎相同或相近,在GPS歷元差分測(cè)速估計(jì)中,參考站上強(qiáng)約束測(cè)站坐標(biāo)求解誤差改正數(shù),并播發(fā)到流動(dòng)站上進(jìn)行改正,可以有效消除或減弱其共性誤差影響,從而提高流動(dòng)站解算精度和解的穩(wěn)定性。算例結(jié)果表明,本文提出的GPS測(cè)速增強(qiáng)解算方法明顯優(yōu)于單站測(cè)速恢復(fù)位移方法,基于廣播星歷產(chǎn)品實(shí)時(shí)獲取的地表位移形變精度可達(dá)1~2cm。

        (2)改進(jìn)了強(qiáng)震儀觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)的基線漂移校正方法?;静襟E:在大區(qū)域的密集臺(tái)網(wǎng)中,首先選擇無(wú)基線漂移或具有較小基線漂移的測(cè)站作為參考站,將相鄰測(cè)站速度波形的相關(guān)性最大作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定瞬時(shí)基線漂移時(shí)間窗口,并采用經(jīng)驗(yàn)的雙折線來(lái)完成基線漂移校正,從而恢復(fù)位移波形。2011年3月11日日本Tohoku-Oki地震的強(qiáng)震儀記錄處理結(jié)果表明,本文多站增強(qiáng)方法提取的位移波形比單站的經(jīng)驗(yàn)基線校正結(jié)果更加準(zhǔn)確,并且由一些未知原因引起的粗差記錄可以被有效識(shí)別并剔除,使得整個(gè)區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的結(jié)果更加穩(wěn)健。

        (3)提出了GPS和強(qiáng)震儀觀測(cè)松組合方法。首先,GPS相位觀測(cè)值處理成高精度GPS位移信息,強(qiáng)震儀加速度觀測(cè)去初始漂移后兩次積分為強(qiáng)震儀位移信息,通過(guò)對(duì)兩種不同傳感器的位移序列作差并進(jìn)行平滑去噪處理,得到準(zhǔn)確的基線漂移誤差,從而恢復(fù)得到組合系統(tǒng)的形變信息。試驗(yàn)表明,通過(guò)一個(gè)單頻GPS接收機(jī)和一個(gè)簡(jiǎn)易的MEMS加速度計(jì)的組合,可以實(shí)時(shí)提供高精度、寬頻帶的形變信息。

        (4)建立了GPS和強(qiáng)震儀觀測(cè)緊組合模型。強(qiáng)震儀的基線漂移被當(dāng)作未知參數(shù)引入動(dòng)態(tài)PPP模型中,當(dāng)作隨機(jī)游走過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì),并且將基線漂移校正后的加速度引入到狀態(tài)方程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)噪聲約束。序列驗(yàn)證結(jié)果表明,強(qiáng)震儀的基線漂移可以準(zhǔn)確估計(jì)和有效校正,采用幾分鐘的GPS數(shù)據(jù)即可實(shí)時(shí)獲取高精度的形變信息。

        (5)討論了GPS和強(qiáng)震儀觀測(cè)自適應(yīng)組合方法。通過(guò)定義4種統(tǒng)計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)震儀的基線漂移被劃分為初始化階段、靜態(tài)漂移階段、瞬時(shí)漂移階段和永久漂移階段,從而自適應(yīng)地調(diào)整動(dòng)態(tài)噪聲和漂移解算窗口長(zhǎng)度來(lái)得到最優(yōu)組合解,實(shí)現(xiàn)兩種觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

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