单站GPS测速在地震监测中的应用
单站 GPS 测速在地震监测中的应用
摘要：近年来, GPS 测速已经成为研究 GPS 地震学的一种重要方法。本文介绍了 GPS 测速的原
理, 并尝试将 GPS 测速应用于地震监测中。利用单站高频 GPS 数据, 对2011 年日本大地震和
2012 年新疆地震期间的 GPS 测速结果和同震位移进行了分析。结果表明, 单站 GPS 测速无需其
他参考站信息和精密轨道钟差, 其测速精度达到几个 mm/s, 同时能反演地震期间观测站的速度
变化信息和震中与监测站的位置关系, 可为地震监测提供一种有效可行的方式。
随着 GPS 技术在地震学领域的应用, ———已经形成了一门新的学科 GPS 地震学 (GPS
Seismology) [1]。目前 GPS 地震学已经成为地壳运动检测和地震监测的一种重要手段。最初
GPS 技术一般用于获取地震同震位移, 之后, 随着 GPS 观测精度和数据处理技术的发展和提高,
尤其是高频 GPS 技术的出现, GPS 不仅能监测长期地壳形变, 也能用于监测测站短期瞬时位移变
化, 这为地震监测提供了重要补充手段。
一般利用 GPS 高频数据获取测站瞬时位移主要采用相对定位技术, 即采用远离震中的 GPS 台站
作为参考站, 与地震监测站组成基线, 进行差分处理后获得监测站在的同震位移。但是, 这种处
理方法要求 GPS 参考站与监测站之间的距离不能太远, 而实际上受地震的影响, GPS 参考站在地
震期间也会发生位移, 从而影响监测站的结果。
随着 PPP 技术的发展, 单站 GPS 精密定位也被应用于 GPS 地震监测中, 但是这种方法受卫星轨
道和钟差精度的影响, 无法实现实时监测, 难以满足实际地震监测需求。网络 RTK 技术 (PPP-
RTK) 虽然能提供实时轨道和钟差改正信息, 但这种方法成本较大, 存在实时数据通讯和质量控
制等问题。此外, 在PPP 计算中, 模糊度固定也是一个难以解决的问题[2]。
近年来, 国内外有学者从历元间的位移变化入手, 利用单站 GPS 观测值确定历元间位移变化, 获
得测站的瞬时速度信息, 并用于地震监测与反演。文献[2]利用导出多普勒观测值对地震前后的
同震位移进行了初步研究[2], 其后又对单站 GPS 测速与地震期间 P波的传播关系进行了分析
[7]。文献[8]和[9]分析了单站 GPS 测速的精度, 认为水平方向可以达到 5mm/s, 高程方向可以达
到1cm/s[8,9]。文献[10]对BDS 和GPS 单站测速进行比较, 认为二者精度相当[10]。基于这些研
究, 本文利用单站 GPS 测速进行了研究, 并利用 2011 年日本大地震和 2012 年新疆地震期间的实
际观测数据进行分析, 对单站 GPS 测速与地震监测进行了进一步研究, 并探究震中与 GPS 监测
站的距离与 GPS 测速的关系。
1 单站 GPS 测速
利用 GPS 进行测速主要有三种, 一是利用 GPS 定位结果, 通过位置差分来获取速度;二是利用
GPS 原始多普勒观测值直接计算速度;三是利用载波相位差分所获得的多普勒观测值来计算速
度[3]。位置差分虽然容易实现, 但这种方法求得的速度精度较低[4], 原始多普勒观测值精度通
常低于导出多普勒观测值的精度[5]。因此本文主要介绍第三种方法。
1.1 单站 GPS 测速原理
对于 GPS 载波相位, 其无电离层组合观测方程为:
式(1) 中, L 为以距离为单位的相位观测值;ρ 为卫星到测站的距离;clkR 和clkS 分别表示接收机
钟差和卫星钟差;N 为经过无电离层组合后相位模糊度;λ 为相位组合波长;trop 为对流层延
迟;multi 为多路径误差;ε 为固体潮、海潮等其他误差及观测值噪声。
对式 (1) 进行微分可得多普勒观测方程, 可表示为:
式(2) 中, dt 为时间变化微小量;r 为卫星到测站的位置向量;v 为测站的速度;Δ 表示变量的历元间
的变化。
摘要：
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单站GPS测速在地震监测中的应用摘要：近年来,GPS测速已经成为研究GPS地震学的一种重要方法。本文介绍了GPS测速的原理,并尝试将GPS测速应用于地震监测中。利用单站高频GPS数据,对2011年日本大地震和2012年新疆地震期间的GPS测速结果和同震位移进行了分析。结果表明,单站GPS测速无需其他参考站信息和精密轨道钟差,其测速精度达到几个mm/s,同时能反演地震期间观测站的速度变化信息和震中与监测站的位置关系,可为地震监测提供一种有效可行的方式。随着GPS技术在地震学领域的应用,———已经形成了一门新的学科GPS地震学(GPSSeismology)[1]。目前GPS地震学已经成为地壳运动检...
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作者：闻远设计
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