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。

　　关键词：单站GPS测速; 高频GPS; 震中; 同震位移;

　　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。

　　当历元间隔很小时, 对流层误差和多路径误差等的变化量可以忽略。当相位不存在周跳时, ΔN不存在。卫星钟差可以通过广播星历予以修正, 因此式 (2) 可简写为:

　　式 (3) 中, 未知参数为测站速度v和接收机钟差变化Δclk。

　　对于GPS高频数据 (如1Hz) , 其历元间隔很小, 对流层多路径等误差变化不大, 因此可以近似地利用式 (3) 进行计算, 得到测站的速度信息。