利用高頻GNSS數(shù)據(jù)提取地震波信號(hào)方法研究

李新星,林劍,陳正松

(中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071)

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利用高頻GNSS數(shù)據(jù)提取地震波信號(hào)方法研究

李新星,林劍,陳正松

(中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071)

本文就如何利用高頻GNSS數(shù)據(jù)提取地震波信號(hào)進(jìn)行討論,選取2011年3月11日日本9.0級(jí)地震前后日本境內(nèi)及周邊IGS基準(zhǔn)站的高頻GNSS數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象,首先用TRACK軟件對(duì)觀測(cè)站的GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,獲得相應(yīng)的位移時(shí)間序列,然后利用恒星日濾波算法對(duì)所得到的位移時(shí)間序列進(jìn)行去噪,進(jìn)而獲得高精度地震位移波動(dòng)信號(hào),結(jié)果表明,高頻GNSS對(duì)地震監(jiān)測(cè)是一種有益的補(bǔ)充,對(duì)于拓展地震波獲取方法以及更深入研究地震信息具有重要意義。

高頻GNSS;TRACK;恒星日濾波;地震波

0 引 言

GNSS等空間大地測(cè)量觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)的大地測(cè)量學(xué)帶來了深刻的變化。隨著高頻GNSS接收機(jī)的出現(xiàn),GNSS接收機(jī)在地震學(xué)方面起到越來越重要的作用。連續(xù)觀測(cè)的高頻GNSS接收機(jī),結(jié)合高速通訊傳輸和高效率的GNSS數(shù)據(jù)處理軟件,使得高頻GNSS接收機(jī)已逐漸成為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)的一種手段?，F(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)外的一些GNSS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)進(jìn)行了更新和升級(jí),1 Hz實(shí)時(shí)GNSS定位精度可達(dá)亞厘米級(jí)[1]。實(shí)現(xiàn)利用高頻GNSS數(shù)據(jù)提取地震波信號(hào)能夠拓展地震波獲取方法并深入研究地震。與此同時(shí),國(guó)內(nèi)外研制出了很多優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理軟件,包括GAMIT、BERNESE、GIPSY、PANDA軟件等。利用GAMIT軟件的TRACK模塊能夠解算出GNSS測(cè)站記錄到的地震動(dòng)態(tài)位移和靜態(tài)位移特征[2]。本文采用GAMIT軟件的TRACK模塊處理1 Hz GNSS數(shù)據(jù)。

1 GAMIT軟件簡(jiǎn)介

GAMIT是GNSS數(shù)據(jù)后處理與分析軟件,TRACK是GAMIT的一個(gè)動(dòng)態(tài)定位模塊,其定位結(jié)果可得到測(cè)站每個(gè)歷元的三維坐標(biāo)差及單位權(quán)中誤差,獲得移動(dòng)測(cè)站的運(yùn)動(dòng)軌跡。在使用GAMIT軟件進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)處理前,需將GNSS接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)整理成符合需要的文件格式。GAMIT可以對(duì)大型而復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用GAMIT解算軟件進(jìn)行精密定位計(jì)算,可以獲取高頻GNSS地震位移信息。通過TRACK軟件,可獲得高精度的動(dòng)態(tài)定位結(jié)果。

2 震時(shí)高頻GNSS數(shù)據(jù)解算與分析

2.1 高頻GNSS數(shù)據(jù)解算準(zhǔn)備

選取2011年3月11日(年積日070)日本9.0級(jí)地震前后日本境內(nèi)及周邊IGS基準(zhǔn)站的高頻GNSS數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象,利用TRACK解算高頻GNSS數(shù)據(jù),用長(zhǎng)基線雙差精密定位技術(shù),獲取2011年3月11日日本9.0級(jí)地震近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)GNSS連續(xù)參考站的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)位移。

實(shí)驗(yàn)所用到的觀測(cè)站包括MIZU,USUD,SHAO,PETS,PIMO等站,站點(diǎn)具體信息[3]如表1所示。最終需要的數(shù)據(jù)有MIZU,USUD,SHAO,PETS,PIMO等站上2011年3月11日5:15到6:45的觀測(cè)數(shù)據(jù),和GNSS周為1626的精密星歷數(shù)據(jù)。2011年3月11日的觀測(cè)數(shù)據(jù)是由法國(guó)巴黎的國(guó)家地理研究所(IGN)提供的。

TRACK利用一個(gè)后綴名為.cmd的命令控制文件來設(shè)置各項(xiàng)參數(shù),通過在該文件中添加一系列特定的命令來定義解算時(shí)的參數(shù)值[4]。它注釋著這組文件的特定說明,由人工生成。在解算時(shí),還需要觀測(cè)數(shù)據(jù)文件(.o文件)和衛(wèi)星精密星歷文件(.sp3文件)。

表1 觀測(cè)站信息列表

2.2 高頻數(shù)據(jù)解算與結(jié)果分析

用TRACK軟件解算高頻GNSS數(shù)據(jù)的命令為track-f track.cmd -d 070 -w 16265>! TRAK_070.out.-f后面為控制文件名,-d后面為年積日,-w后面為GNSS周,>!后面為輸出文件名。

運(yùn)行結(jié)果所得到的文件為:結(jié)果文件TRAK070.sum,它包含了從TRACK得出的主要質(zhì)量結(jié)果,其中包括運(yùn)行參數(shù)、偏差參數(shù)、處理狀態(tài)和相位殘差統(tǒng)計(jì)。各站點(diǎn)的位置估計(jì)文件TRAK070.NEU.mizu.LC;TRAK070.NEU.pets.LC;TRAK070.NEU.shao.LC;TRAK070.NEU.usud.LC和站點(diǎn)在各星歷的相位殘差數(shù)據(jù)文件。其中主要用到的文件是各站點(diǎn)的位置估計(jì)文件。

利用2011年3月11日5:15-6:45(UTC)的高頻GNSS數(shù)據(jù),以PETS站和SHAO站為基準(zhǔn)站,計(jì)算出USUD站和MIZU站的北東高三個(gè)方向的動(dòng)態(tài)位移時(shí)間序列，如圖1～圖4所示。從圖1和圖2可以看出,地震發(fā)生前這兩個(gè)站基本保持穩(wěn)定。USUD站在地震發(fā)生時(shí)三個(gè)方向均發(fā)生明顯位移:在東西方向上,地震發(fā)生時(shí)向東運(yùn)動(dòng);在南北方向上,地震發(fā)生時(shí)先向北運(yùn)動(dòng),再向南運(yùn)動(dòng),又向北運(yùn)動(dòng),最后南北方向上運(yùn)動(dòng)位移基本抵消;在上下方向上,震前先是平穩(wěn)的,震時(shí)先上后下,震后又趨于平穩(wěn)。從圖1可以看出此站地震持續(xù)時(shí)間近220 s.從圖3可以看出,USUD站在地震發(fā)生過程中呈現(xiàn)出圈形運(yùn)動(dòng)。MIZU站在地震發(fā)生時(shí)也有明顯位移:在東西方向上,地震發(fā)生時(shí)向東運(yùn)動(dòng)后又有小幅度反彈;在南北方向上,地震發(fā)生時(shí)向南運(yùn)動(dòng)后也有小幅度反彈;對(duì)于上下方向,震前先是平穩(wěn)的,震時(shí)先上后下,震后又趨于平穩(wěn)。從圖2可以看出地震持續(xù)近160 s.比較圖1、圖2可以看出MIZU站發(fā)震時(shí)刻相對(duì)更早,相對(duì)振幅更大。從圖3可以看出,USUD站總體表現(xiàn)為向東運(yùn)動(dòng)。從圖4可以看出,MIZU站總體為向東南方向運(yùn)動(dòng)。

圖1 地震時(shí)1 Hz GNSS站USUD N、E、U方向的動(dòng)態(tài)位移

圖2 地震時(shí)1 Hz GNSS站MIZU N、E、U方向的動(dòng)態(tài)位移

圖3 地震期間USUD站水平運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 地震期間MIZU站水平運(yùn)動(dòng)軌跡

3 基準(zhǔn)站選取原則的確定

IGS基準(zhǔn)站的選擇在高精度GNSS數(shù)據(jù)處理中至關(guān)重要,選擇適當(dāng)與否,對(duì)平差結(jié)果的影響是系統(tǒng)性的[5]。近年來IGS基準(zhǔn)站的選取是高精度GNSS數(shù)據(jù)處理中討論的熱點(diǎn)問題,但迄今為止,該問題仍然沒有得到完全解決。

3.1 IGS站選取的意義

作為基準(zhǔn)站,首先要保證自身的穩(wěn)定性,所以基準(zhǔn)站不應(yīng)該受到地震影響,要遠(yuǎn)離震中[6]。IGS基準(zhǔn)站選取的位置分布不同,將產(chǎn)生不同的平差結(jié)果?；鶞?zhǔn)站的選取除從幾何上考慮外,還應(yīng)有足夠的數(shù)量,以獲得所需的統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度[7],即基準(zhǔn)站的精度與所選IGS基準(zhǔn)站的位置和數(shù)目有關(guān)。

3.2 確定基準(zhǔn)站選取原則的方案設(shè)計(jì)

通過實(shí)例選取不同位置、不同數(shù)量的IGS基準(zhǔn)站。利用TRACK軟件解算2011年3月11日高頻GNSS數(shù)據(jù),并結(jié)合理論分析得出確定基準(zhǔn)站選取原則,方案設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 確定基準(zhǔn)站選取原則的方案設(shè)計(jì)

3.3 基準(zhǔn)站選取原則的確定

六種方案的監(jiān)測(cè)站均用到USUD站,對(duì)六種方案USUD站的解算結(jié)果進(jìn)行精度對(duì)比,如圖5所示,為了圖像的可讀性,僅取部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行作圖),可以發(fā)現(xiàn)解算精度和精度的穩(wěn)定程度由高到低依次為:方案五、方案三、方案一、方案四、方案三、方案六。除了方案六精度較差,其余方案精度基本達(dá)到亞厘米級(jí)。

圖5 六種方案精度對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)方案五的RMS值基本穩(wěn)定在5 mm左右,且RMS的上下波動(dòng)較小。方案五的解算結(jié)果是很理想的。其解算的RMS值和RMS的穩(wěn)定度均比其他幾種方案解算的好,說明用兩個(gè)基準(zhǔn)站解算的效果要優(yōu)于單個(gè)基準(zhǔn)站解算。和方案五相比,方案六的基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站的個(gè)數(shù)均相同,唯一不同的是方案五中的一個(gè)基準(zhǔn)站PIMO在方案六中變換為SHAO。方案六解算結(jié)果的精度卻出現(xiàn)明顯的較大幅度的波動(dòng)且RMS高達(dá)6 cm.方案六中PETS站和SHAO站基本位于以震源為中心2 000 km為半徑的圓上,而且PETS站、震源和SHAO站這三點(diǎn)基本位于一條直線上,推測(cè)這是其解算精度比較差的主要原因。方案一、方案二和方案四進(jìn)行比較,其基準(zhǔn)站均為PETS.方案二在方案一的基礎(chǔ)上加入監(jiān)測(cè)站MIZU,方案四在方案二的基礎(chǔ)上加入監(jiān)測(cè)站SHAO.方案一和方案二的精度均較好,沒有明顯差異。在方案四中,以PETS為基準(zhǔn)站解算USUD站、MIZU站和SHAO站,發(fā)現(xiàn)添加SHAO站之后解算的RMS值有所增加。出現(xiàn)這種現(xiàn)象,推測(cè)與PETS站和SHAO站之間的距離較長(zhǎng)有關(guān)。所以,在解算過程中盡量不要選擇過長(zhǎng)的基線進(jìn)行解算。結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)分析,可以得出基準(zhǔn)站選取的原則為：

1) 利用TRACK進(jìn)行數(shù)據(jù)解算過程中,可以選擇兩個(gè)基準(zhǔn)站,這樣可以在一定程度上提高定位精度;

2) 兩個(gè)基準(zhǔn)站和觀測(cè)站不要在一條直線上,而應(yīng)盡量構(gòu)成正三角形;

3) 基準(zhǔn)站要遠(yuǎn)離震中,但基線長(zhǎng)度也不要過長(zhǎng)。

4 高頻GNSS位移信號(hào)噪聲處理

經(jīng)過TRACK軟件處理的結(jié)果還存在一定的誤差。為進(jìn)一步提高 GNSS 動(dòng)態(tài)時(shí)序的精度,獲得更優(yōu)的定位結(jié)果,需要削弱定位結(jié)果中殘留的誤差[8]。

4.1 恒星日濾波法簡(jiǎn)介

GNSS衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面上,設(shè)計(jì)的衛(wèi)星運(yùn)行周期為半個(gè)恒星日,約11小時(shí)58分,運(yùn)行2周的時(shí)間為一個(gè)恒星日(23 h 56 m 4 s)。在一個(gè)恒星日內(nèi),GNSS衛(wèi)星軌道運(yùn)行2周,地球自轉(zhuǎn)一周,衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)與前一個(gè)恒星日恰好相同。利用衛(wèi)星軌道的恒星日重復(fù)性,可以降低由衛(wèi)星軌道以及接收機(jī)環(huán)境引起的誤差[9]。恒星日濾波法就是利用誤差的恒星日重復(fù)性,通過濾波技術(shù)來降低與測(cè)站環(huán)境有關(guān)的周期性誤差影響。

4.2 恒星日濾波原理

恒星日濾波利用了多路徑效應(yīng)和其他一些誤差周期性的特點(diǎn)來消除或削弱對(duì)定位精度的影響。恒星日濾波的計(jì)算步驟為

1) 獲取恒星日濾波的周期;

2) 對(duì)前兩天(年積日068,069兩天)1 Hz GNSS數(shù)據(jù)用TRACK軟件進(jìn)行處理;

3) 對(duì)前兩天的結(jié)果進(jìn)行噪聲計(jì)算,并取其平均值;

4) 將前兩天的誤差改正到當(dāng)天(年積日070)的處理結(jié)果上。

4.3 恒星日濾波處理結(jié)果

運(yùn)行恒星日濾波程序,對(duì)監(jiān)測(cè)站USUD站和MIZU站的N、E、U三個(gè)方向均做了濾波處理。對(duì)濾波前后兩個(gè)站U方向進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到圖6，圖7所示結(jié)果。

圖6 地震時(shí)1 Hz GNSS站USUD U方向的動(dòng)態(tài)位移

圖7 地震時(shí)1 Hz GNSS站MIZU U方向的動(dòng)態(tài)位移

采用恒星日濾波方法對(duì)USUD、MIZU站N、E、U三個(gè)方向的動(dòng)態(tài)時(shí)序分別進(jìn)行濾波處理,結(jié)果表明,地震引起的GNSS站USUD、MIZU站N、E、U三個(gè)方向的動(dòng)態(tài)位移普遍變得更穩(wěn)定,尤其是在U方向這種穩(wěn)定性更為明顯。取地震前數(shù)據(jù)分別計(jì)算濾波前后的均方根誤差(RMS),其中USUD站南北向動(dòng)態(tài)時(shí)序離散度RMS由0.26 cm降低至0.25 cm,USUD站東西向RMS由0.15 cm變?yōu)?.26 cm,USUD站上下向RMS由0.94 cm降低至0.79 cm;MIZU站南北向RMS由0.69 cm降低至0.28 cm,MIZU站東西向RMS由0.32 cm降低至0.25 cm,MIZU站上下向RMS由1.04

cm降低至0.62 cm.濾波前各站的三個(gè)方向的RMS值比較散亂,而濾波后,U方向RMS值基本為N、E方向RMS值的二倍,這與GNSS的精度也很吻合。這說明恒星日濾波法可以削弱定位結(jié)果中殘留的誤差,有效地降低噪聲,進(jìn)一步提高GNSS動(dòng)態(tài)時(shí)序的精度,獲得更優(yōu)的定位結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要討論了用TRACK軟件解算高頻GNSS數(shù)據(jù)時(shí),基準(zhǔn)站選取原則的確定,對(duì)解算數(shù)據(jù)用恒星日濾波法去噪等內(nèi)容,并且實(shí)際處理了USUD、MIZU站高頻GNSS數(shù)據(jù),獲取這兩個(gè)站在日本9.0級(jí)地震時(shí)的高精度位移時(shí)間序列,實(shí)現(xiàn)了利用高頻GNSS數(shù)據(jù)提取地震波信號(hào)。這對(duì)于拓展地震波獲取方法以及更深入研究地震具有重要意義。

但是在高頻GNSS數(shù)據(jù)解算結(jié)果精度的進(jìn)一步提高方面,尚待深入研究。如:引入S-變換去噪方法作后續(xù)處理,可能進(jìn)一步提高最終解算結(jié)果的精度。

[1] 殷海濤,劉希強(qiáng),甘衛(wèi)軍.實(shí)時(shí)高頻GPS在地震學(xué)中的應(yīng)用研究[J]. 地震研究. 2013,36(3):330-337.

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The Method Study About Extracting the Seismic Wave Signal with High Frequency GNSS Date

LI Xinxing,LIN Jian,CHEN Zhengsong

(InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration,Wuhan430071,China)

In this paper, how to realize the use of high frequency GNSS data to extract the seismic wave signal is discussed. We choose the high frequency GNSS data about the IGS reference stations before and after the Tohoku-oki M9.0 earthquake on Mar.11,2011 in Japan and its surrounding as the research object. First of all, we need to use the GNSS observation data with TRACK software to get the corresponding displacement time series. Then deal with the noise of the displacement time series with sidereal filtering algorithm, then we will get the displacement signal, which is a meaningful supplement for deformation monitoring. Using the high frequency GNSS data to extract the seismic wave signal will expand the seismic acquisition method and further research in earthquake and it will be of great significance.

High-efficiency GNSS; TRACK; sidereal filtering; seismic wave

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.015

2016-05-31

P228.4

A

1008-9268(2016)05-0075-05

李新星 (1988-),男,碩士生,研究方向?yàn)镚NSS技術(shù)與應(yīng)用。

林劍 (1975-)，男，博士，副研究員，研究方向?yàn)镚NSS數(shù)據(jù)處理，GNSS電離層觀測(cè)技術(shù)及其在地震中的應(yīng)用。

陳正松 (1983-)，男，碩士，主要研究方向?yàn)镚PS在地表變形中的應(yīng)用。

聯(lián)系人： 李新星 E-mail: lixinxing_wh@163.com