基于抗差估計(jì)的實(shí)時(shí)單站GPS同震速度獲取方法

魯洋為，王振杰

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

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基于抗差估計(jì)的實(shí)時(shí)單站GPS同震速度獲取方法

魯洋為，王振杰

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

基于實(shí)時(shí)單站GPS載波相位歷元差分測(cè)速模型，引入抗差最小二乘估計(jì)，并根據(jù)IGGⅢ方案選擇合適的等價(jià)權(quán)因子來削弱小周跳和粗差對(duì)結(jié)果的影響，并采用一組靜態(tài)數(shù)據(jù)和2011年日本“3.11”地震期間MIZU站的高頻數(shù)據(jù)對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，在含有小周跳和粗差的情況下，抗差最小二乘估計(jì)能夠明顯改善解算速度，可以實(shí)時(shí)獲取測(cè)站毫米級(jí)的同震速度。

同震速度；實(shí)時(shí)單站GPS歷元差分；抗差最小二乘估計(jì)；小周跳與粗差

采用GPS技術(shù)獲取高精度的同震速度是GPS地震學(xué)的研究熱點(diǎn)[1-5]。常用的GPS測(cè)速方法主要是基于相對(duì)定位和精密單點(diǎn)定位技術(shù)的位置差分法[6-7]。相對(duì)定位技術(shù)是利用差分方法獲取地震臺(tái)站間的基線向量來提取地表同震速度與位移[8]，該方法得到的是臺(tái)站與基準(zhǔn)站之間的相對(duì)速度與位移，因此解算結(jié)果與基準(zhǔn)站密切相關(guān)。在地震時(shí)刻，基準(zhǔn)站受到地震的影響是難免的，即使基準(zhǔn)站距離震中足夠遠(yuǎn)，長(zhǎng)距離高實(shí)時(shí)相對(duì)定位中模糊度解算也是一大難題，難以達(dá)到較高的精度[9]。精密單點(diǎn)定位技術(shù)需要精密星歷與鐘差產(chǎn)品，不能保證實(shí)時(shí)性，而目前的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)尚未成熟[10]。由于上述方法的不足，許多學(xué)者提出采用原始多普勒觀測(cè)值或載波相位變率確定測(cè)站速度[9-12]。Colosimo等提出采用載波相位歷元差分結(jié)合廣播星歷的方法，實(shí)時(shí)估計(jì)歷元間的測(cè)站位移，對(duì)位移量去噪積分，又可以得到測(cè)站總位移[3]，對(duì)于1Hz數(shù)據(jù)，歷元間位移即為速度值。該方法基于單站GPS能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)站實(shí)時(shí)同震速度與位移的估計(jì)，但在參數(shù)估計(jì)時(shí)，采用經(jīng)典最小二乘法，對(duì)小周跳和粗差的抵抗能力差。為此，劉騰等提出基于擬準(zhǔn)檢定的改進(jìn)算法[4]，能夠較好的定位和估計(jì)小周跳和粗差，但該算法運(yùn)算復(fù)雜，計(jì)算量大。本文基于歷元差分測(cè)速模型，引入抗差最小二乘估計(jì)，使用IGGⅢ方案[13-14]選擇合適的等價(jià)權(quán)因子，對(duì)含有小周跳和粗差的觀測(cè)值進(jìn)行降權(quán)，削弱小周跳和粗差對(duì)結(jié)果的影響，并通過算例說明算法的有效性。

1　單站GPS歷元差分測(cè)速模型

載波相位觀測(cè)方程為

(1)

對(duì)相鄰歷元載波相位觀測(cè)值作差分，顧及電離層的影響，采用消電離層組合，可得消電離層組合的歷元差分觀測(cè)方程為

(2)

對(duì)式(2)線性化后可得

(3)

2　抗差最小二乘估計(jì)

針對(duì)單站實(shí)時(shí)GPS歷元差分測(cè)速模型中的小周跳和粗差，采用抗差最小二乘估計(jì)的方法，基于權(quán)函數(shù)對(duì)異常觀測(cè)值進(jìn)行處理。設(shè)有下列觀測(cè)方程

(4)

式中:L為觀測(cè)向量，這里是歷元差分觀測(cè)值;A為設(shè)計(jì)矩陣;x為待估參數(shù);Δ為觀測(cè)噪聲。則式(4)的抗差最小二乘解為

(5)

從式(5)可以看出，抗差最小二乘估計(jì)與傳統(tǒng)最小二乘估計(jì)的區(qū)別在于先驗(yàn)權(quán)矩陣被等價(jià)權(quán)矩陣所代替，使其具有抵抗粗差的能力。在大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中常用的等價(jià)權(quán)函數(shù)有Huber函數(shù)、Hampel函數(shù)、Tukey函數(shù)、Andrews函數(shù)、丹麥權(quán)函數(shù)以及IGG方案權(quán)函數(shù)等。研究表明，IGG方案具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此本文采用IGGⅢ方案選取等價(jià)權(quán)矩陣[13]，其等價(jià)權(quán)選擇準(zhǔn)則為

(6)

3　算例分析

3.1靜態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)速精度分析

選取一段13min的GPS靜態(tài)雙頻數(shù)據(jù)，采樣間隔為1s，對(duì)文中的算法進(jìn)行測(cè)試。由于測(cè)站處于靜態(tài)，故速度真值取零。首先采用經(jīng)典最小二乘估計(jì)單歷元解算測(cè)站速度，結(jié)果如圖1所示，可以看出，測(cè)站在x,y,z 3個(gè)方向都在2cm/s以內(nèi)，沒有出現(xiàn)異常值，其RMS都在3～4mm/s，因此認(rèn)為該觀測(cè)數(shù)據(jù)沒有小周跳和粗差。為測(cè)試算法抵抗小周跳和粗差的能力，在原始數(shù)據(jù)中L1頻段上人為的添加一些小周跳和粗差，具體情況見表1。

表1　加入的周跳和粗差

分別采用經(jīng)典最小二乘估計(jì)和抗差最小二乘估計(jì)單歷元解算測(cè)站速度，結(jié)果分別如圖2、圖3所示?？梢钥闯?，加入粗差后，采用經(jīng)典最小二乘估計(jì)時(shí)，x,y,z 3個(gè)方向的速度值都在加入粗差的地方出現(xiàn)異常值，最大異常值達(dá)到4cm/s，其RMS都明顯的增大，y,z方向分別增大到10.4mm/s,12.8mm/s；當(dāng)采用抗差最小二乘估計(jì)時(shí)，明顯改善速度的估計(jì)效果，單歷元解算沒有出現(xiàn)異常值，估計(jì)結(jié)果的RMS值分別為4.0mm/s,4.2mm/s,4.2mm/s，與加入小周跳和粗差之前相差都在1.0mm/s左右，與經(jīng)典最小二乘估計(jì)方法相比，x方向提高0.4mm/s，y,z方向精度分別提高到原來的2.5和3.1倍，這說明文中提出的算法能夠很好地抵抗小周跳和粗差對(duì)測(cè)速結(jié)果的影響，如表2所示。

圖1　不含周跳和粗差時(shí)LS解算結(jié)果

圖2　加入小周跳和粗差時(shí)LS解算結(jié)果

圖3　加入小周跳和粗差時(shí)RLS解算結(jié)果

表2　靜態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)速精度分析mm/s

3.2基于抗差最小二乘估計(jì)的GPS同震速度獲取

選取2011年日本“3.11”地震期間MIZU站5:45:00～5:59:59時(shí)間間隔內(nèi)，1HzGPS雙頻數(shù)據(jù)提取測(cè)站同震速度，與靜態(tài)數(shù)據(jù)處理方式相同，人為的加入小周跳和粗差，具體情況如表3所示，由文獻(xiàn)[5]可知，這些小周跳和粗差很難被探測(cè)出來。

表3　加入小周跳和粗差

首先采用經(jīng)典最小二乘估計(jì)，對(duì)未加入小周跳和粗差前的GPS數(shù)據(jù)提取同震速度，解算結(jié)果如圖4所示，可以看出，在沒有小周跳和粗差的條件下，解算的測(cè)站同震速度比較平滑，與其他學(xué)者解算的結(jié)果很好的相符[1,5]。

在按表3加入小周跳和粗差后，分別采用經(jīng)典最小二乘估計(jì)和抗差最小二乘估計(jì)提取測(cè)站的同震速度結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出，當(dāng)加入小周跳和粗差后，若仍采用經(jīng)典最小二乘估計(jì)提取地表同震速度，則會(huì)在加入小周跳和粗差的時(shí)刻出現(xiàn)異常值，如在x方向，在15，16，75，76，790歷元處均出現(xiàn)跳躍，并且在15，16歷元處達(dá)到15cm/s，而在未加入小周跳和粗差時(shí)，在這些歷元處均未出現(xiàn)異常值，同時(shí)在y,z方向某些歷元處也均出現(xiàn)異常值。當(dāng)采用抗差最小二乘估計(jì)時(shí)，其估計(jì)結(jié)果如圖6所示，由圖可以看出，估計(jì)結(jié)果比較平滑，在圖5中出現(xiàn)異常值的歷元處并未出現(xiàn)異常，其結(jié)果與未加入小周跳和粗差時(shí)最小二乘估計(jì)的結(jié)果接近。

圖4　未加入小周跳和粗差時(shí)LS解算結(jié)果

圖5　加入小周跳和粗差時(shí)LS解算結(jié)果

圖6　加入小周跳和粗差時(shí)RLS解算結(jié)果

將未加入小周跳和粗差時(shí)經(jīng)典最小二乘估計(jì)的結(jié)果與加入小周跳和粗差時(shí)抗差最小二乘估計(jì)的結(jié)果比較，統(tǒng)計(jì)其RMS值見表4，速度在x,y,z 3個(gè)方向的RMS分別為2.2mm/s,2.3mm/s,2.8mm/s，說明抗差最小二乘估計(jì)能夠很好的抵抗小周跳和粗差，在含有小周跳和粗差的情況下，仍能夠獲得與“干凈”數(shù)據(jù)時(shí)經(jīng)典最小二乘估計(jì)估計(jì)相當(dāng)精度的測(cè)站同震速度。

表4　抗差最小二乘估計(jì)RMS統(tǒng)計(jì)　mm/s

4　結(jié)　論

本文將抗差估計(jì)引入到歷元差分測(cè)速模型中，通過IGGⅢ方案選擇合適的等價(jià)權(quán)因子來削弱小周跳和粗差的影響，實(shí)時(shí)獲取高精度地表同震速度。通過算例分析表明：歷元差分測(cè)速模型對(duì)小周跳和粗差很敏感，當(dāng)存在小周跳和粗差時(shí)，經(jīng)典最小二乘獲取的地表同震速度的精度明顯降低，其量級(jí)由毫米級(jí)降至厘米級(jí)；抗差最小二乘估計(jì)通過降低含有小周跳和粗差觀測(cè)值的權(quán)因子，有效削弱小周跳和粗差對(duì)結(jié)果的影響，達(dá)到與不含小周跳和粗差條件下精度相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，實(shí)現(xiàn)單站實(shí)時(shí)毫米級(jí)同震速度的提取，是對(duì)常規(guī)地震觀測(cè)技術(shù)的一種很好的補(bǔ)充。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Extracting real-time coseimic velocity with a stand-alone GPSreceiver based on robust estimation

LU Yangwei , WANG Zhenjie

(School of Geosciences, China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Based on the model of real-time epoch-differential coseimic velocity extraction,the robust least square estimation is introduced and the IGGⅢ principle is employed to choose the equivalent weight to lower the effect of the cycle slips and gross errors.The algorithm is tested with static GPS data and the high-rate GPS data during “March 11th” earthquake in 2011 in Japan.The result shows that robust least square estimation can improve the accuracy greatly and the accuracy magnitude of coseimic velocitys can keep on mm/ s after RLS estimation .

coseimic velocity;real-time epoch-difference; robust least square estimation;cycle slips and gross errors

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.12.010

2015-07-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41374008)

魯洋為(1990-)，男，碩士研究生.

P228

A

1006-7949(2016)12-0049-06