GpsTools在高采樣率GPS地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

摘 要：介紹了精密定位定軌軟件GpsTools，用其對(duì)2010年4月4日墨西哥Baja California地震時(shí)的高采樣率GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了非差精密單點(diǎn)定位解算，得到了一些有益的結(jié)論。

1 引言

高采樣率GPS動(dòng)態(tài)精密定位技術(shù)能夠獲得GPS測(cè)站的三維地表形變信息，是地球動(dòng)力學(xué)及地震監(jiān)測(cè)研究的重要技術(shù)手段，目前已逐步發(fā)展成了一門新興學(xué)科---GPS地震學(xué)。1994年，Hirahara最早提出了“GPS地震儀”的概念，并進(jìn)行了1Hz采樣的GPS接收機(jī)振動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)[1]；隨后，國內(nèi)外眾多學(xué)者分別用Bernese、GIPSY等軟件對(duì)震時(shí)實(shí)測(cè)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行了解算研究，取得了豐碩的研究成果[2、3]。本文利用GpsTools軟件對(duì)2010年4月4日墨西哥Baja California地震時(shí)的高采樣率GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，成功獲得了測(cè)站形變和地震信號(hào)。

2 GpsTools軟件簡(jiǎn)介

GpsTools是日本東京海洋大學(xué)的Tomoji Takasu教授開發(fā)的開源GPS精密定位定軌軟件（http：//gpspp.sakura.ne.jp/gpstools/gt_release.htm）。該軟件的用戶界面和流程控制程序是利用Matlab語言編寫，而核心函數(shù)采用C語言編寫（編譯成mex文件用于提高計(jì)算效率）。GpsTools的最新版本是0.6.4版，目前僅支持GPS衛(wèi)星系統(tǒng)。該軟件具有動(dòng)態(tài)+靜態(tài)模式和單差+雙差模式，支持多種GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)格式和精密星歷及衛(wèi)星鐘差改正文件格式，具有強(qiáng)大的GPS精密定位定軌功能。該軟件易學(xué)易用、全球已有幾萬個(gè)用戶下載并學(xué)習(xí)GpsTools。該軟件的功能界面及數(shù)據(jù)處理流程如下圖1所示。

3 GpsTools定位定軌數(shù)據(jù)處理

GpsTools定位定軌數(shù)據(jù)處理采用的是非差精密單點(diǎn)定位（PPP）模式，其數(shù)據(jù)處理流程如圖為：首先讀取GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和精密星歷/衛(wèi)星鐘差改正數(shù)據(jù)；隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理（包括鐘跳探測(cè)/修復(fù)、周跳探測(cè)/修復(fù)、相位平滑、點(diǎn)定位）以得到干凈的觀測(cè)數(shù)據(jù)；最后建立觀測(cè)方程并利用擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）算法進(jìn)行參數(shù)解算，可解算接收機(jī)的位置/速度/鐘差、對(duì)流層延遲、相位模糊度參數(shù)等參數(shù)。使用無電離層影響的線性組合觀測(cè)值，GpsTools的PPP數(shù)據(jù)處理模型可寫為（如圖）：

式中，x為參數(shù)向量，包括接收機(jī)位置/速度/鐘差、對(duì)流層天頂延遲、相位模糊度等；y為觀測(cè)值向量，包括無電離層影響的線性組合載波相位觀測(cè)值和無電離層影響的線性組合精碼偽距觀測(cè)值。

4 GPS地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）時(shí)間2010年4月4日22時(shí)40分，墨西哥Baja California地區(qū)發(fā)生了里氏7.2級(jí)地震，震中位置32.259N，115.287W，附近的GPS地震監(jiān)測(cè)站P494、P496、P497、P744可提供5Hz采樣的GPS數(shù)據(jù)。我們使用歐洲定軌中心（CODE）發(fā)布的GPS精密星歷文件及5秒間隔的GPS衛(wèi)星鐘差改正文件，基于傳統(tǒng)PPP模式，用GpsTools對(duì)上述測(cè)站進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，得到了這幾個(gè)測(cè)站的坐標(biāo)序列如下圖2所示。

由上圖2可見，利用GpsTools軟件對(duì)震時(shí)高采樣GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行PPP解算，可以高精度地獲得測(cè)站地表形變和地震波信號(hào)，這些信息的獲取無疑為震源分析、地層破裂分析、地震波傳播分析提供重要資料。

5 結(jié)論和建議

本文利用GpsTools軟件，基于傳統(tǒng)PPP模式，成功獲得了墨西哥Baja California地震時(shí)的高采樣率GPS測(cè)站的地表位移；GpsTools軟件功能強(qiáng)大、易學(xué)易用、必將成為GPS地震學(xué)研究的重要軟件工具；此外，GpsTools具有鮮明的開源特性，易于功能擴(kuò)展，有條件的單位或個(gè)人可以對(duì)其擴(kuò)展，如增加對(duì)GLONASS、Galileo、Beidou等衛(wèi)星系統(tǒng)的支持等。

參考文獻(xiàn)

[1] Hirahara，K. et al.An experiment for GPS strain seismometer. Japanese Symposium on GPS.1994

[2]方榮新，施闖，陳克杰，等. GPS地震儀：PANDA軟件測(cè)試結(jié)果與驗(yàn)證[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)-信息科學(xué)版.2011，Vol.35（4）：453-456

[3] 吳繼忠. 基于GPS觀測(cè)的BajaCalifornia地震地殼變形分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)-信息科學(xué)版.2011，Vol.36（4）：437-441.

作者簡(jiǎn)介

陳憲冬（1972-），男，山東冠縣人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事GPS、GIS方面的教學(xué)科研工作。

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目：高采樣率GPS動(dòng)態(tài)精密定位技術(shù)在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究（2010JK671）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)（41304013）。