GNSS接收機(jī)載波相位跟蹤環(huán)路對地震監(jiān)測性能的研究

繆杰 田鳳東 莒縣陵陽地震臺

GNSS接收機(jī)載波相位跟蹤環(huán)路對地震監(jiān)測性能的研究

繆杰 田鳳東 莒縣陵陽地震臺

本文對早期地震監(jiān)測系統(tǒng)中GNSS載波相位跟蹤環(huán)路的性能進(jìn)行了研究。利用硬件模擬器對地震進(jìn)行了模擬，得到了位置、速度和加速度位移以再現(xiàn)地震。使用軟件定義的接收器，對多種帶寬和頻率的地震波進(jìn)行了測試。利用鎖相指示器，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)跟蹤環(huán)并測試以最大限度地提高該應(yīng)用程序的性能。

GNSS 地震監(jiān)測 接收機(jī)

1 背景

對使用GNSS接收機(jī)集成的地震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的研究已經(jīng)超過了10年。但是過去的研究僅限于硬件接收器，關(guān)于接收機(jī)性能的研究很少。本文的使用了自定義的軟件對接收機(jī)與接收機(jī)設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行分析。具體來說就是利用載波跟蹤鎖定環(huán)以衡量并有提高性能。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)可以直接測量位置、位移和速度，而常規(guī)地震儀則需要結(jié)合加速度來獲得位置和速度。這種能力使全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在大地震預(yù)警階段能夠提供快速地面形變估算。這可以大量減少獲取大地震的震級估計(jì)信息的時(shí)間延遲。GNSS接收機(jī)噪聲帶寬與時(shí)間相關(guān)性都受限于硬件的發(fā)展應(yīng)用，這主要是固定帶寬和動態(tài)跟蹤模擬方法。

本研究的目的是說明如何通過跟蹤環(huán)路參數(shù)影響接收機(jī)的性能。軟件定義接收器允許對跟蹤環(huán)進(jìn)行簡單的參數(shù)修改。此外，允許使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)模擬器模擬的速度、加速度和位移。

2 接收機(jī)的設(shè)計(jì)背景

在接收器可以對位置，速度和時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的解決方案。系統(tǒng)必須首先生成與衛(wèi)星輸入信號相匹配的本地信號。這是在兩個(gè)階段，即采集定位與跟蹤。由于兩者之間的相對運(yùn)動，廣播頻率和接收機(jī)所觀察到的頻率，稱為多普勒頻移或多普勒頻率。那也是由于接收器和衛(wèi)星時(shí)鐘引起的時(shí)間偏移不同步。第一個(gè)階段就是粗略估計(jì)多普勒頻移和定時(shí)偏移。為了獲得早期所需的高精度，地震預(yù)警與監(jiān)測測試必須使用載波跟蹤環(huán)。載波跟蹤環(huán)通常由鑒別器定義跟蹤帶寬積分時(shí)間。這三個(gè)功能確定該接收機(jī)的載波跟蹤環(huán)路的特性，即相位抖動與最大動態(tài)視線，而地震具有更寬的跟蹤帶寬和更短的接口。

3 方法

地震模擬是為了測試跟蹤在高震級事件之前和期間的接收器回路性能。最終選取了使用100赫茲的實(shí)際加速度數(shù)據(jù)。此事件被選定為是因?yàn)楦呒铀俣冉?jīng)歷并提供了接收器可能存在的上、下限。給定動態(tài)應(yīng)力下的正弦運(yùn)動跟蹤帶寬PLI可以表明成功的跟蹤，稱作為假鎖。假設(shè)當(dāng)PLI開始減少運(yùn)動經(jīng)歷的跟蹤帶寬開始增加，積分時(shí)間變短。加速度數(shù)據(jù)一次集成得到速度的變化，并重新整合獲得位置。這種集成是使用該軟件完成的，軟件可以糾正積分偏置和消除由積分引起的漂移。模擬器的使用允許多個(gè)信號在完全相同的條件下去除設(shè)置之間可能存在的偏差。為了評估跟蹤環(huán)路性能，跟蹤參數(shù)必須是可選擇的。但是硬件接收機(jī)制造商通常不允許這么做，也不會透露跟蹤參數(shù)。為此，在本研究中接收機(jī)用作該目的的參考接收機(jī)。參考接收機(jī)之間的距離模擬地震的地點(diǎn)是選定為15公里。在模擬中沒有大氣誤差，衛(wèi)星軌道誤差或多徑效應(yīng)。這樣做是接收機(jī)噪聲和動應(yīng)力是唯一的誤差，電離層延遲不但是電離層閃爍信號的跟蹤問題，而且對載波跟蹤性能有影響。但是電離層在地震持續(xù)期間保持不變，所以影響微不足道。微分方法減輕大多數(shù)大氣和衛(wèi)星軌道錯(cuò)誤。能夠跟蹤多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)和多個(gè)頻率。

4 結(jié)果和分析

前面討論了窄帶寬和長的積分時(shí)間是地震探測的理想時(shí)間。地震的開始。使用gnsrx軟件對積分時(shí)間1,5和10ms，跟蹤帶寬為5、10、15、20、30、40、50赫茲的信號進(jìn)行了測試。因?yàn)閿?shù)據(jù)速率是設(shè)置為100赫茲，最大積分時(shí)間為10。這需要盡可能高的精度。一旦地震被發(fā)現(xiàn)，主要接收機(jī)的目標(biāo)是記錄引起的運(yùn)動。地震均方根和最大位移錯(cuò)誤應(yīng)盡量減少，以創(chuàng)造最高運(yùn)動精度和可靠性記錄。這些結(jié)果提供了更多效果跟蹤帶寬的可視化表示在動態(tài)應(yīng)力期間。所提出的自適應(yīng)跟蹤環(huán)路能夠最大限度地減少最大誤差。還提供低的均方根誤差峰值加速度在歸一化時(shí)期。自適應(yīng)跟蹤環(huán)15赫茲的固定帶寬是可比較的。PRI數(shù)據(jù)集之間相似性的原因是由于接收信號的信號強(qiáng)度。所有被跟蹤的衛(wèi)星都具有高信號強(qiáng)度。

5 總結(jié)

本文對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)載波跟蹤環(huán)路的性能應(yīng)用進(jìn)行了評價(jià)。使用gsnrx軟件來測試接收機(jī)，跟蹤帶寬為5、10、15、20、30、40、50赫茲，積分時(shí)間為1,5ms，對10ms信號源進(jìn)行了測試。使用較長的積分時(shí)間和NAR行跟蹤帶寬對于減少接收機(jī)靜周期噪聲是效果最理想，更寬的帶寬和更短的跟蹤環(huán)可能需要集成時(shí)間。跟蹤帶寬的范圍在15到30赫茲之間，能夠最大程度的減少地震事件中最大誤差。設(shè)計(jì)了自適應(yīng)軟件并測試了跟蹤回路。相位鎖定指示器這種方法被證明可以克服高精度動態(tài)設(shè)計(jì)和耐壓力的要求。本文所提出的自適應(yīng)跟蹤環(huán)路能夠提供低噪聲水平從而在準(zhǔn)確可靠的情況下開始地震事件期間的運(yùn)動記錄。未來的工作主要包括改進(jìn)決策過程和閾值用于自適應(yīng)跟蹤環(huán)路工作。

[1]蔡華．GNSS大網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速解算方法應(yīng)用研充[D]．武漢大學(xué)，2010．

[2]方榮新．高采樣率GPS數(shù)據(jù)非差精密處理方法及其在地震學(xué)中的應(yīng)用研究［D］．武漢大學(xué)，2010．

[3]蘇小寧．高頻GPS單歷元定位方法及其在地震學(xué)中的應(yīng)用研究[D]．北京：中國地震局地震預(yù)測研究所