联合高频GNSS和强震仪观测获取同震位移

采用动态精密单点定位技术处理高频GNSS数据获取GNSS位移,利用空间叠加滤波法消除其共模误差的影响,基于Kalman滤波将高频GNSS位移和强震观测加速度融合,利用GNSS位移校正强震仪加速度的基线漂移,得到融合同震位移和速度,建立顾及基线偏差改正的高频GNSS和强震仪组合模型。以2016年意大利北部6.0级地震为例,探讨本文模型的有效性。实验结果表明,本文模型具有高精度、宽频带特点,能准确描述地震引起的永久阶跃和震时地表位移变化。

联合高频GNSS和强震数据快速反演四川泸定6.8级地震断层破裂特征

北京时间2022年9月5日12时52分,四川甘孜藏族自治州泸定县发生6.8级地震.利用震中附近1 Hz高频GNSS观测数据获取了同震速度和位移波形,并快速测定了泸定地震的震中和震级.实验结果表明:高频GNSS反演的震中与美国地质调查局(USGS)发布的震中相差32 km,与中国地震台网中心发布值相差16 km;高频GNSS反演的震级,与两个机构均仅差0.1个震级单位.针对地震预警、震后快速响应等时效性应用,提出了一种联合高频GNSS和强震数据的线源破裂特征快速反演方法.泸定地震实验结果表明:在震后20 s时可获得稳定的线源模型,破裂长度、方向和破裂模式值分别为33.3 km、151°和0.6,破裂方向与USGS震源机制解断层走向相差14°,反演的断层破裂模式为双侧破裂.提出的地震断层破裂特征快速反演方法可用于地震预警、震后灾害快速评估以及紧急响应,同时可为今后联合高频GNSS和强震数据快速测定地震破裂特征提供参考.

一种差分GNSS接收机的数据压缩传输及还原方法

兼具高精度和采样率等特性的差分GNSS接收机具有出色的性能,被广泛应用于动态高精度实时定位场景,但在数据存储和传输环节中,存在GNSS卫星观测数据量显著增加及无线传输速度限制导致的数据包丢失的问题。因此,本文设计了一种动态可变字节的数据实时压缩及还原算法,有效解决了数据传输过程丢包的问题。

高频GNSS实时地震学与地震预警研究现状

为实现从注重灾后救助向注重灾前预防转变,如何提高地震灾害监测预警和风险防范能力成为我们关注的重点.本文给出了国际上GNSS位移记录、强震动加速度记录、测震速度记录在地震预警中的应用现状,并总结了各自的特点,归纳出围绕高频GNSS地震学在震级与破裂过程实时反演中的几个需要进一步研究的关键问题:(1)引入北斗系统,基于高频GNSS(GPS/BDS)双系统的实时位移解算方法来提高实时单站位移解算精度,使实时解算精度达到厘米级;(2)开展强震仪加速度记录基线偏移校正研究,弥补地震近场GNSS站密度不足问题;(3)强震仪加速度记录与GNSS位移记录特点不同,开展强震仪加速度数据与GNSS位移数据实时融合处理研究,快速获得包含丰富地震形变和速率的波形数据;(4)测震学方法可快速估算震级,但是在强震发生时会出现震级饱和现象,造成震级估算偏低.需要开展基于GNSS位移时间序列的多种方法相结合的实时震级估算方法研究,通过与地震学方法比较和结合,来得到精度高、计算快的震级估值算法;(5)基于高频GNSS、断层初始模型快速选取、断层尺度、参数自适应调整是快速判断断层破裂方向的基础,在断层破裂过程自适应准实时反演算法方面需要进一步加强.通过国内外研究现状调研、分析,表明基于高频GNSS地震学的震级快速确定、震源破裂过程准实时反演算法的发展将对我国地震预警系统从“二网融合”到“三网融合”提供坚实的技术支撑.

高频GNSS形变波的震相识别：模拟实验与实例分析

高频GNSS震时形变波震相及识别是GNSS地震学的重要内容.在实时数据处理基础上,本文利用振动台的高频GNSS观测实验,并结合近期部分大震的高频GNSS形变波震相特征进行研究.数据处理结果表明,实时处理与事后处理的精度在同一量级,且与采样率无关.通过与同址观测强震仪和地震计记录的对比及特定震相的频谱分析,发现高频GNSS可完整记录P波、S波、Love波及Rayleigh波震相,影响震相记录的主要因素是GNSS定位精度与震级,而仅当震中距很小时,采样率将产生一定影响.研究结果得出:基于地震波传播规律,利用高频GNSS台阵记录的形变波空间分段特征,结合震相运动轨迹及其他地震波记录,可实现实时高频GNSS形变波的震相识别.

高频GNSS地震监测中频率混叠现象的仿真实验研究

利用振动台实验,通过设置多个采样频率监测仿真的正弦波形及天然地震波形,研究高频GNSS出现的频率混叠现象及其时频特征,并讨论合理的规避混叠现象的采样率设置方法。结果表明:混叠效应在时域和频域中均有所体现,混叠频率的幅度若高于GNSS的误差水平,其导致的失真将不能忽略;震级与震中距是导致混叠现象的主要因素,活动断裂的孕震能力与地震危险性及站点与断层面距离是决定高频GNSS监测站采样频率的重要依据。

国际高频GNSS数据共享时空分布分析

根据国际6个科研机构提供的高频GNSS数据,分析了观测数据的时频特征,并通过实例说明了高频GNSS共享数据在地震研究中的应用。

高频GNSS资料的强震震相识别与震中确定

利用2011日本东北Mw9.0地震和2008汶川Mw7.9地震若干台站的高频(1Hz)GNSS观测资料,通过精密单点定位方法解算出地震发生时的位移形变波形。对位移波形一阶差分得到震时高频GNSS速度时间序列,采用S变换谱的方法对该速度时序进行地震波到时的拾取,即震相识别。将地震波拾取结果用于震中位置和发震时刻反演,并与美国地质调查局USGS公布的资料对比。结果发现,两者日本地震震中位置相差约16km,发震时刻相差约0.7s;汶川地震震中相差约4km,发震时刻相差约0.4s。

联合InSAR和高频GNSS位移波形反演2022年青海门源M 6.9地震同震破裂过程

使用差分干涉测量和像素偏移追踪从Sentinel-1 SAR卫星影像中提取了2022年青海门源M 6.9地震视线向位移及近断层距离向偏移,通过单历元精密单点定位获取了16个GNSS测站高频位移波形.基于上述观测资料的同震破裂过程联合反演结果表明,该地震使两个走向分别为82°和112°的断层面发生破裂,为双侧不对称破裂事件,总破裂长度~26 km,滑动集中分布在0~5 km深度,最大滑动量为~4 m,总地震矩释放量为8.65×10^(18) Nm(对应矩震级为M_(W)6.56),在~10 s内全部释放.同震库仑应力变化结果表明,主震使两条发震断层在10 km深度处库仑应力增加,促进了该区域后续余震发生.滑动分布模型显示门源地震浅层滑动亏损较小,结合已有2014至2021年时序InSAR结果,推测在更长震间期内,与两条发震断层相近的冷龙岭断裂和托莱山断裂不存在明显的浅层蠕滑.

GNSS接收机测量强震地震波的精度分析

在分析强震地震波信号幅频特性的基础上,采用GNSS信号模拟器,设计具有强震地震波特点的正弦轨迹,从载波相位原始量测数据和定位结果两个层面分别评估两款GNSS接收机(Trimble Net-R9和NovAtel OEM628)高频(50Hz)观测的测量性能。结果表明,在地震波高频动态条件下,两款接收机的载波相位和定位结果都出现了明显误差,测量精度随正弦运动频率的增加而恶化,Trimble Net-R9接收机尤甚。

联合高频GNSS和强震仪获取同震位移的一种方式

地震灾害一直给人类带来巨大的伤害和损失,许多国家都开始研究建立地震预警系统。传统的地震监测仪器主要为地震仪,但其在大震、近震中的监测能力明显存在缺陷。实时高频GNSS可有效获得近场位移,为地震预警提供了一种新的技术手段。但高频噪声较大和采样率低的存在使其无法精确拾取P波到时。高频GNSS和强震仪联合使用,可发挥二者优势,获得更为准确的宽频带同震位移,基于此可确定地震预警基本要素。本文给出联合高频GNSS与地震仪获取同震位移原理及流程,并利用日本地震数据进行实现和分析。

高频GNSS信号去噪的小波和多方向主成分分析

针对传统主成分分析(PCA)忽视测站各坐标分量之间相关性的问题,提出了一种小波去噪和多方向主成分分析(WD-MPCA)组合的方法.该方法弥补了传统PCA的缺陷,与经验模态分解和主成分分析(EMD-PCA)组合方法及小波去噪和主成分分析(WD-PCA)组合方法相比,WD-MPCA组合方法精度最高.经WD-MPCA组合方法去噪后,其平均中误差分别为0.83 mm、0.85 mm和8.30 mm,比原始坐标残差时间序列的平均中误差分别降低了81.14%、81.91%和40.37%.WD-MPCA组合方法充分考虑了各测站不同分量之间的相关性,可以有效去除信号中的高频随机白噪声(WN)和低频有色噪声(CN),这对高频全球卫星导航系统(GNSS)技术的实际应用和理论发展具有重要的意义.

基于模拟高频GNSS数据的安宁河断裂强震滑动分布快速反演研究

为了探讨现有的高频全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)连续台站在强震潜能较高的安宁河断裂未来强震发生时震级快速预估、滑动分布快速反演的可靠性与时效性,利用以震间闭锁模型为约束的运动学数值模拟方法,合成1100个Mw 6.5~7.5地震事件或破裂情景,模拟得到带有随机噪声信号的高频GNSS位移波形,结合最速下降法进行分析与讨论。统计结果表明,利用现有的GNSS连续台站能够在8 s左右反演得到初始震级(Mw 6.2),并能够在较短时间内或破裂完成之前反演得到准确的震级结果与滑动分布结果。在中国地震科学实验场即将加密建设的GNSS连续台站,能够为区域内强震震级快速估计、滑动分布快速反演甚至断层破裂优势方向予以更加有效地刻画。研究结果证实了利用高频GNSS数据在安宁河断裂强震震级快速估计和有限断层滑动分布快速反演中的可行性和适用性,为该区域强震速报预警提供理论依据与技术支撑。

利用GNSS历元间差分测速方法反演地震三要素

利用高频全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)记录监测地震可有效弥补传统地震仪近场观测量程饱和、基线偏移等问题。相比于GNSS精密单点定位(precise point positioning,PPP),历元间差分测速方法可避免PPP收敛时间较长、需要外部改正数的问题,且测速方法获取的地震波形具有更高的信噪比。以2021年5月21日青海玛多MS 7.4地震为研究对象,提出利用载波相位历元间差分方法对该地区1 Hz高频GNSS数据进行处理,得到测站速度波形,并确定出玛多地震的震中位置、震级和发震时刻等参数。与中国地震局公布的结果比较,震中位置平均值相差约2.07 km;震级平均值相差约0.06个震级单位;发震时刻平均值相差4 s。结果表明,高频GNSS历元间差分测速方法反演地震三要素具有非常好的准确性与实用性。

基于PS-InSAR技术研究地面沉降对新建高铁的影响

为了研究区域地面沉降对新建高速铁路建设的影响,采用遥感PS-InSAR及GNSS观测技术对新建阜阳至蒙城至宿州(淮北)铁路阜阳段区域地面沉降特点进行分析与评价,研究阜阳段地面沉降现状对新建高速铁路的影响。搜集2017年7月至2020年10月阜阳地区哨兵-1号卫星SAR数据,总共106景,利用PS-InSAR技术对区域沉降SAR数据进行解译,并利用GNSS观测网络技术对解译数据进行验证,最终获取阜阳地区高铁里程沿线年沉降速率及差异特点,为新建阜淮铁路阜阳段沉降区内铁路的设计、施工、运营、监测提供科学依据。

基于S变换的高频全球导航卫星系统同震数据的震相识别研究

为研究高频全球导航卫星系统(GNSS)信号的P波和S波到时,本文利用2008年汶川MS8.0地震震时部分站点记录到的1 Hz高频GNSS数据,采用广义S变换将同震信号进行二维时频域平面分解,以此对P波和S波到时进行识别。本文通过调整广义S变换中的调节因子λa和p得出,当λa=1.05,p=1.05时,变换所得图像中的P波和S波到时均较为明显。结果表明,S变换在高频GNSS震相识别中效果明显,可作为GNSS地震学应用中一项有效的技术手段。

高频GNSS高楼结构振动动态监测试验

文章通过1HZ GNSS连续观测,设计了高楼结构振动动态监测试验方案:对连续多天观测数据进行了动态单历元解算;根据不同时段可视卫星的平均轨道周期,利用改进的恒星日滤波,减弱了多路径效应;在分析位移时间序列频谱的基础上,结合不同信号的时频特性,进行了高频滤波去噪;最后,成功提取了真实的高楼结构振动时间序列。研究结果表明,多天提取序列趋势一致,精度相当;每天位移时间序列变化较大的时段与地铁的运营时段相吻合;在有效消除多路径效应和随机噪声后,GNSS单历元监测高楼结构振动的精度为:水平方向±2mm,垂直方向±4mm。

北斗三号与超高频GNSS同震形变监测:以2021年青海玛多Mw 7.4地震为例

随着北斗三号完成全球组网以及硬件技术发展,地壳形变监测网络的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)接收机正朝着多系统、超高频(≥50 Hz)更新升级。基于陆态网络和中国青海省连续运行参考站的GNSS观测数据,获取2021年青海玛多Mw 7.4地震的同震位移波,并进行了震前精度统计和功率谱密度分析。结果表明,北斗三号在本次地震中的位移拾取精度比全球定位系统(global positioning system,GPS)更优;采样率提高到50 Hz对削弱位移时间序列混叠效应作用不显著,在10 Hz左右达到饱和;对50 Hz同震位移波差分获取到的速度和加速度序列噪声较大,难以利用。综合应用场景和成本考虑,GNSS地震监测的采样率最高设置在5~10 Hz即可。