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高频GNSS精密定位方法在地震要素反演中的应用

申靖宇  
【摘要】:每年全球范围内都会爆发成千上万次地震,其中强震对人类的影响具有毁灭性,如:汶川5·12大地震、日本3·11大地震等,它们都对人类社会产生巨大的破坏,因此地震学一直是科技工作者的研究热点。长期以来,GNSS技术一直被作为一种获取地壳形变信息的主要监测手段。近年来,随着GNSS技术的迅速发展和各国连续高频GNSS监测站的建立,其应用研究范围和程度不断加深,利用高频GNSS定位技术得到地震期间地壳瞬时形变信息获取GNSS位移信号,根据GNSS位移信号来获取地震波信号信息,然后进行地震相关要素的反演工作,已经成为GNSS地震学里的热门研究课题之一。传统获取地震地壳瞬时形变信息是通过地震仪来获取的,但其自身存在一定的局限性,而利用高频GNSS定位技术获取地震瞬时地壳形变信息有很多优势,如:不需要积分、不受振幅和重力场限制等。因此,对高频GNSS观测数据进行高精度的定位解算,获取可靠的瞬时地壳形变信息是进行地震相关要素反演工作的先决条件。然而,高频GNSS定位技术在地震中的应用研究中仍然存在很多问题,如:1)动态定位结果精度对于分析厘米级的形变有所不足;2)解算的位移形变结果难以准确地获取地震波信号信息。本文针对以上两个问题进行深入研究,主要研究工作和结论如下:(1)分析三种常用的精密动态定位方法,选取适合本文的PPP方法,利用PANDA软件的PPP模块进行高频GNSS数据解算,基于PANDA软件和高频数据处理特点,总结一套高频GNSS数据精密处理策略,确定本文所使用的系统组合、精密星历产品、精密钟差产品、参数配置和对流层投影的函数。(2)对高频GNSS动态定位结果进行恒星日滤波,然后采用改进S变换方法对滤波后的结果进行去噪,通过实例分析,改进S变换的去噪效果优于S变换,可以更准确的获取地震波到达信号。根据获取的高频GNSS位移信号和地震波信号特性,采用改进S变换结合趋势项去噪的方法对GNSS位移信号进行去噪,并给出了该方法的实现过程,结果证明该方法更能准确的提取地震波信号信息,但其自身也存在一定的局限性。(3)研究了高频GNSS精密定位方法在地震要素反演中的应用。通过对解算的各GNSS观测站的动态定位结果进行滤波和去噪处理,削弱GNSS位移信号噪声,获得地震波到达各GNSS观测站的时间,根据以上信息,基于高频GNSS数据建立地震要素反演的数学模型及其程序实现,并通过该模型对地震震中位置和发震时刻等相关地震要素进行反演。利用智利地震、汶川地震和日本311地震期间的高频数据进行处理分析,反演出智利地震的发震时刻与美国地质调查局公布的时刻相差4秒,震中位置与美国地质调查局公布的位置相差27.4km;汶川地震反演的发震时刻与中国地震局发布时刻相差6秒、与美国地质调查局(USGS)公布的时刻相差3秒,震中位置与中国地震局公布的震中位置相差12.5km;日本311地震反演出的地震时刻与日本GEO组织公布的时刻相差3秒,震中位置与日本GEO组织公布的位置相差26.1km。三个地震实例要素反演结果与国际各地震组织公布的结果相当,发震时刻误差为秒级,震中位置误差为二十公里左右,测站分布越均匀,反演精度越高。


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