GNSS数据在江苏地震前兆监测中的初步应用与研究

鲍海英，孟科，王维

（江苏省地震局，南京 210014）

GNSS数据在江苏地震前兆监测中的初步应用与研究

鲍海英，孟科，王维

（江苏省地震局，南京 210014）

GPS数据具有高精度、高效率和低成本等特点，同时不易受观测环境的变化影响，因此它在监测地壳的应力场变化、大震前可能出现的短期前兆、地震过程中观测点位的瞬时变化、震后地壳的运动特征等方面，具有很大的应用前景。主要是利用江苏区域溧阳、南通和盐城三个GNSS观测站，根据GPS定位原理，利用GAMIT软件计算出这三个站在2010年6月至2013年8月的时间序列，从计算结果中看出，在这三年里，这三个GNSS站均向东南方向偏移，2011年3月11日的日本地震均对这三个站引起永久性的同震位移，这三个站观测数据在NS、EW和垂直方向上均呈现出较好的年变特征。这是GNSS数据在江苏地震前兆监测中的初步应用，同时也为江苏区域的地震预测研究提供一个新的辅助手段。

地震前兆；GNSS；位移时间序列

0 引言

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）是由欧洲空间局筹建的集GPS、GLOBASS以及低轨卫星为一体，在全球范围内应用的卫星导航和定位系统。它是GPS技术在导航通讯领域的最新应用系统。众所周知，卫星是在天空中环绕地球而运行的，其全球性是不言而喻的；而全球导航是相对于陆基区域性导航而言，以此体现卫星导航的优越性。

目前，GPS短边定位已经达到几个毫米的精度。这样的精度是监测地壳形变、应变积累速率所需要的，也是常规大地测量难以达到的精度。同时，GPS的结果是测点的三维坐标，这也是传统分离的垂直形变网和水平形变网所难以完成的，因此，三维的地壳形变最有利于应用到地震监测预报研究工作中[1]。由于GPS的高精度、高效率和低成本，在监测地壳的中期运动、大震前可能出现的短期前兆、地震过程中观测点位的瞬时变化、震后地壳的运动特征、活断层的位移和变化等方面，GPS都有很大的应用前景[2]。

中国大陆构造环境监测网络，简称 “陆态网”，是一个以GNSS为主的国家级地球科学综合监测网络。目前，“陆态网”项目江苏区域已建立了溧阳、南通和盐城这三个GNSS基准站，构成了江苏区域的GNSS观测网。

1 GNSS观测站时间序列

任意时刻的连续站观测值z（t）可以看成由地壳正常动态运动、多种噪声干扰以及与地震有关的变形信息组成。用公式表示如下：

其中x（t）为正常动态变形量，V（t）为观测噪声， s（t）是与地震有关的变形信息。

x（t）可看作随时间的漂移及年周期变化的两项之和组成，即：

其中：a0为尺度因子，bVt为随时间的漂移，Asin（ωVt+φ）为年周期变化部分。

目前，在滤除干扰的方法中，卡尔曼滤波应用相对较广[3-5]，在本次实验中，我们也是采用此方法来消除干扰的。本次试验采用美国麻省理工学院（MIT）的 GAMIT/GLOBK解算软件完成，GLOBK是一个卡尔曼滤波器，其主要目的是综合空间大地测量和经典大地测量的初步处理结果完成数据的后处理。因此它的输入一般是一些准观测量如测站坐标、地球自转参数、卫星轨道及它们的方差-协方差。

2 数据处理方法

本次研究采用江苏区域GNSS观测网2010年6月至2013年8月的观测数据结合IGS全球连续跟踪站的数据，并利用此数据解算出江苏溧阳、南通和盐城三个台站的坐标时间序列，作为江苏地区地震前兆监测的一项辅助手段。由于从GPS接收机中采集到的数据是全天24 h不间断观测，有三种采样率分别为30 s、1 Hz和50 Hz，由于GNSS基准站每日观测的数据采样间隔分别为30s、1Hz、50Hz，考虑到数据量的大小，在此我们选取采样间隔为30 s的观测数据，以24 h为一观测时段。本实验采用30 s的观测数据，由于从陆态网络GNSS基准站直接采集到的数据不满足IGS数据规范以及命名规范，故在进行精密定位之前需对数据进行预处理，主要有数据转换和数据重采样两步（数据采集及转换均采用自编程序实现）。

资料处理采用美国麻省理工学院（MIT）的GAMIT/GLOBK解算软件，以单天为单位（24小时为一个单日时段）。参考框架为ITRF2005框架，星历采用IGS精密星历（SP3格式）。解算模式为LC-HELP解，给出模糊度整数解和浮点解。卫星截止高度角为15°。所有GPS站的坐标约束为100 m（松弛约束坐标），解算方式采取松弛（RELAX)解。GPS卫星轨道约束为 10-8。光压模型：BERNE。准备工作：通过Internet从有关的IGS数据中获取IGS站观测数据及GPS数据处理所必需的资料（包括精密星历，全球H文件解，最新tables等）[7]。解算过程主要包括基线解计算和网平差计算两部分。

基线解计算步骤（GAMIT）：①单点定位，给出未知站的概略坐标（米级水平）；②取周边IGS站（BJFS、KIT3、KUNM、SHAO、SUWN、TSKB、WUHN、IRKT、IISC等）进行QUICK解，得到未知站的厘米级的概略坐标；③进行单天RELAX解，计算时利用AUTCLN自动修复周跳同时辅于CVIEW进行手工干预剔除周跳残差，最终获得O文件解与H文件解。

网平差（GLOBK）计算步骤：固定极移参数，卫星轨道约束20 m，参考站约束0.1 m。根据本次计算的H文件，由GLOBK求多天整体解，以IGS核心站为参考站建立地球参考框架[7]。IGS核心站x、y和z方向的坐标约束分别是0.05 m、10 m和10 m。

3 试验结果和分析

3.1 江苏区域GNSS观测网时间序列结果

本次研究采用江苏区域GNSS观测网2010年6月至2013年8月的观测数据，结合IGS全球连续跟踪站数据，利用Gamit软件解算出江苏溧阳、南通和盐城三个台站的位移时间序列，计算结果见图1～3。

图1、图2和图3分别为江苏区域溧阳、南通和盐城三个GNSS观测站2010年1月至2013年8月位移时间序列，采用的坐标系均为站心坐标系，纵线为位移的波动值，图中空缺的部分为数据缺测造成，a图为原始时间序列，直线部分为趋势拟合曲线，b图为去除长趋势后的时间序列。

图1 江苏溧阳GNSS观测站位移时间序列Fig.1 Displacement time series of Liyang GNSS station in Jiangsu province

图2 江苏南通GNSS观测站位移时间序列Fig.2 Displacement time series of Nantong GNSS station in Jiangsu province

图3 江苏盐城GNSS观测站位移时间序列Fig.3 Displacement time series of Yancheng GNSS station in Jiangsu province

图1为2010年6月至2013年8月江苏区域溧阳GNSS观测站EW向、NS向和垂直方向的位移时间序列，从图1a中可以看出，从2010年6月至2013年8月，JSLS观测站在NS向向南偏移了约35 mm，年运行速率为-10.78±0.45 mm/yr，wrms=2.0 mm，nrms=4.15；在EW向向东偏移了约110 mm，年运行速率为33.51±0.39mm/yr，wrms= 2.0 mm，nrms=3.43；在垂直向向东偏移了约5 mm，年运行速率为-2.70±1.36 mm/yr，wrms=5.7 mm，nrms=3.55。图中竖线部分为2011年3月11日日本大地震引起的同震位移。

图2为2010年6月至2013年8月江苏区域南通GNSS观测站EW向、NS向和垂直方向的位移时间序列，从图2a中可以看出，从2010年6月至2013年8月，JSNT观测站在NS向向南偏移了约30 mm，年运行速率为-11.21±0.39 mm/yr，wrms=1.5 mm，nrms=3.53；在EW向向东偏移了约110 mm，年运行速率为33.88±0.35 mm/yr，wrms= 1.8 mm，nrms=2.92；在垂直向向东偏移了约5 mm，年运行速率为-2.14±0.90 mm/yr，wrms=5.3 mm，nrms=2.19。

图3为2010年6月至2013年8月江苏区域盐城GNSS观测站EW向、NS向和垂直方向的位移时间序列，从图3a中可以看出，从2010年6月至2013年8月，JSYC观测站在NS向向南偏移了约25 mm，年运行速率为-8.60±0.56 mm/yr，wrms=1.7 mm，nrms=3.32；在EW向向东偏移了约100 mm，年运行速率为33.73±0.64 mm/yr，wrms= 1.8 mm，nrms=3.59；在垂直向向东偏移了约35 mm，年运行速率为-15.49±0.94 mm/yr，wrms=5.2 mm，nrms=1.45。

图1～3中b图为去除趋势后的时间序列图，从这三张图中可以看出，日本地震对江苏区域的三个GNSS观测站均引起永久性的同震位移，同时可以很清晰地看出GNSS观测数据在NS、EW和垂直方向都具有很好的年变特征。

3.2 日本M9.0地震对江苏GNSS站的影响

震源机制解表明日本3月11日M 9.0地震是一次低倾角逆冲型地震，该地震造成了一定范围的地壳水平和垂直运动。尽管日本大地震释放了本州岛以东部分地区近E-W向的挤压应力，但是日本海西部以及中国东北部仍处于E-W向弱挤压的应力环境之中，也就是说，虽然GPS观测表明中国东北出现了一致的指向震中的同震位移，但只表现为近东西向挤压应力的减小，而不是自此转变为近东西向的拉伸应力状态。总的来说，日本大地震之后，中国东北的主压应力数值有所减小，因而近东西向挤压型地震活动性将有所减弱，所有测站的同震水平位移均指向震中，其随着远离震中逐渐衰减的分布特性符合弹性半空间逆冲挤压型破裂造成的位移场分布特征[8]。表1中，江苏溧阳、南通和盐城三个GNSS观测站在水平方向NS分量和垂直方向上的的同震位移量都不大于3 mm，在GPS解算的误差范围之内，可以认为不受日本地震的影响。江苏溧阳GNSS观测站在水平方向东西分量上向东偏移了5 mm；南通GNSS观测站在水平方向东西分量上向东偏移3 mm；盐城GNSS观测站在东西分量上向东偏移了5 mm，所有测站的同震水平位移均向东，指向震中，与前人研究结果一致。

表1 日本3月11日M9.0地震对江苏GNSS站引起的同震位移Table 1 The coseismic displacement of Jiangsu GNSS station caused by Japan M9.0 earthquake on March 11th

4 结论

通过江苏区域溧阳、南通和盐城三个GNSS观测站的时间序列上可以看出：

（1）从2010年6月至2013年8月止，江苏区域溧阳、南通和盐城三个GNSS观测站均有向东南方向偏移的趋势。

（2）2011年3月11日日本M9.0地震对江苏区域溧阳、南通和盐城三个GNSS观测站引起了永久性的变形。

（3）江苏区域溧阳、南通和盐城三个GNSS观测站NS、EW以及垂直方向的数据均显现出较好的年变特征。

此试验是GNSS数据在江苏地震前兆中的初步应用，它为江苏区域地震预测研究提供一个新的辅助手段。

[1]张晓亮，江在森，王敏，等.利用GPS连续站资料研究地壳运动与地震的关系[J].大地测量与地球动力学，2006，26（4）：63-68.

[2]李延兴，王敏.应用空间技术GPS监测地震[J].中国空间科学技术，1993（3）：49-57.

[3]魏洪峰.卡尔曼滤波在气象探测数据处理中的应用研究[J].气象仪器装备，2003，19（2）：l-4.

[4]许国辉，张新长.卡尔曼滤波模型粗差的探测及其在施工变形测量中的应用[J].中山大学学报（自然科学版），2003，42（3）：89-91.

[5]刘少明，贾民育.重力时变的数学逼近[J].地壳形变与地震，2001，21（3）：49-54.

[6]陆彩萍，王解先.GPS监测地壳运动数据处理[J].大地测量与地球动力学，2002，22（4）：6-60.

[7]李杰，王晓强，王琪，等.乌恰伽师地区GPS地壳运动监测网研究[J].内陆地震，2004，18（3）：281-288.

[8]杨少敏，聂兆生，贾志革，等.GPS解算的日本Mw9.0级地震的远场同震地表位移[J].武汉大学学报·信息科学版，2011，36(11)：1336-1339.

The Preliminary Application of GNSS Data in Earthquake Precursor Monitoring of Jiangsu Province

BAO Haiying，MENG Ke，WANG Wei

（Earthquake Administration of Jiangsu Province，Nanjing 210014，China）

By using the GAMIT software and the data of Liyang，Nantong and Yancheng GNSS observation stations，the paper calculates the displacement time series of Liyang，Nantong and Yancheng GNSS observation stations in Jiangsu province from June 2010 to August 2013 based on the GPS positioning principle.The results show that:among these years，the three GNSS stations move to the southeast direction；they have permanent coseismic displacement caused by the earthquake occurred in March 11 of 2011 in Japan;the observation data in NS，EW and the vertical direction of these three stations show better annual variation.This is the preliminary application of GNSS data in Jiangsu earthquake precursor monitoring,and also provides a new means for earthquake prediction research of Jiangsu area.

Earthquake precursor；GNSS；Displacement time series

P315.6

A

1001-8662（2014）03-0091-04

10.13512/j.hndz.2014.03.015

鲍海英，孟 科，王 维.GNSS数据在江苏地震前兆监测中的初步应用与研究[J].华南地震，2014，34（3）：91-95.[BAO Haiying，MENG Ke，WANG Wei.The Preliminary Application of GNSS Data in Earthquake Precursor Monitoring of Jiangsu Province[J].South china journal of seismology，2014，34（3）：91-95.]

投稿日期：2013-12-25

江苏省地震局青年基金项目（201203）

鲍海英 （1986-），女，硕士，从事地震前兆观测工作.

E-mail:bhy5928@163.com.