GPS动态精密单点定位技术及其在地震监测中的应用研究

摘 要： 介绍了高采样率GPS动态精密单点定位技术，利用RTKLIB软件对2010年4月4日墨西哥Baja California地震时的高采样率GPS观测数据进行了PPP处理，并与强震仪积分得到的坐标序列进行了对比，得出了一些有益的结论

基金项目：陕西省教育厅科学研究项目：高采样率GPS动态精密定位技术在地震监测中的应用研究（2010JK671）， 国家自然科学基金青年科学基金项目（41304013）。

1、引言

近年来，随着高采样率GPS动态定位技术研究的发展，利用高采样率GPS接收机进行地震监测和地震预报研究日益成为国内外研究的热点。大量研究表明，高采样GPS动态定位技术能够直接获取震时地表位移和地震波信息，可作为地震仪监测技术的有力补充。理论上，GPS地震监测可以采用相对定位技术也可以采用精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）技术。相对定位技术需要提前選择远离震区的参考站，并且要将参考站数据与流动站数据合并一起处理，实施起来存在一定难度；而PPP技术不需选择参考站，各接收机自主定位，非常适合地震监测。近年来，PPP技术已日趋成熟，使用高精度的IGS精密星历和高采样率的卫星钟差改正，PPP定位精度已可高达到cm甚至mm量级。本文采用Rtklib软件对2010年4月4日墨西哥Baja California地震时的高采样率GPS数据进行了PPP动态数据处理，将测站的PPP坐标序列与其附近的地震仪积分得到的坐标序列进行了对比分析，得到了一些有益的结论和建议。

2、RTKLIB软件简介

RTKLIB是日本东京海洋大学的Tomoji Takasu教授研发的一套开源GNSS数据处理软件包。该软件既支持动态相对定位也支持精密单点定位，功能强大，易学易用，其主要程序包括RTKPOS、RTKPLOT、RTKNAVI等，用户界面如下图1所示。

3 动态PPP数据处理

RTKPOST是RTKLIB的核心程序，其动态PPP数据处理流程为：①读取GNSS观测数据和精密星历及精密卫星钟差改正文件；②进行数据预处理，包括粗差探测与剔除、系统误差修正；③构建系统方程、采用扩展卡尔曼滤波算法进行PPP参数估计，可解参数包括接收机位置/速度/钟差、对流层延迟、相位模糊度等。RTKPOST定位完毕之后用户即可使用RTKPLOT程序绘图展示PPP坐标序列。

4、动态PPP地震监测

协调世界时（UTC）时间2010年4月4日22时40分，墨西哥Baja California地区发生了里氏7.2级地震。附近的美国加州实时网（CRTN）和美国板块边界（PBO）网的GPS观测站均监测到了此次强震，其中P066、P473、P494、P496、P497、P744均可提供震时5Hz采样的GPS数据，特别地P744距震中约65公里，与附近的南加州地震台网（SCSN）的强震仪NP5028相距140米，P496距震中60公里，与附近的CSSN的强震仪NP5058相距仅70米；为GPS地震监测研究提供了宝贵的震时实测数据。本文使用欧洲定轨中心（CODE）发布的GPS精密星历文件和5秒间隔的GPS卫星钟差改正文件，用RTKPOST对这些GPS站进行了动态PPP处理，其中P496的PPP坐标序列与NP5058强震仪积分得到的坐标序列如下图2所示。

由图可见，PPP得到的N向坐标与强震仪积分得到的N向坐标具有很好的一致性（差异大多为1～2mm），而PPP得到的E向坐标与强震仪积分得到的E向坐标在地震之前一致性较好，地震发生后差异逐渐加大，到地震发生大约30s时，其E向坐标差异才区域稳定并基本保持在20mm左右。对P494及NP5028进行处理对比之后，同样发现了类似现象。笔者分析认为，E向坐标差异大、精度低的原因与GPS卫星的过南北极特性有关，如何提高PPP的E向坐标精度以及如何研制高效、实用的高动态PPP整数模糊度固定算法还有待深入研究。■

参考文献

[1] 方荣新，施闯，陈克杰，等. GPS地震仪：PANDA软件测试结果与验证[J].武汉大学学报-信息科学版.2011，Vol.35（4）：453-456

[2] 吴继忠. 基于GPS观测的BajaCalifornia地震地壳变形分析[J]. 武汉大学学报-信息科学版.2011，Vol.36（4）：437-441.

[3] 张小红，郭博峰.单站GPS测速在实时地震监测中的应用.地球物理学报，2013，56（6）：1928-1936.

作者简介：陈宪冬（1972-）男，山东冠县人，副教授，硕士生导师，主要从事GPS、GIS方面的教学科研工作。