关于全球导航卫星系统的集成实时地震监测的关键问题和强震记录的研究外文翻译资料

英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

关于全球导航卫星系统的集成实时地震监测的关键问题和强震记录的研究

Rui Tu,Pengfei Zhang,Rui Zhang,Jinhai Liu

摘要：本文研究了有关全球导航卫星系统的整合和强震动记录进行实时地震监测的关键问题。的验证表明，该坐标系统的一致性，必须首先考虑排除GNSS和强运动之间的系统偏差。全球导航卫星系统的采样率，建议约1-5赫兹，我们应该给予强震的基线漂移具有较大的动态噪音，其变化是非常迅速的。求解基线偏移的初始化时间少于一分钟，歧义消解战略不能大大改善了解决方案。数据质量是解决方案非常重要的，我们建议使用多频和多系统的观察。这些想法通过全球导航卫星系统的紧密集成和强震动记录给出了实时地震监测和预警的重要指南。

关键词：GNSS;强运动传感器;基线漂移;地震监测和预警

1. 引言

强运动传感器是一种类型的加速度测量设备，具有高灵敏度，并在地震学是常用。它提供直接，速度和位移信息被积分获得高精度的加速度信息(Elo acute;segui et al., 2006; Genrich and Bock, 2006; Larson et al., 2007)。由于倾斜和/或旋转和环境的影响，强震动记录通常包含基线漂移。这些变化将当它们被集成到速度或位移被进一步放大。为了准确地获取同震信号信息，我们必须开展基线漂移校正。目前，几种传统经验方法主要用于基线偏移校正(Iwan et al., 1985; Boore, 2001; Zhu, 2003; Graizer, 2006 Chao et al., 2009; Wu and Wu, 2007; Wang et al., 2011;Melgar et al., 2013)。然而，其中大多数是从大和不可量化的不确定性遭受较大地测量结果(Li et al., 2013a)，并不能在实时操作(Wang et al., 2013; Tu et al., 2013a)。

有发表关于使用高速率的全球定位系统（GPS）来纠正强震的基线漂移误差（(Bock et al., 2011;Wang et al., 2013; Li et al., 2013a, 2013b; Tu et al.,2013a, 2013b; Geng et al., 2013) . Bock et al. (2011)提出了一种新方法，以最佳地估算高度比利 GPS位移和使用卡尔曼滤波器原始加速度计数据的一个组合中接近实时的位移。它导致一种改进的宽带记录，但仍难以完全限制了基线漂移。此外，它们所使用的全球定位系统的净解决方案的方法，以获得高精度的位移。这需要许多GPS接收器同步观测，并导致时效性差，成本高。 Wang et al.(2013)使用了三角函数多项式表达的基线偏移，使得经校正的位移与在高速率的GPS位移最佳一致，并且使用最小二乘解来确定基线漂移。从某种程度上来说这种方法可以纠正基线漂移，并得到高精度的速度和位移。但线性函数的假设通过的主观因素的影响，并且这种方法不能实时进行。Li et al. (2013a) and Geng et al. (2013)也发表了他们的结果关于GPS和加速计记录的整合。他们主要关注有关高分辨率加速的GPS解决方案的贡献，并没有讨论太多关于基线漂移校正。Tu et al. (2013a)提出的一单频GPS和低成本的强烈运动传感器的松散结合的方法，就可以得到在实时宽带震信息。而另一位紧密结合方法也被Tu et al. (2013b)，它可以识别并校正实时强震的基线漂移。此方法可通过互补的优点得到高精度和宽带震波。很容易实时实现，从而它可以被广泛使用的GPS地震学的领域。

对于实时地震监测，预警，地震工程等方面的应用，主要目标是低成本，简单的算法，操作简单方便，效率高。专注于实时地震监测和预警要求，本文进行了哪些建议Tu et al. (2013b)的紧密结合方法的关键问题，认真分析和可靠性验证。它们指的是坐标系统，全球导航卫星系统（GNSS）的采样率，数据质量，动态噪声的约束强度，收敛速度和相位模糊分辨率。它提供了用于实时地震监测和预警的重要导通过GPS和强震观测的紧密集成。

1. 方法和数据

Tu et al. (2013b)已通过GPS和强震记录的紧密集成，提出了实时地震监测的方法。主要的想法是，虽然准确考虑的所有的观测误差的GPS测量仅包含具有几个厘米的精确度的小的随机误差。强运动传感器包含其由基线偏移，造成系统误差与比GPS随机误差大得多幅度位移偏压引起系统错误。因此，尽管两个测量相结合，相互补充的优点，基线偏移可以被识别并有效地校正，随机误差可能会降低，高精确度和宽带震信息可以由该组合体系中获得实时的。该方法被实现为以下内容：强震记录被引入精确点定位（PPP）的模型(Zumberge et al., 1997) 。基线位移估计未知参数togetherwith其它参数，如坐标，对流层延迟，时钟误差和含糊由卡尔曼滤波器。作为基线偏移的精确校正是对于该组合​​解决方案大多重要，我们主要分析在下面的解决基线偏移的精确度。

Tu et al. (2013a)从实验中收集的数据相同的测试设备描述。双频高速率GNSS接收机（包括GPS和GLONASS观察）和加速度计附连上，可以沿着直线轨道移动的雪橇。因此，一维运动可以模拟和精确测量。一种照相机系统，用于估计的位移进行比较，精度为大约5毫米（沃尔特，2011年）。在静止状态下几分钟后，该平台沿着轨道向前和/或向后移动中逐步各种accelerations.The50赫兹全球导航卫星系统的数据，并使用Tu et al. (2013b)提出的方法在100 Hz的地震数据进行了共同研究处理。

1. 验证与分析

对于两个独立的调查系统，紧密集成的过程将涉及坐标系的相一致。同时，成本和可靠性是最关心的问题，他们主要是指全球导航卫星系统的采样率，数据质量，动态噪音，收敛速度和歧义解决的约束力度。我们将分析和在下面讨论它们。

• 1. 坐标系

在传统的地面系统用于全球导航卫星系统的PPP解决方案，所以强运动传感器的东，北和向上（ENU）坐标需要转换为传统的地面系统。首先，方程（1）和（2）用于改造强地震的ENU坐标当地东，北，纵坐标(Xu et al., 2012)。

是固定坐标系中的强运动传感器的坐标，k是数字纪元，是本地坐标系系统，是两个系统的滚动，俯仰和偏航。第二步，本地坐标被转换为传统的地面系统的坐标如公式（3）

其中是传统的地面系统中的坐标；（L，B）代表该站的经度和纬度。应当认识到，这些坐标变换参数被确定时，仪器是固定的，并且不考虑其由仪器在同震期间倾斜或旋转而引起的坐标系的姿态变化。

• 1. GNSS的采样率

全球导航卫星系统的采样速率是实时地震监测和预警的另一个问题。在一侧，在实时检索数据流是困难得多，而采样速率高得多（超过5赫兹），GNSS接收器;在另一侧，观察噪声是更为严重的，成本是用于高频接收机更昂贵。 图。图1示出了解决基线偏移，其中强运动的采样速率为100赫兹和GPS1赫兹，2赫兹，5赫兹，10赫兹，25赫兹和50赫兹的比较。由此可以得出结论thatfor高频的GPS，采样率没有对解决基线漂移显著影响。因此，对于真正的地震监测和预警，考虑成本和运行的要求，采样率可适合约1-5赫兹。

• 1. 动态噪声的约束

为组合系统的紧密集成的过程中，动态噪声对于过滤系统。它会导致变形和发散如果事先噪声约束不是全球导航卫星系统的紧密集成和强震动记录适当的。而一个关键的问题，的基线漂移估计也是作为未知参数，以获得一个强大的结果，我们需要给的速度和基线的动态噪声的适当值。 图2显示了不同的动态噪声基线的变化，其中的解决方案的影响“Qv的”意味着速度的动态噪音“，”趣“意味着基线漂移的动态噪音。我们可以看到，在使用从该加速度集成速度扣除解决基线漂移，而不是直接求解速度后得到的速度，速度的动态噪声大大降低，其影响不是用于解决方案（图2a）明显。但作为基线漂移的变化非常迅速，它的动态噪声应给予更大的动态噪声（图2b）。

图1：GPS的采样率的基线偏移的解决方案的影响。

• 1. GNSS数据质量

全球导航卫星系统的数据质量是结合地震监测和预警系统的重要前提。它必须能提供高精度的坐标，否则组合的系统不能正常工作。图3a显示单频GNSS和双频全球导航卫星系统的解决基线漂移的比较。对于单频GNSS，电离层延迟误差是非常难以精确无误。这些未修正电离层残差将导致较大的抖动为解决基线漂移，这将影响到恢复的速度和位移。因此，组合的结果仍然是不好的单频GNSS，难以实现地震监测的要求。图3b显示由不同的卫星系统和强震动记录相结合的解决基线漂移的比较，我们可以发现，所有这些卫星系统能够有效地识别和纠正强震的基线漂移。

此外，还有在GPS地震学，如当卫星信号在摩天大楼和/或林区严重遮蔽领域的真正的问题，定位精度可以是非常低，甚至支持GNSS不能提供定位服务为可见卫星数少(Tu et al, 2013b)。 图。图4示出该组合的比较结果不同的卫星号中，其中所述参考值是指从所有GPS，GLONASS观测数据和强震记录的组合得到的值。我们可以得到以下想法：与卫星数目的增加，精度提高;更重要的是，每一个独立的单一的GNSS系统不能提供定位服务，而观察卫星数目比四个较小，但组合系统仍能保持正常服务。

图2：不同的动态噪声的基线偏移的解决方案的影响（Qv的“是速度的动态噪声”，“Qu”是基线偏移的动态噪声中，（a）和（b）分别表示不同Qv的与Qu在解决方案中的不同影响）

图3：不同的数据的质量，以基线漂移的解决方案（“Single_Fre”和“Dual_Fre”的影响表示单频和分别双频GPS数据的结果;“GPS”，“GLONASS”，“G R”代表了GPS和强震组合结果，GLONASS和强震组合结果; GPS，GLONASS和分别强震组合结果，（a）是单和双频率观察之间的差，（b）是不同的系统之间的差）

图4：不同卫星数的基线偏移的的解决方案的影响（“Ti”是模拟数）

• 1. 聚合速度

单台的PPP通常需要半小时，甚至更长的时间才能有一个收敛解决方案(Bisnath and Gao, 2009)中，模糊度分辨率可以提高在一定程度上的收敛速度，但是它仍然需要20-30分钟 (Ge 等人, 2008; Geng等人, 2010; Li 等人, 2013c)，所以基线偏移的收敛速度也是实时地震监测另一个考虑的问题。 图。图5示出了收敛的过程中，红线标记参考基线偏移，黑线痕的解决基线偏移，其中图图5a和b表示的不同情况，而不地震信号和分别与地震信号。从比较中，初始化可以在30-40 S是否与信号或无地震信号可以完成，它比支持GNSS的PPP的初始化快得多。

图5：的基线漂移的收敛速度（添加的GPS“是指开始到GPS和强震记录组合，分别为（一）和（b）代表的不同情况，而不地震信号和用地震信号）。（对于这个数字说明颜色的引用解释，读者可以参考这篇文章的网页版。

图6：相位模糊的固定的解决方案和浮点解之间的求解基线偏移的比较

• 1. 整周模糊度

它基于高速率的GPS和强震台记录的紧密集成的实时地震监测和预警是在地震GPS的领域的热门话题。它可以有机地结合两种技术的特点和优势互补的优势。此外，地震监测和预警，目标是低成本，实现简单和高品质。本文着眼于紧密集成的方法，讨论和分析一些关键问题上，我们可以得到以下结论：

1. 为一体的解决方案，该坐标系统的一致性，必须首先考虑排除系统偏压。
2. 考虑到成本和操作中，GNSS采样速率建议约1-5赫兹。
3. 的强运动基线偏移的动态噪声为集成解决方案很多重要的，它应该作为其变化非常迅速给予更大的值。
4. 为一体的解决方案，解决了基线偏移的初始化时间少于一分钟，歧义消解战略不能大大改善了解决方案。
5. 数据质量是解决方案非常重要的，我们建议使用多频和多系统的观察。

最近，多GNSS精确定位的进展非常迅速。对于多频率和多星座的GNSS，有更多的观测，并且位置质量如准确性，可靠性，连续性和完整性都大大提高（Li等人，2015A，2015B），因此它们的地震监测和早期监测应用将是好多了。

1. 结论与讨论

我们感谢Dr. Maorong Ge，Dr. Rongjiang Wang和Dr. Xingxing Li他们的言传身教以及由中国国家自然科学基金的项目（41504006批准号）的科学中国研究院（CAS）“先锋百人计划”、“中国西部之光”和“青年创新”的工作支持。

参考文献

Bisnath, S., Gao, Y., 2009. Current state of precise point positioning and future prospects and limitations. IAG Symp. 133, 615–623.
Bock, Y., Melgar, D., Crowell, B.W., 2011. Real-time strong-motion broadband displacements from collocated GPS and accelerometers. Bull. Seismol. Soc. Am. 101, 2904–2925.
Boore, D.M.

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[32063]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word