GpsTools在高采樣率GPS地震監(jiān)測中的應(yīng)用研究

摘 要：介紹了精密定位定軌軟件GpsTools，用其對2010年4月4日墨西哥Baja California地震時(shí)的高采樣率GPS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了非差精密單點(diǎn)定位解算，得到了一些有益的結(jié)論。

1 引言

高采樣率GPS動(dòng)態(tài)精密定位技術(shù)能夠獲得GPS測站的三維地表形變信息，是地球動(dòng)力學(xué)及地震監(jiān)測研究的重要技術(shù)手段，目前已逐步發(fā)展成了一門新興學(xué)科---GPS地震學(xué)。1994年，Hirahara最早提出了“GPS地震儀”的概念，并進(jìn)行了1Hz采樣的GPS接收機(jī)振動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)[1]；隨后，國內(nèi)外眾多學(xué)者分別用Bernese、GIPSY等軟件對震時(shí)實(shí)測GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行了解算研究，取得了豐碩的研究成果[2、3]。本文利用GpsTools軟件對2010年4月4日墨西哥Baja California地震時(shí)的高采樣率GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，成功獲得了測站形變和地震信號。

2 GpsTools軟件簡介

GpsTools是日本東京海洋大學(xué)的Tomoji Takasu教授開發(fā)的開源GPS精密定位定軌軟件（http：//gpspp.sakura.ne.jp/gpstools/gt_release.htm）。該軟件的用戶界面和流程控制程序是利用Matlab語言編寫，而核心函數(shù)采用C語言編寫（編譯成mex文件用于提高計(jì)算效率）。GpsTools的最新版本是0.6.4版，目前僅支持GPS衛(wèi)星系統(tǒng)。該軟件具有動(dòng)態(tài)+靜態(tài)模式和單差+雙差模式，支持多種GPS觀測數(shù)據(jù)格式和精密星歷及衛(wèi)星鐘差改正文件格式，具有強(qiáng)大的GPS精密定位定軌功能。該軟件易學(xué)易用、全球已有幾萬個(gè)用戶下載并學(xué)習(xí)GpsTools。該軟件的功能界面及數(shù)據(jù)處理流程如下圖1所示。

3 GpsTools定位定軌數(shù)據(jù)處理

GpsTools定位定軌數(shù)據(jù)處理采用的是非差精密單點(diǎn)定位（PPP）模式，其數(shù)據(jù)處理流程如圖為：首先讀取GPS觀測數(shù)據(jù)和精密星歷/衛(wèi)星鐘差改正數(shù)據(jù)；隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理（包括鐘跳探測/修復(fù)、周跳探測/修復(fù)、相位平滑、點(diǎn)定位）以得到干凈的觀測數(shù)據(jù)；最后建立觀測方程并利用擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）算法進(jìn)行參數(shù)解算，可解算接收機(jī)的位置/速度/鐘差、對流層延遲、相位模糊度參數(shù)等參數(shù)。使用無電離層影響的線性組合觀測值，GpsTools的PPP數(shù)據(jù)處理模型可寫為（如圖）：

式中，x為參數(shù)向量，包括接收機(jī)位置/速度/鐘差、對流層天頂延遲、相位模糊度等；y為觀測值向量，包括無電離層影響的線性組合載波相位觀測值和無電離層影響的線性組合精碼偽距觀測值。

4 GPS地震監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）時(shí)間2010年4月4日22時(shí)40分，墨西哥Baja California地區(qū)發(fā)生了里氏7.2級地震，震中位置32.259N，115.287W，附近的GPS地震監(jiān)測站P494、P496、P497、P744可提供5Hz采樣的GPS數(shù)據(jù)。我們使用歐洲定軌中心（CODE）發(fā)布的GPS精密星歷文件及5秒間隔的GPS衛(wèi)星鐘差改正文件，基于傳統(tǒng)PPP模式，用GpsTools對上述測站進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，得到了這幾個(gè)測站的坐標(biāo)序列如下圖2所示。

由上圖2可見，利用GpsTools軟件對震時(shí)高采樣GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行PPP解算，可以高精度地獲得測站地表形變和地震波信號，這些信息的獲取無疑為震源分析、地層破裂分析、地震波傳播分析提供重要資料。

5 結(jié)論和建議

本文利用GpsTools軟件，基于傳統(tǒng)PPP模式，成功獲得了墨西哥Baja California地震時(shí)的高采樣率GPS測站的地表位移；GpsTools軟件功能強(qiáng)大、易學(xué)易用、必將成為GPS地震學(xué)研究的重要軟件工具；此外，GpsTools具有鮮明的開源特性，易于功能擴(kuò)展，有條件的單位或個(gè)人可以對其擴(kuò)展，如增加對GLONASS、Galileo、Beidou等衛(wèi)星系統(tǒng)的支持等。

參考文獻(xiàn)

[1] Hirahara，K. et al.An experiment for GPS strain seismometer. Japanese Symposium on GPS.1994

[2]方榮新，施闖，陳克杰，等. GPS地震儀：PANDA軟件測試結(jié)果與驗(yàn)證[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)-信息科學(xué)版.2011，Vol.35（4）：453-456

[3] 吳繼忠. 基于GPS觀測的BajaCalifornia地震地殼變形分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)-信息科學(xué)版.2011，Vol.36（4）：437-441.

作者簡介

陳憲冬（1972-），男，山東冠縣人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事GPS、GIS方面的教學(xué)科研工作。

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目：高采樣率GPS動(dòng)態(tài)精密定位技術(shù)在地震監(jiān)測中的應(yīng)用研究（2010JK671）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)（41304013）。