GpsTools在高采樣率GPS地震監測中的應用研究

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地震時的高采樣率GPS觀測數據進行了非差精密單點定位解算，得到了一些有益的結論。

1 引言

高采樣率GPS動態精密定位技術能夠獲得GPS測站的三維地表形變信息，是地球動力學及地震監測研究的重要技術手段，目前已逐步發展成了一門新興學科---GPS地震學。1994年，Hirahara最早提出了“GPS地震儀”的概念，并進行了1Hz采樣的GPS接收機振動模擬實驗[1]；隨后，國內外眾多學者分別用Bernese、GIPSY等軟件對震時實測GPS數據進行了解算研究，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地震時的高采樣率GPS數據進行處理，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的Tomoji Takasu教授開發的開源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，而核心函數采用C語言編寫（編譯成mex文件用于提高計算效率）。GpsTools的最新版本是0.6.4版，目前僅支持GPS衛星系統。該軟件具有動態+靜態模式和單差+雙差模式，支持多種GPS觀測數據格式和精密星歷及衛星鐘差改正文件格式，具有強大的GPS精密定位定軌功能。該軟件易學易用、全球已有幾萬個用戶下載并學習GpsTools。該軟件的功能界面及數據處理流程如下圖1所示。

3 GpsTools定位定軌數據處理

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

式中，x為參數向量，包括接收機位置/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地震監測數據處理

協調世界時（UTC）時間2010年4月4日22時40分，墨西哥Baja California地區發生了里氏7.2級地震，震中位置32.259N，115.287W，附近的GPS地震監測站P494、P496、P497、P744可提供5Hz采樣的GPS數據。我們使用歐洲定軌中心（CODE）發布的GPS精密星歷文件及5秒間隔的GPS衛星鐘差改正文件，基于傳統PPP模式，用GpsTools對上述測站進行了數據處理，得到了這幾個測站的坐標序列如下圖2所示。

由上圖2可見，利用GpsTools軟件對震時高采樣GPS數據進行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 結論和建議

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

參考文獻

[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軟件測試結果與驗證[J].武漢大學學報-信息科學版.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]. 武漢大學學報-信息科學版.2011，Vol.36（4）：437-441.

作者簡介

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

基金項目：陜西省教育廳科學研究項目：高采樣率GPS動態精密定位技術在地震監測中的應用研究（2010JK671）；國家自然科學基金青年科學基金項（41304013）。