融合高频GNSS与加速度计的单站实时形变监测新方法及应用研究

For high-precision deformation monitoring of tall buildings, bridges, landslides and earthquakes, GNSS is complementary to accelerometers by providing long-term stable solutions. However, GNSS has the drawbacks of relatively large noise and low sampling rate. Moreover, high-precision GNSS positioning techniques need either reference stations or precise satellite orbit and clock products. This proposal aims to study the theory and method of GNSS and accelerometer integration and its applications in real-time deformation monitoring. We present a new method of integrating GNSS time-differenced observations and accelerometer data combined with trend removal. Using only the broadcast ephemeris, this method can monitor landslides and earthquakes in real-time at the precision of 2-5 cm. For tall buildings and bridges with high-frequency dynamic displacements, we present to apply high-pass filtering to further eliminate the low-frequency noise, and the precision of real-time deformation monitoring can be improved to 3-8 mm. In addition, we present a method to estimate and gradually update magnitudes comprehensively using multiple characteristic parameters based on the seismic displacements and velocities from integrated GNSS and accelerometer data, which can avoid the saturation problem of magnitude determination using traditional seismic instruments for large earthquakes (M>7). We expect to provide convenient and feasible solutions of high-precision real-time deformation monitoring and help to overcome the application difficulties, e.g., geohazard early warning, which have great research significance and practical values.

在高楼、桥梁、滑坡和地震的高精度形变监测中，GNSS技术可有效弥补加速度计无法长时间独立稳定工作的不足，但也存在定位噪声较大、采样率偏低问题，且高精度定位技术需要参考站或精密卫星轨道钟差产品。本项目拟开展GNSS与加速度计融合的理论方法及在实时形变监测中的应用研究，提出基于GNSS观测值历元间差分和加速度计融合及趋势项改正的新方法，仅采用广播星历可实现滑坡、地震实时位移监测精度达到2-5厘米；针对高楼、桥梁等建筑物动态形变监测，提出采用高通滤波进一步削弱形变信号中的低频噪声，可将实时形变监测精度提高到3-8毫米；提出基于GNSS与加速度计融合的多种特征参数综合确定、逐步更新的震级估计方法，解决传统地震仪器在大震（M>7）震级速报中容易出现饱和现象的问题。预期研究成果将为高精度实时形变监测提供一种方便可行的解决方案，同时有助于解决地质灾害预警等应用难点，具有很好的研究意义与实际价值。

在高楼、桥梁、滑坡和地震的高精度形变监测中，GNSS技术可有效弥补加速度计无法长时间独立稳定工作的不足，但也存在定位噪声较大、采样率偏低问题，且高精度GNSS定位技术需要参考站或精密卫星轨道钟差产品，因此GNSS与加速度计融合是实时形变监测一种较为理想的技术手段。本项目开展了GNSS与加速度计融合的理论、方法及在实时形变监测中的应用研究，项目主要研究内容和取得的重要结果如下：.1）在深入分析GNSS与加速度计优势互补特性的基础上，提出了GNSS历元间差分测速与加速度计融合的松组合方法，既解决了GNSS技术依赖参考站和精密星历、或者需要较长收敛时间（10-20分钟）的问题，又能充分发挥加速度计的优势，输出高精度、高采样率、宽频带的位移和速度时间序列。.2）在GNSS/加速度计松组合融合方法的基础上，提出了一种基于速度域的GNSS与加速度紧组合融合新方法，该方法不仅可以充分利用高频GNSS与加速度计的优势，而且以一种紧组合模式克服了松组合形式的级联问题。.3)基于GNSS历元间差分方法获得的测站速度时间序列和地震波形，提出了一种基于高频GNSS速度波形的PGV实时估计地震震级的新方法, 解决了传统地震监测仪器大震震级低估、饱和的问题。.4)提出了一种基于高频GNSS观测数据的大震线源模型快速反演方法,通过一个“三步”反演策略，能够在震后30秒内获得稳定且可靠的大震断层破裂长度、方向以及破裂模式（单侧或双侧破裂模式）。.项目产出了一套基于GNSS历元间差分测速与加速度计融合的单站实时形变监测理论、方法及软件系统，相关研究成果为高精度实时形变监测提供一种方便可行的解决方案，同时有助于解决地质灾害预警等应用难点，为高频GNSS在变形监测、地震预警、震后灾害评估以及应急响应的深入应用提供了坚实的技术基础。