融合多模GNSS和强震仪观测的地震实时监测技术方法研究

GNSS and strong-motion observations are two effective and valuable tools for earthquake monitoring, they with separate characteristics and have been widely used. The GNSS is easy to get high precision displacement, but with limitations of low sample rate, bad signal to noise ration and the signal with badly stability. Meanwhile, for the strong-motion sensors, it with high accuracy and temporal resolution acceleration records, but might be biased by so-called baseline shifts that are mainly caused by ground shaking induced tilting and/or rotation of the instruments, and will be seriously distorted while integrated into velocity and/or displacement. In order to complement the advantages of each sensor, this work will study the technology and method for earthquake real-time monitoring with the integration of GNSS and strong-motion records. It includes the following topics: 1. Real-time and fast get the displacement information based on GNSS observations; 2. Real-time and precisely correct the strong-motion’s baseline shift based on high-precision GNSS displacement; 3. Develop a real-time monitoring system based on GNSS and strong-motion records. By these studies, we can complement the advantages of each observation, develop a combined and high quality earthquake monitoring system, it can real-time provide high-precision and broadband motion information, which will be serviced for the earthquake monitoring and early warning. In addition, it provides a new way for the strong-motion baseline shift correction, it is meaningful for seismology and earthquake engineering.

GNSS和强震仪观测是监测地震形变的两种有效手段，它们已被广泛应用且各具特色。GNSS易于获取高精度位移，但存在采样频率低、高频信噪比低，信号稳定性差的缺陷；同时，强震仪易于获取高分辨率加速度，但因基线漂移误差的存在，其积分后的速度和位移常存在偏差。为了取长补短，优势互补，本课题将对融合多模GNSS和强震仪观测的地震实时监测技术方法开展研究，其中包括：1. 基于GNSS观测实时快速获取地表位移信息技术；2. 基于高精度GNSS位移实时准确校正强震仪的基线偏移误差技术；3. 基于GNSS和强震仪组合观测的地震实时监测系统设计。预期可以实现两种观测手段的优势互补，建立一种组合的高性能地震监测系统，实时提供高精度、宽频带的形变信息，为地震等灾害监测和预警服务；同时为强震仪的基线漂移校正提供新的思路，对地震学与地震工程具有参考价值。

GNSS和强震仪观测是监测地震形变的两种有效手段，它们已被广泛应用且各具特色。GNSS易于获取高精度位移，但存在采样频率低、高频信噪比低，信号稳定性差的缺陷；同时强震仪易于获取高分辨率加速度，但存在严重的基线漂移误差。基于此背景，本课题对融合多模GNSS和强震仪观测的地震实时监测技术方法开展了研究，攻克了基于GNSS观测实时快速获取地表形变位移技术，提出了附加电离层约束的RTK模型和顾及频率交互和系统交互的RTK定位模型，有效改善了常规RTK的性能，提出了估计系统间偏差ISB的多模PPP模型，提高了PPP的稳定性；研究基于GNSS位移实时准确校正强震仪基线漂移技术，提出了松组合和紧组合的解决方案，并研究了强震仪基线漂移与地表倾斜的关系，得到基线漂移主要由地表倾斜引起的重力加速度产生投影的重要机理；设计了融合GNSS和强震仪观测的地震实时监测平台，并进行了试验验证和专利申请，研制了相应的数据处理软件系统。基于课题的研究，实现了两种不同观测值组合后的优势互补，既可以克制GNSS的高频噪音，又消除了强震仪的基线漂移误差，可以实时提供高精度、宽频带的位置、速度和加速度形变信息，对滑坡地震等灾害监测预警具有重要实用价值。同时，高精度GNSS位置信息为强震仪基线漂移校正提供了新的途径，对地震学与地震工程具有科学参考价值。项目执行期间，项目组成员参加了EGU，CGU，ION-ITM，CPGPS，CSNC，IGS-workshop, ISGNSS等国内外的学术会议20余次，作相关学术报告20次，协助培养学生11名，发表论文40余篇，其中与本课题密切相关的SCI论文10篇，申请软件著作权4项，申请发明专利2项（已授权1项），出版英文专著1本。研制的实时精密定位技术和软件系统在陕西泾阳、紫阳和四川成都等地区的滑坡监测中得到了示范应用，并获得科技奖励3次。本课题积累的丰富研究成果和经验将会为后续开展融合GNSS和地震仪观测的灾害监测仪器设备研制提供重要的基础条件。