联合单站高频GNSS和强震仪的同震位移实时高精度解算方法

Earthquake disasters have posed a great threat to mankind. In recent years, earthquake early warning (EEW) is considered to be a pragmatic and viable way to reduce the damage and casualties during an earthquake. Currently, EEW systems (EEWs) based on the seismic data have been successfully implemented in many nations. Nonetheless such EEWs for large earthquakes still have some deficiencies in the estimation of moment magnitudes due to the incorrect coseismic displacements. In order to enhance the monitoring ability of near-field coseismic displacement, this project aims at the joint method of high-rate GNSS and strong-motion seismometers for obtaining high-accuracy coseismic displacement. Focusing on this core objective, the project studies real-time high-accuracy data processing approach (named the epoch-relative positioning) with a single GNSS receiver for coseismic displacement, establishes the combined model applied to a multi-rate robust adaptive Kalman filter of fusing GNSS-derived coseismic displacement with collocated strong-motion data, analyzes the methods of the P-wave detection, epicenter determination and magnitude estimation based on the combined results, and realizes the joint application of high-rate GNSS and strong-motion seismometers for real-time earthquake monitoring and early warning.

地震灾害给人类带来了巨大威胁，近年来地震预警已经发展成为减轻地震灾害损失的可靠途径。现行地震预警系统以地/强震仪为观测基础，但是在大地震发生时，地/强震仪难以准确获得近场长周期位移，从而影响震级估算，致使预警效果大打折扣。为增强近场长周期位移的监测能力，本项目拟引入高频GNSS技术，开展联合单站高频GNSS和强震仪的同震位移实时高精度解算方法研究。围绕该目标，重点解决单站GNSS单历元求解测站同震位移的问题，建立直接求解位移的历元间位置差法模型；系统评估卫星星历、电离层等主要误差源影响，研究可操作的处理策略；建立顾及基线偏差改正的GNSS与强震仪组合模型，构建自适应卡尔曼滤波器，获取更为完整准确的宽频带同震位移；发展基于组合结果的地震波到时拾取、震中反演、震级估算等关键技术方法，实现地震要素快速确定。研究成果可为今后联合高频GNSS和强震仪进行实时地震监测与预警应用提供科学依据和技术支撑。

地震是地球上最为常见的自然灾害之一，在准确的地震短期预测还无法实现的情况下，地震预警是一种行之有效的防震减灾措施。为了提高地震近场监测能力，将高频GNSS 技术引入到实时地震监测与预警中，项目开展了联合单站高频GNSS和强震仪的同震位移实时高精度解算方法研究工作。以历元间位移变化为切入点，通过重新构造GNSS解算模型，推导出直接求解测站同震位移的历元间位置差法，实现单站GNSS单历元快速、准确求解同震位移；全面、系统评估了电离层延迟、卫星星历、初始坐标位置误差等主要误差因素对历元间位置差法的影响量级和方式，并给出了误差改正策略；针对事后精密星历时效性差以及垂向同震位移结果略差的问题，发展出了基于IGS实时星历产品的历元间位置差法和附有接收机钟差模型约束的历元间位置差法。突破了GNSS与强震仪数据融合的关键技术，提出采用位置-速度-加速度三维状态模型来描述地震地面运动过程，将强震仪数据作为控制向量输入系统，同时引入基线偏差校正项描述强震仪基线偏差随机变化过程，并将GNSS位移作为“虚拟观测值”修正系统，构建了顾及基线偏差改正的GNSS位移和强震仪加速度观测值的组合模型，通过Kalman滤波算法能够将两种观测仪器的优势充分结合起来，获得了更为准确的宽频带同震位移。结合2011年东日本大地震，开展了高频GNSS和强震仪联合求解地震预警要素研究工作，采用STA/LTA方法和AIC准则联合拾取P波到时，采用Geiger法和网格搜索法确定地震震中，采用峰值位移与地震震级的经验关系估算震级，结果表明在震后102.87秒可获得Mw 9.17的预警震级，与真实震级十分接近，而未发生震级饱和现象。项目成果对于后续联合高频GNSS和强震仪进行实时地震监测与预警应用提供科学依据和技术支撑。