高频GNSS数据提取地震波信号的理论与方法研究

利用高频GNSS观测数据可获取高分辨率的瞬时地壳形变信息和地震波信号，为地震学研究提供了一种新的数据源，国内外的一些重大地球科学计划已将高频GNSS技术作为主要的信息获取手段之一。然而目前高频GNSS数据PPP动态定位结果包含各类噪声，若直接将其用于地震学研究，尚不能很好的满足地震物理机制提取等研究的要求。针对这一问题，本项目拟开展高频GNSS数据提取地震波信号的理论与方法研究。具体内容包括：精化对流层误差改正模型、基于观测值层面的测站环境误差建模方法、S-变换去噪方法以及探索地震波信号分离技术。其目的是在目前PPP动态定位厘米级精度水平的基础上，通过关键技术突破获取高精度的地震波信号，为GNSS地震学研究提供高质量的基础数据。本研究可为高频GNSS技术应用于地震学提供新的思路，具有重要的科学意义和研究价值，同时可促进空间大地测量学与地球物理学的学科交叉与融合。

2008年5月12日，我国四川汶川发生了Ms8.0级地震，造成了巨大的人员伤亡和财产损失。GNSS技术作为现代大地测量的主要观测手段之一，能获取地震时期高精度的地壳形变信息，特别是利用高采样率GNSS数据能获得地震时期瞬时同震地壳形变，从而得到地震波信号，为进一步研究地震震源破裂过程、地震波特性、地震震中反演等地震学问题提供一种新的数据源。然而目前高频GNSS数据PPP动态定位结果包含各类噪声，若直接将其用于地震学研究，尚不能很好的满足地震物理机制提取等研究的要求。针对这一问题，本项目开展了高频GNSS数据提取地震波信号的理论与方法研究。.本课题提出了一套采用高采样率GNSS数据获取高精度的瞬时地壳形变的动态数据处理方法。该方法基于非差处理模式，并结合恒星日滤波及S-变换方法后处理去噪，获得高精度的动态形变结果。以此为基础，利用模拟的震动实验平台和实测地震数据对相关方法进行了验证。其主要研究内容和成果包括：.深入分析了恒星日滤波方法消除与测站环境和卫星几何结构有关的GNSS连续观测数据处理系统误差（多路径误差、卫星轨道误差）的关键问题所在，通过恒星日滤波周期的选择改进恒星日滤波法。实验分析表明，与直接采用恒星日周期进行恒星日滤波相比，采用实际计算的平均卫星轨道重复周期进行恒星日滤波能提高约10％的定位精度。.深入研究并实现了S-变换去噪方法，并将该方法运用于GNSS地震波的去噪处理，从而使地震波到达时间的确定更加准确。针对GNSS地震波信号存在长周期误差项的特点，提出了S-变换加趋势项改正去除长周期的GNSS定位噪声的方法，从而有利于GNSS地震波信号应用于进一步的地震学分析。.本课题搭建了GNSS/地震仪震动实验平台，平台上分别安装有Trimble NetR8 GNSS接收机的天线和IMU设备，可以利用GNSS结果与IMU观测记录进行相互校验。实验结果表明，GNSS观测结果水平方向优于1cm，高程方向优于3cm。能完整的恢复了震动平台的震动波形。该相关研究结果已在《地球物理学报》和《Journal of Geodesy》杂志上发表。该结果证明，高频GNSS技术可高精度的监测地震波，为地震学研究提供了新的观测手段，丰富和扩展了空间卫星大地测量技术在地球物理学、地震学领域中的应用范围。

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