高频GPS及其在测速和地面强运动监测中的应用

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1、国中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文匿麴鱼堕丛基查塑9重塑垫亘塑重麴堕捌生数廑旦作者姓名：鄞爱蟹指导教师：王勇班究虽学位类别：王堂埴±学科专业：盔垫趔量堂生测量王担中国科学院测量与地球物理研究所湖北·武汉二零一三年一月High—rateGPSandItsApplicationinVelocityDeterminationandStrongGroundMotionMonitoringByi／AizhiGuoADissertationSubmittedtoUniversityo

2、fChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofGeodesyandSurveyingEngineeringInstituteofGeodesyandGeophysics，ChineseAcademyofSciencesWuhan，430077，P．R．ChinaJanuary，2013摘要随着GPS硬件的发展，越来越多的动态测量系统和地面连续观测网络采集并保存了高频GPS观测记录。这些高频GPS数据蕴含着丰富的信息，因

3、此充分挖掘高频GPS数据的潜力，扩展其应用范围具有重要的现实意义。安置在高速运动载体上的GPS接收机，通过提高数据采样率可以提高空间分辨率；和地球固连的GPS接收机，通过提高采样频率有望提高捕获更高频率的信号，扩展GPS可捕获信息的频带宽度。本文针对高频GPS数据处理，及其在测速、地学信号捕捉和地面强运动监测中的应用进行了研究，主要工作如下：(1)高频GPS的数据处理策略。分析了GPS的定位发展、原理、模型以及误差来源，研究了高频GPS定位的数据处理和抑制多路径效应的滤波方法，重点分析了利用GIPSY软件PPP模式进行高频GPS数据处理

4、的策略。(2)实时单点测速理论研究及软件实现。分析了GPS测速的三种方法，重点研究了利用相位变率进行实时单点测速的模型和误差来源，并利用C++语言编写了实时单点测速软件GVADAS。通过分析对比可知，利用相位变率实时单点测速可以达到mm／s～cm／s的测速精度，利用相位变率实时单点测速精度优于商业软件WayPoint利用多普勒观测事后单点和事后差分测速的精度。(3)发展-f禾tJ用高频GPS结合小波分解重构获取地震静态永久性变形的方法。以往研究中多通过地震前后两个静态解算结果求差估计同震形变，但是这种数据处理策略的结果中常常包含了强余震

5、和震后蠕滑／形变的影响，会给后续的静态位错模型反演等工作带来一定的误差。本文利用PPP模式处理的高频GPS动态位移序列，结合小波分解重构的方法，对分离主震静态永久性变形、余震静态永久性变形和震后蠕滑进行了研究。通过分析2010年ElMayor．Cucapah地震和2011年东日本大地震结果表明，该方法可以提取和以往处理策略精度相当的静态永久性变形信号，可以有效分离主震静态永久性变形、余震静态永久性变形和震后蠕滑，为反演静态位错模型等提供更加精准的信息。T(4)首次利用高频GPS捕获地震核震相SoS。从高频GPS在地震学中获得应用至今，能

6、够被高频GPS捕获的震相包含了P波，S波，W波以及面波(Rayleigh波和Love波)。在应用中也多采用这些信噪比较高和能量较强的震相，对面波以后到来的信号鲜有研究。在2011年3月11日东日本大地震发生后，通过处理中国陆态网络192个连续观测站的高频GPS数据，高频GPS记录清晰的捕捉到了东日本大地震引起的强运动，其中的震相包括P波，S波，W波以及面波。除此之外，在10。～25。观测站上的结果还显示了一个微弱震相，初步判断为地核反射震相SoS。通过和临近的宽频带地震仪以及合成理论地震图的对比研究，最终确认了SoS的存在。这也是首次利

7、用高频GPS观测到核震相SoS。(5)基于GPS实时单点测速的地面强运动监测研究。在研究高频GPS实时单点测速的基础上，对利用高频GPS测速进行地面强运动的监测、预警和快速响应进行了探索研究。通过ElMayor．Cucapah地震数据表明，GPS不仅获取高精度的地面强运动的速度信息，通过一次积分、带通滤波还可以获取高精度的短周期位移信息。相对于强震仪获得的短周期位移，高频GPS获取的短周期位移不会受地面强运动的影响，可以避免地面倾斜时引起的虚假信号。通过对收集的2008年汶川地震的资料分析表明，实时单点测速可以很好的用来进行实时的烈度评

8、定，同时还发现汶川地震时，陕西泾阳县某高频GPS观测站周围存在一个Ⅶ度异常区域。该方法不仅适用于对强震的监测，对于强震中的远震观测站和中等地震近震观测站也同样适用。基于GPS测速的实时同震位移确定也在研究中