CN101430384A - 地壳毫米级位移的实时精密监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地壳毫米级位移的实时精密监测方法，涉及地震测量技术，其中，1)大地域网格式布置发射点，在监测网节点上装置微小型卫星测量终端；2)全国的地面信息处理中心站，分为中心和区域中心；3)微小型卫星测量终端将获得的信息，向同步通信卫星发射，经卫星转发器转发下行，由地面信息处理中心站的大天线接收，数据集中收集处理；4)得到测量终端所在位置的地壳震动参量，位移和震幅测量分辨率≤1mm，测量频率≤50Hz，测量周期≤20ms；5)终端监测点，为无人值守运行。本发明可以实时连续精确的监测地壳的运动和变化，为预测预报地震提供信息，还可以测量堤坝、桥梁、高层建筑、大型设施等的震动与位移。

Description

地壳毫米级位移的实时精密监测方法

技术领域

本发明涉及地震测量技术领域，特别涉及地震活动实时精密监测，是一种地壳毫米级位移的实时精密监测方法，可提供地震预测预报的有关信息，由于能实现位移和震动的精确测量，可以应用于对位移和震动监测要求的相关领域。

背景技术

地震是最严重的自然灾害之一，类似于1976年发生在唐山、2004年发生在印尼和2008年发生在汶川的特大地震，会在极短的时间里造成房屋倒坍、道路中断、山体滑坡、通信中断、人员严重伤亡，损失极其惨重。准确的地震预报对减轻震灾的影响，特别是减轻人员的伤亡至关重要，所以地震活动性及预测预报研究特别受到人们的高度关注和重视。

中国是个多地震的国家，世界上容易造成灾害的陆地地震有1/3发生在中国境内，因此中国政府十分重视地震活动性及预测预报的研究。在地震研究中虽然人们已进行了多年的不懈努力，但是由于地震孕育和发生的地球物理过程十分复杂，而人类对地球内部的了解还很不深刻，所以直至今天都还没有研究得到具有一定准确度的地震的预测预报方法，地震预报仍然是一个世界性的科学难题。

许多研究表明，在大地震发生之前，震中所在的板块(或板块的交界处)及断层处往往会发生一定程度的异常运动，因此人们非常重视对它们的运动和变化的测量，试图通过对异常运动和变化的分析研究，寻找到地震的前兆现象，为大地震的预测预报提供有意义的信息。

现在能做上述测量，特别是能作高精度位移测量的技术有激光遥感勘测技术、射电干涉测量技术和GPS载波相位测量技术。其中常用的是GPS载波相位测量技术，采用能不间断观测的高频GPS接收机，结合高速通讯传输和高效率的GPS数据处理软件，使得由GPS接收机发展得到实时监测地壳运动的GPS地震仪，能对目前记录速度和加速度的地震仪起到重要的补充作用，GPS地震测量仪已可观测周期小于1秒的地壳位移，故能为研究地壳的破裂过程、地壳介质的非均匀特性和地震前后地壳形变短期变化的过程提供检测手段和方法。但现在商品化的GPS产品，如Trimble GPSPathfinder Pro XR/XRS，经载波相位处理定位的均方根误差(RMS)达到1cm±5ppm(45分钟卫星跟踪)。正在研发的GPS多历元精密定位测量法，经30s采样积分可以监测地壳的缓慢变化，精度已能达到mm级。但由于地震的主要震动频率分布在2Hz至50Hz的范围内(参见附图1)，所以要求能监测的频率应达到50Hz。但现有的测量技术对于高频(>1Hz)，特别是超高频(20～50Hz)频率震动的地震前兆变化测量还存在困难，主要是频率分辨率和幅度分辨率尚不能满足需求。

从原理上来说，因为GPS是天基定位系统，其空间绝对定位精度必须依赖于卫星的定轨精度，GPS卫星预报星历精度为米级，而精密星历是事后发布的星历，因而是难于实现实时高精度震动测量的。而激光测量法又存在反射镜和激光源的位置安放问题，也难于满足在广大地域里密集布设监测点的要求，以及还存在测量数据如何传输等等问题。甚长基线干涉仪(VLBI)可以通过接收很远的宇宙射电源发出的无线电信号(比如类星体)，通过测量信号到达基线上不同天线时的相位差，确定天线之间的基线变化。VLBI能监测相距很远的两地地壳的相对漂移，测量精度已能达到1mm级，但这类设备庞大、复杂、投资大，不能密集布网，不能满足实施网格式监测的要求，以及还需要解决大量测量数据的传输等等问题，所以也难于推广。

最近监测地震前兆现象和预报地震的科研工作有了新的进展。2008年7月9日英国《自然》杂志发表报告上说，首次在野外测量到了地震发生前断层岩石内部应力的变化，并证实岩石应力变化会实时影响地震波的传播速度。而且，已初步重复测量到地震波速度的极微小变化。这是科学家在地震“前兆”研究方面获得的最新进展。地震监测组的专家钮凤林说，岩石力学的实验表明，岩石内部的微破裂受应力变化会影响张开或闭合，这会导致地震波的传播速度发生微小变化。自上世纪70年代以来，地震学家就试图测量这种变化，但一直没有获得高精度的理想的测量结果。而他所在的勘测小组借助尾波干涉信号等新技术，利用灵敏度极高的新型测量设备，在加州圣安德烈亚斯断层带的一处实验场进行深井钻探勘测，结果在一些小震发生前数小时成功探测到岩石内部发生的微小物性变化，首次捕捉到了这种变化。一次在里氏3级地震发生前10小时，另一次在里氏1级地震发生前约两小时监测到了有用信息。如果后续的实验研究能够证实，在世界其他地区的断层地震活动中也普遍存在同样的岩石物性变化，那么将在此基础上有望开发出比较可靠的地震早期预警系统。据悉类似的深井钻探勘测在国内也曾探索过，但深井钻探工作量大，耗时长，难于广泛推广。

发明内容

本发明的目的是公开一种地壳毫米级位移的实时精密监测方法，可以实时、连续、精确的监测地壳(包括板块和断层)的运动和变化，提供有价值的信息，以为预测预报地震提供重要信息。本发明方法还可以测量堤坝、桥梁、高层建筑、大型设施等的震动与位移。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种地壳毫米级位移的实时精密监测方法，对地震活动提供实时监测，其中，

1)大地域网格式布置发射点，在监测网节点上装置微小型卫星测量终端，布点时，在地震活跃区域优先布点，并相对增加密度，全国布点总数为数千个；

2)全国的地面信息处理中心站，可分为中心和区域中心，分级运行管理；中心汇集全国测量信息，区域中心汇集省、市、或某一特定地区的测量信息；

3)微小型卫星测量终端将获得的信息，向同步通信卫星发射，经卫星转发器转发下行，由地面信息处理中心站的大天线接收，测量信息通过卫星传输到地面信息处理中心，数据集中收集处理；

4)得到测量终端所在位置的地壳震动参量，位移和震幅测量分辨率≤1mm，测量频率≤50Hz，测量周期≤20ms。

5)微小型卫星测量终端监测点，为无人值守运行。

所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其所述1)步中，微小型卫星测量终端相互间的距离为30～80km，总数为≥5000个。

所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其所述3)步中，地面信息处理中心站的大天线，天线口径在9～16米之间。

所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其所述3)步中，同步通信卫星，为至少二颗具有相同转发频段的通信卫星；微小型卫星测量终端与通信卫星之间的传输链路是功率或信噪比受限系统。

所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其所述3)步，是包括步骤：

A)地面中心站建立数据库，所有测量数据存储和处理都在地面中心站里实施；

B)通过安装在地面网点上的微小型测量终端，发射测距码、ID号、时间和轨位及其它气象、观测点位置等有关信息，信号经卫星转发，由地面中心站大口径天线接收后，经低噪声放大、下变频、伪码相关测距解扩、解调和解码步骤，得到地面微小型终端经卫星转发至中心站大天线相位中心之间的伪距和电文信息；

C)为了消除信号在传输过程中时延误差的影响，采用相邻两微小型测量终端经同一颗卫星由中心站同一面天线接收的两段伪距相减来消除误差的做法，最后冗余求解双曲面方程组的交会解，从而获得卫星或飞行器高精度的位置或轨位解；

D)得到精密轨位以后，再利用同一微小型测量终端至不同卫星的伪距测量值，并把这些伪距经相减处理消除误差后，解算得到微小型测量终端的精密位置；

E)把测得的微小型测量终端的精密位置或伪距与预先已确定或测得的微小型测量终端精密位置或伪距相减，得到偏差值，用这些偏差值摄动观测方程进一步修正卫星轨道位置，从而可进一步得到卫星轨道的更高精度的毫米级位置坐标值。

所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其所述4)步，利用3)步测得的伪距，经精细的数据处理，解算出测量终端所在位置的地壳震动参量。

所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其特征在于，所述经精细的数据处理，是：利用相似准则，用求差法消除传输途径中的时延误差；用设置未知数方法求解时钟偏差；以及多测点测量数据的冗余测量算法等。

所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其所述1)步中，在布点时，于所设的微小型卫星测量终端群中，选设多个基准站或校准站，基准站的位置预先精确知道或精确测量得到，或在监测中挑选，以求得传输途径中的多项误差值，确定了这些误差值，以修正信号传输途径上的其他邻近的伪距测量值，提高伪距测量精度；或用模型修正伪距中存在的有关传输误差；

精确测定基准站点位置坐标，则实现绝对定位测量。

所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其所述1)步中，微小型卫星测量终端装置直接产生地壳位移信息，同时配置其它测量仪器或传感器，如：GPS精密测地型接收机、震动测量仪、红外测量仪、二氧化碳及甲烷等特殊气体测量仪，由其他测量仪器和传感器收集更多的地壳变化信息汇集，馈送给终端，形成一个多测量信息的测量终端，并用微小型卫星测量终端以低的信息速率传输至地面信息处理中心站。

所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其为了提高测距精度，采用了伪码相关技术，包括窄相关技术，或采用载波相位或相位差测量技术测伪距或伪距差。

本发明方法不但能用于地壳活动的精密监测，而且能用于高层建筑震动的监测、水库坝体位移的监测、山坡流砂冰川等流动体的流动和变化的检测、江河湖海等水位升沉等监测、铁路路基的沉降和位移的检测等，也可以用于卫星轨位的精密测量、电离层特性和空气中水汽含量的测量，以及高精度卫星时间传输时准确度和稳定度的测量和监测。

附图说明

图1是地震波频率分布图；

图2是单路径测量系统传输链路示意图；

图3是利用复现的码确定测距码的传送时间；

图4是伪距测量的等效时间关系示意图；

图5是载波相位测量原理示意图；

图6是伪距相对变化测量方案原理示意图；

图7是伪距相对变化测量系统配置图；

图8是测点和基准测量点配置示意图；

图9是测点相对位置测量配置原理示意图；

图10是临潼测轨站测得伪距变化图；

图11是卫星轨位误差与基线误差关系示意图；

图12是姿态测量测点布置示意图；

图13是测量系统三大组成部分示意图；

图14是通信中心站设备配置框图；

图15是典型的GPS卫星钟的变化曲线；

图16是天顶方向电子含量的周日变化；

图17是测量终端组成功能框图。

具体实施方式

精确监测地壳(包括板块和断层)的运动和变化，尤其是若能以具有一定密度分布的测点进行监测，则其信息对地震预测预报的研究将具有重要的研究和应用价值。因此要求使用的方法、设备不仅应具有很高的精度，能瞬时收集测量数据，还应能符合密集建立测点的要求。本发明借鉴GPS卫星定位系统和CAPS(China Area Positioning System)系统的工作原理，运用卫星高精度伪距和载波相位测量、微小通信终端等技术，研制和形成能为地震预测预报提供重要信息的监测网，其中，微小型测量终端在网格上布点，这样即能实时传输各种测量信息，又能在地面中心站集中分析处理信息，从而能达到以毫米量级精度实现实时监测地壳(以及板块和断层)的运动与变化的目的，为地震活动性研究，特别是对预测预报地震提供有价值的信息和测量技术。

现有技术告诉我们：地震有前兆现象，地震前地块震动会发生变化，所以探测地震前兆变化是有可能的，为此本发明提出可以广域布测量点的、通过卫星监测地壳位移和微小震动的一种地壳毫米级位移的实时精密监测方法。

本发明的一种地壳毫米级位移的实时精密监测方法，满足下列各点：

1).大地域监测应该是网格式布点，布点时，在地震活跃区应优先布点，并相对增加密度。全国布点总数估计应达到数千个。为此，设备价格应尽可能地低。

2).测量信息通过卫星传输到信息处理中心，因卫星传输有覆盖面广、监测面大、信道信号传输稳定等长处。

3).数据应集中收集处理，全国可分中心和区域中心分级运行管理。

4).位移和震幅测量分辨率应优于1mm，能测量频率应达到50Hz。(即测量周期应短于20ms)。

5).监测点应无人值守运行，这样系统管理和运行成本低。

本发明的一种地壳毫米级位移的实时精密监测方法：

采用逆GPS、逆CAPS原理。在网格结点上安装能发射测距码和通信电文的微小型卫星通信终端设备，它具有把测量结点上各类测量仪器的测量信息及时回传至地面中心站的能力。信息回传采用伪码扩频通信体制，扩频码选用伪随机码，可以是GOLD码序列、Walsh码序列，或Chebyshev码序列等其它码序列。码频可以选用5MHz、15MHz、20MHz，甚至更高。通信电文信息中应有ID号、时间信息等，也可以传送测量仪器的测量信息等。终端发射已扩频调制的信号，经同步卫星转发至地面中心站。采用卫星传输主要是考虑到卫星覆盖范围广、监视面大、信道传输稳定等特点。为了减少投资，测量点一端采用微小型终端；为了改善整个卫星链路的传输信噪比，地面中心站采用大口径天线，这样就组成了经终端—卫星—直至中心地面站传输的卫星传输链路。它与CAPS是由导航站发测距码和导航电文，经卫星转发，由终端定位的传输链路不同，是反向传输链路，也称入站定位传输链路。所以说本发明设计是传统意义的卫星导航系统的逆设计。本发明设计中由终端发测距码和电文，由大站作伪码相关测伪距的技术是有一定长处的，主要是因为大站接受设备完整、功能强，信息也不再需要由其他系统收集，所以有测量与处理的实时性好、资料处理能力强等长处，再加上卫星覆盖范围广、监视面大、信道传输稳定、测量精度高等特点，所以使本发明技术的实用性得到很大的改善。

若同时还考虑保留原CAPS卫星定位链路的话，则终端成为有双向测距定位能力的定位通信终端。

本发明提出研制的观测设备在测量精度、实际应用等方面将可为地震测量提供新途径，特别是由于测量终端的结构简单，价格较低，很适宜于广泛布点，从而能构建成一个广域监测网，完成好网络监测的需求。测量原理：

1).伪随机码测距原理

单路径测量原理示意图如图2所示，其中，卫星1、地面站2、接收天线3、测量终端4。路径测量利用无线电测距工作原理，即无线电波在均匀媒介中为恒速直线传播，传播的时间与距离成正比，则利用无线电波在空间距离上的传播时延，可测出测量终端4经卫星1至地面站2的直线距离ρ：

ρ＝ρ^u+ρ^d＝c(T_g-T_b)       (1)

式中，ρ^u指终端至卫星1的上行链路，ρ^d指卫星1至地面站2的天线3相位中心的下行链路，T₁为无线电波测量终端4发射起始时刻，T₂为地面站2接收到电波的终止时刻。

由于是通过测时差获得距离值的，为此若要得到高精度的距离测量值，必然会对时间的测量精度要求极高，为此应在系统内设置高准确度和高稳定度的时频基准(原子钟)，传播时间的测量过程如图3所示。由测量终端4在t₁时刻产生特定的码相位，于t₂时刻到达地面站2的接收机处，地面站2的时钟在t时刻产生一个相同的编码测距信号，这个复现的码在时间上移动，一直到与测量终端4产生的测距码发生相关为止。如果测量终端4的时钟与地面站2的时钟是完全同步的，传输途径中又没有时延误差的影响，则相关过程将得到真实的传播时间。将这个传播时间ΔT乘以光速，便能得到测量终端4经卫星1到地面站2间的真实距离。然而，测量终端4和地面站2接收机的时钟一般不严格同步。地面站2配置了高稳定度的时钟，时钟偏差极小，而终端不可能配置稳定度太高的晶振或时钟，所以偏差会大一些。此外，信号在传输途径中也必然会受到各种因素的影响，产生一些时延。所以真正测量得到的是带有一些时延误差影响的距离，被称为伪距。因此要考虑终端时钟的不同步偏差t_b和其它各种时延的影响量。

这样，把由相关过程所确定的距离记为伪距，它包含：

(1)从测量终端4经卫星1到地面站2间的几何距离；

(2)由系统时与测量终端4时钟之间的差异造成的偏移τ_b；

(3)由系统时和地面站2时钟之间的差异造成的偏移t_g；

(4)传输途径中的其它时延误差的影响。

上述定时关系如图4所示，图中的各参量的含义如下：

Δ_t为几何距离的时间等效量；T_b为信号离开测量终端4时的系统时；T_g为信号到达地面站2接收机时的系统时；τ_b为测量终端4时与系统时之间的偏移；t_g为地面站2接收机时钟与系统时之间的偏移；T_b+τ_b为信号离开终端时刻系统钟的读数；T_g+t_g为信号到达地面站2接收机时系统时刻的读数。根据图4中所示的关系，可以得到几何距离r和伪距ρ的表示式

ρ＝c(T_g-T_b)＝cΔT                                     (2)

(3)

r＝ρ-c(t_g-t_b)                                        (4)

通常情况下，由于地面站2时钟准确度和稳定度高，还可以进行标校，所以t_g的误差可以忽略，则伪距变为

ρ＝r-cτ_b                                             (5)

根据测量终端4测距码和接收机复现码之间的相关性，可以确定ΔT乘以光速得到第i个终端的伪距测量值ρ_i。在转发式传输路径中，也可以把伪距分上行段伪距和下行段伪距两部分：

ρ＝L^u+L^d+τ_s                                          (6)

式中，L^u为上行伪距，L^d为下行伪距，τ_s为转发器时延。

若由时间差测量，则

ρ＝C(T_g-T_b)-Δρ                                      (7)

式中，T_g为地面站2收到信号时的时刻，T_b为终端发射信号的时刻，Δρ为有关误差的总和，其中包括微小终端发射通道时延t_t，终端时与系统时的偏差τ_b，信号上行传输途径中的电离层时延t^u _ai和对流层引起的时延t^u _ap，卫星1转发器时延τ_s，信号下行传输途径中的电离层时延t^d _ai和对流层时延t^d _ap，地面中心站接收通道时延t_r，中心站原子钟时与系统时的偏差t_g，以及其它误差t_o等。

为了更能精确地提高测量伪距的精确度，在伪距的时间差测量的基础上，可以辅以载波相位测量(见图5)，即

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_i=\mathrm{n\λ}+\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}({\mathrm{\φ}}_g-{\mathrm{\φ}}_b)+\mathrm{\Δ\ρ}\\ n=\mathrm{int}\left(\frac{c(T_g-T_b)}{\mathrm{\λ}}\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，λ为载波波长，

为地面站2接收信号时刻的载波相位，

为终端发射信号时刻的载波相位，n为模糊度，int[·]为取整运算。应用公式(8)时，若时间差测量精度小于

时，就不存在模糊度问题了。若时间差测量误差大于

就存在模糊度分辨问题，应予以注意。当采用C波段传输时，载波波长为7公分左右，若用载波相位测量，分辨精度能达到0.01λ，即0.7mm左右，所以在时间差伪距测量的基础上，辅以载波相位测量，则可以使伪距实时测量分辨精度达到1毫米量级以内。

2).测量地壳短周期高频震动的原理

对高频震动的测量，本发明提出采用伪距相对变化测量原理和方案，也就是系统只测量伪距随时间的变化状况，不直接求测量点的三维绝对坐标值的变化情况。这种测量原理和方法容易反映出测点位移的高频变化状态，实现实时测量地壳震动快变化量的目的。

在这个作相对测量的方案(见图6)中，我们关心的仅仅是伪距值随时间变化的情况，它能反映测点随时间变化时震动幅度变化量的大小及其变化规律。现令微小终端发射通道时延的变化量为△t_t，信号上行传输途径中的电离层时延变化量为△t^u _ai，上行传输途径中的对流层时延变化量为△t^u _ap，卫星1转发器时延变化量为△t_s，多径效应造成的时延值变化量为△t_m，信号下行传输途径中的电离层时延变化量为△t^d _ai，信号下行传输途径中的对流层时延为△t^d _ap，终端时频基准的偏差为△t_b，大天线3接收通道时延变化量为△t_r，其它误差变化量为△t_o。

所谓伪距变化量测量，其表达式可以表示为

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_i={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{oi}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_i+\mathrm{c\Δ}{T}_i\left(t\right)& \left(9\right)\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_i=\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{oi}}+\mathrm{c\ΔT}{\left(t\right)}_e& \left(10\right)\end{array}\right.$

式中，ρ_oi为真距离，c为光速，△ρ_i为有关时延误差的综合(除测点震动以外)，△ρ_oi为有关时延误差的均值总和。△T_e(t)为误差时延随时间的变化量；△T_i(t)为地壳的位置震动引起的伪距变化量。这里不要求对绝对时延误差进行精密测量，只测量测量终端4至地面中心站2间接收时延随时间的变化量，从而使测量难度大大降低。式(9)和式(10)中，误差随时间的变化量会影响伪距随时间变化量的测量，但仅限于高频变化分量与同频变化分量，而低频变化分量可以分离，如卫星1相对于地球转动的轨道误差量是可以分离的，它不影响相对测量结果。这种分离又可以得到卫星1轨道的精密测量值，也是很有价值的。高频分量和同频分量会影响测量结果的，所以要研究它们对测量的影响度。

3).监测地壳板块中长周期慢变化(漂移)的原理

CAPS是天基定位系统，所以需要精确测定卫星1轨位，同时通过测时差实现伪距测量，所以在其定位量测模型中采用在卫星1上可设置虚拟原子钟的方法，最后测经四颗卫星1的四段伪距，由空间交会法求解定位量测方程组，最后确定用户测量点的位置。下面为测量方程组：

$\sqrt{{(x_u-x_j)}^2+{(y_u-y_j)}^2+{(z_u-z_j)}^2}=c(T_u-T_s-t_{\mathrm{ai}}^D-t_{\mathrm{ap}}^D-t_r-t_m-t_o-t_u)$

j＝1，2，......，m                                 (11)

式中，虚拟原子钟度量时刻为

$T_s=T_g+t_{\mathrm{gi}}+t_i+t_{\mathrm{ai}}^U+t_{\mathrm{ap}}^U+t_s---\left(12\right)$

其中，T_u指信号到达用户终端接收天线相位中心时的时刻；T_s指信号离开转发器发射天线的相位中心时的时刻；T_g为信号到达地面站2大天线3相位中心时的时刻。t_gj指理想状态下信号从导航主控站至卫星1_j之间传输的时延值；t_r为接收通道的时延值；t_u为接收机时钟与系统时的偏差；t_m为多径效应造成的时延值；

为下行线路电离层时延值；

为下行线路对流层时延值；

为上行线路电离层时延值；

为上行线路对流层时延值；t_s为发射通道时延值，t_s为卫星1转发器传输时延。这里还没有包括卫星1质心与收发天线3相位中心差的折算时延的影响，在工程研制时这项也须考虑。这一类模型的导航定位量测方程与GPS相似，主要差别在于距离测量时起始计时基准是卫星1上的虚拟原子钟。GPS用户终端机可得到测量点位置，但地面中心站2不能直接知道用户位置，还需要有其它通信手段把信息汇总到用户中心。

本发明的方法借鉴GPS、CAPS的伪距测量方法和定位原理，但信号作逆向传输，我们称它为“入站测量”或“入站定位”。由测量终端4发信号，地面中心站完成伪距测量，并测定测量点终端的精确位置，实现测点定位。这类入站定位同样需要精确知道卫星1的高精度实时轨位，这一要求与CAPS出站定位方式相同。实现测量点入站定位同样需要空间布局合理的3～4颗卫星1，而且对各项影响伪距测量的误差需要实时精密测量、计算，或作适当处理，最后通过观测数据的时间积累才能实现最终测点的精确定位。

当实施这类定位时，若采用上述传统的做法，需要求得或测得各项影响伪距测量的时延误差，如：选一部分测量点，设双频或三频，用来精确测量轨位和测量分离出电离层时延；可以精确测量出接收和发射通道时延；可以依靠气象等资料测量出对流层时延；可以设未知数求解得到发射机时钟偏差。但这种做法求解伪距和测得各项误差还是比较困难的，也难于达到1mm量级测量精度。同时，这种方案对卫星1的测定轨精度要求也极高，测轨精度要达到毫米量级，至少要达到厘米量级，实现的难度也很大。为此，本发明另辟蹊径。采用相对比较测量法或叫做误差相消法，即考虑从相距不太远的两个测量点上的两个测量终端4经卫星1至中心站天线3之间的路径状况基本相似这一条件，采用两伪距相减法减去各相关误差(参见图7)，最后通过解双曲面交会方程组求解得到卫星1精密轨位，把轨位回代，求解球交会方程组，便可以得到测量点精确的三维位置坐标(已申请了“对卫星或飞行器轨道和位置实时精密测量方法”专利)。为了提高精度，本发明考虑采用在四周相邻板块上布置基准测量点5的做法(参见图8，其中，测量点5)，再用上述测量点5所用的同样方法测定出基准点的三维位置，但这些基准点还应该预先知道它们的精确位置，求得其已知值与测量值之后，利用求差法便可以得到偏差量，用这些偏差值去修正本板块上测量点5的测量值，可以使各测量点5的测量值修正得更精确。同时也可以方便的求得板块之间精确的相对变化量。

下面再详细叙述上述测量的求解过程：

(1)精确测定卫星1轨位(已申报了“对卫星或飞行器轨道和位置

实时精密测量方法”发明专利，专利申请号200810226676.7)

当两个测量点5的测量终端4发射信号经过一颗卫星1至中心站大天线3接收而得到的两段伪距相减时(参见图9)，可以减去绝大部分路径传输时出现的时延误差。在监测网中，测量点5很多，若取不震动的很多个测量点5为边界条件，求解部分测量方程，可以瞬时冗余求解得到卫星1的精密轨道位置。

对求解得到的卫星1轨位还可以进行修正，得到更精密的轨位。具体做法是利用求得的轨道位置计算部分测量点5位置，把测量点5的测量位置数据与测量点5已知的位置数据比较，相减可得偏差值。利用这些偏差值再进一步对卫星1轨道位置进行修正，便可以得到更精密的轨位。

(2)求解测量点5三维坐标

当卫星1轨道位置精确已知后，则测量点5的精确测量问题变为已知

卫星1位置求测量点5精密位置的问题，这时量测方程如下：

$\sqrt{{(x_j-x_i)}^2+{(y_j-y_i)}^2+{(z_j-z_i)}^2}$

$={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ij}}-t_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{ap}}-t_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{ai}}-t_i^t-t_i^b-t_{\mathrm{ij}}^o$

i＝1，2，......n，j＝1，2，...m         (13)

式中，i为测量点5的编号，j表示卫星1编号，而ρ_ij因无直接测量数据，需要从ρ_ijk与卫星1轨位及其它时延误差转化后求得。求得ρ_ij以后，便以这些卫星1为位置测量基准，以ρ_ij为定位圆半径求解圆方程组，便可以得到测量点5的测量终端4的精确位置，即

$\sqrt{{(x_j-x_i)}^2+{(y_j-y_i)}^2+{(z_j-z_i)}^2}+\sqrt{{(x_k-x_j)}^2+{(y_k-y_j)}^2+{(z_k-z_j)}^2}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ijk}}-t_j^{\′}-t_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{ap}}$

$-t_{\mathrm{jz}}^{\mathrm{ap}}-t_{\mathrm{jk}}^{\mathrm{at}}-t_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{at}}-t_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{at}}-t_i^t-t_k^r-t_t^b-t_k^g-t_{\mathrm{ijk}}^o---\left(14\right)$

i＝1，2，....，n₂，n₂<n

j＝1，2，....，m₂，m₂<m

k＝1，2，....，m₂，m₂<m

在求解方程(14)时，为了得到卫星1的精确坐标(x_j，y_j，z_j)，必须精确测出或求出影响伪距的各项误差，其中电离层误差可采用双频求解得到；发射通道和接收通道时延可以精确测出；对流层时延误差在干湿大气含量测出后，用模型计算得到。但因误差较多，有些时延精确测量又比较难，所以实际实施时有一定的难度。

本发明的解决办法是：采用同一测量终端4经相邻两颗卫星1到接收站两个天线3之间的伪距测量值求差，这样，可以把传输途径中的时延误差相消，这时变成求解下述方程组

$\sqrt{{(x_{\mathrm{ja}}-x_i)}^2+{(y_{\mathrm{ja}}-y_i)}^2+{(z_{\mathrm{ja}}-z_i)}^2}+\sqrt{{(x_k-x_{\mathrm{ja}})}^2+{(y_k-y_{\mathrm{ja}})}^2+{(z_k-z_{\mathrm{ja}})}^2}$

$\sqrt{{(x_{\mathrm{jb}}-x_i)}^2+{(y_{\mathrm{jb}}-y_i)}^2+{(z_{\mathrm{jb}}-z_i)}^2}+\sqrt{{(x_k-x_{\mathrm{jb}})}^2+{(y_k-y_{\mathrm{jb}})}^2+{(z_k-z_{\mathrm{jb}})}^2}=$

$({\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{ijak}}-{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{ijbk}})+\mathrm{\&Delta;}{t}_{\mathrm{erz}}---\left(15\right)$

i＝1，2，....，n₃，n₃<n

j＝1，2，....，m₃，m₃<m

k＝1，2，....，m₃，m₃<m

式中，Δt_erz为残差，若残差偏大，可以根据伪距差大小作相应的误差修正。只要Δt_erz足够小，可以不作修正。当卫星1数不少于三颗时，求解方程组(15)，便可以得到测量点5的三维位置坐标(x_j，y_j，z_j)。在相当一段时间内累计求解，便可以得到地壳精确的毫米级慢漂位移值。

通过上述求解，可以得到测量点5精密三维坐标。

另一个做法是相对定位做法(参图7)，也可以称测量点5间基线变化测量法：

(a).深入了解待测地壳的板块分布情况，在板块上作合适的网格布点，即选好测量点5；在板块外四周相邻的板块上也同样布好测量点5，选择部分测量点5作为基准点作为基准点的绝对坐标

需要预先精确测量得到。

在观测期间，设基准点位置观测值为(x_i，y_i，z_i)，这样便可以得出偏差为

$\mathrm{\&Delta;}{x}_i=x_i^o-x_i---\left(15\right)$

$\mathrm{\&Delta;}{y}_i=y_i^o-y_i---\left(16\right)$

$\mathrm{\&Delta;}{z}_i=z_i^o-z_i---\left(17\right)$

(b).同样，在待测板块上所有的观测点上测得测量点5位置为(x_e，y_e，z_e)，则可以利用基准点测出的偏差值来修正这些测量点5位置，修正后的测量点5位置值为

$x_e^o=x_e-k_1\mathrm{\&Delta;}{x}_i---\left(19\right)$

$y_e^o=y_e-k_2\mathrm{\&Delta;}{y}_i---\left(20\right)$

$z_e^o=z_e-k_3\mathrm{\&Delta;}{z}_i---\left(21\right)$

式中，k₁，k₂，k₃为影响系数；x_e，y_e，z_e为修正前的测量定位值。

上述方法为位置(或伪距)相似修正方法。

采用这种相对测量时，对卫星1的测定轨要求明显降低了，这时影响基线变化量的测量精度ΔB符合下式：

$\mathrm{\&Delta;B}=\frac{\mathrm{\&Delta;r}\&CenterDot;B}{r}---\left(22\right)$

式中，B为测量点5与基准点之间的连线，也称为基线长，r为卫星1的地心距，Δr为卫星1的轨道在r方向上的误差。

从式(22)可知(见图11)，卫星1测定轨精度对基线变化量的影响变小，当基线B为500公里至1000公里时，Δr为(40～80)Δb，即反映在同一测量精度要求下，对卫星1测定轨精度要求降低了。

为进一步改善相对位移的测量精度，实施和依靠的办法是长时间双卫星1路径相减修正测量和冗余测量，把中长周期板块相对漂移监测精度提高到1毫米(1mm)量级。

4).地壳的姿态测量

若在有些测量点5上布置多个测量终端4，但至少要有三个测量点5(如图12所示)，以基线正交为佳，则可以测量地壳的姿态变化。

若已知三点地壳升沉值分别为h₁，h₂，h₃，基线长为b₁，b₂，则地壳姿态变化偏转角为

${\mathrm{\&theta;}}_y=\frac{h_3-h_2}{b_2}$ ${\mathrm{\&theta;}}_x=\frac{h_1-h_2}{b_1}---\left(22\right)$

式中，θ_x，θ_y表示地壳的姿态偏转角量。

具体实施方式

1.测量系统组成方案

测量系统由空间卫星1、测量终端4和中心地面站2三大部分组成(见图13)。下面分别作简要介绍：

1).卫星1

卫星1选用同步静止轨道上的商用通信卫星1或退役卫星1(参见发明专利200610055009.2)(如亚太1号卫星，见图13)，使用频率为C波段。采用有丰富转发器资源的退役的同步通信卫星1完成信号传输，这样频带使用费用明显低于商用同步通信卫星1。若需要知道振动的各个分量或合成的震动矢量，则至少需要具有同频转发器的三颗同步卫星1。

2).地面中心站

因为测量终端4功耗小，天线3增益低，所以由其组成的卫星1链路是用户终端上下行链路信噪比受限系统，为了改善链路信噪比，地面站2一端要建造至少三面口径12米至16米的大天线3。天线3应有发射和接收能力，电子设备要有处理伪码扩频或解扩解调解码的能力，也要有多用户处理能力(设备配置参见图14)。

根据需要也可以建区域性的地面站2，区域地面站2有利于及时处理本区域内的信息。但区域地面站2与中心站必须建立信息交换约定。

通信中心站应有发射和接收功能，其设备配置框图见图14

3).终端

分为三大类：

①只有信息回传功能的测量终端4；

②具有双向通信传输功能的测量终端4；

③具有终端自主定位功能和终端双向通信功能的测量终端4。

微小型测量通信终端由微小天线3或天线阵、LNA、HPA、UC、DC、MODEM、信道编码、信源编码、接口、显示器、键盘等组成。测量通信终端机盒大致尺寸为200mm×150mm×60mm，功率为1W～5W。其原理框图见图17。

2.系统主要技术指标

1).卫星1：至少三颗同步轨道卫星

2).频段：C波段

3).使用带宽：36MHz

测距信号带宽：18Mchips/s

4).传输速率：100bps～2000bps

5).地面接收站天线3口径：12m～16m

6).地面站2的接收天线3数量：至少3面

7).终端发射功率：1W/5W

8).电池电压：24v，0.4A～2A

9).天线类型：单极子天线、微带天线、微带天线阵、微小口径抛物面天线

10).测量数据输出频率：10Hz至50Hz(可调)

11).测量分辨率：0.5mm

12).测量精度：1mm

13).扩频码码长：153450/58649/14663

14).地面测量终端4：具有双向传输能力.

机盒尺寸大小：200mm×150mm×60mm

重量：小于2kg

3.有关参数选择和数据处理

1).链路计算

计算地震网卫星链路的一种设计前提条件是：

(1)终端的收、发天线口径为1米；发射天线增益为33.7dBi，接收天线增益为30.2dBi(天线效率为60％)。

(2)扩频码速率：15Mcps

(3)信息速率：100bps/2000bps

(4)功率：1W/5W

(5)中心站天线3口径：16米天线

(6)回传用户数：5000个

(7)广播信道数量：10个

下面分别就回传和广播链路进行了功率核算，结果如下：

回传链路预算结果(见表1、表2)：

表1、回传链路结果—每用户占用转发器功率

表2、回传链路结果—链路余量

广播链路核算结果(见表3)：

表3、广播链路结果—链路余量和每转发器可容纳的用户数量

具体的链路计算结果见附表1。

2).关于卫星转发器容量问题

本测量方法中，测点有大量测量数据回传。但下行指令较少，所以是不对称的传输链路。应重点分析入站卫星传输链路，其容量如下：

(1)根据附件1卫星入站传输链路计算如表4所示，当终端发射功率为5W时，从功率角度来说每个转发器同时可容纳的用户数量为2500个用户，若有5000个用户，则需要占用两个转发器。如果终端发射功率为1W，从功率角度来讲每个转发器同时可容纳12500个用户，能满足5000个用户的要求。这时5000个测量站只需要1个转发器即可。

表4、回传链路结果—每个转发器可容纳的用户数量

(2)但从码的选择角度来说，在一个频带内不可能选出自相关和互相关特性都好的这么大数量的码。估计能选出600种以上。则以18MHz带宽计算，一个转发器带宽36MHz，可以分二段频带。

600×2＝1200个用户

即同时可容纳1200个用户，在5000个用户中，分(a)24小时内不间断地以50Hz输出测量数据的测量点；(b)24小时中以2Hz输出测量数据的测量点。前者布放在地震多发地区，约为1000个测点，后者布放在地震非活动区，约为4000个测点，选择(b)类测量点，需

(a)类测量点需

1000/1200＝0.83个转发器

根据计算，得到结果：基本上选用一个转发器就可满足入站定位和通信的要求。除了使用142°E上的亚太1号卫星1外，还可购买其它三颗退役星。在未购买前进行试验时，也可以寄生在其它卫星1的转发器上使用。

(3)从广播链路计算结果和表2所示链路余量和每个转发器可容纳的用户数量来说，在每颗卫星1上使用1～2个转发器即可满足5000个测量站的要求。

3).时钟短周期稳定度选择

终端时钟短周期时间稳定度必然影响伪距测量精度，要求测量误差小于1mm级。为此，分析计算如下：

1mm/(3×10⁸×1000)mm＝1/3×10^-11＝0.33×10^-11＝3.3×10^-12得出应购买高稳定度晶振或原子钟，时钟短周期稳定度应优于1×10^-11。。

4).扩频码码频码长选择

参见表5和表6

表5  扩频码码频选择

 

扩频码	10MHz	15MHz	20MHz	30MHz
					码片宽	30米	20米	15米	10米

表6  扩频码码长

 

码长	14663	29325	58649	153450
					码周期	1ms	2ms	4ms	10ms
20ms积分周期码重复次数	20	10	5	2

注：①初选扩频码码频为15MHz。

②码短对解调不影响，因解调是以信息码码宽为积分单位的。

③码短影响解扩，因解扩以扩频码码长为积分周期，则影响扩频增益，但可采用在几个码长上积分的办法弥补，但因在码长上积分为相干积分，在几个码长上积分为非相干积分，非相干鉴相器有平方损耗，所以其效果有区别，对测距精度影响也不一样。但因平方损耗在C/N_O小于25dB-Hz时，才比较明显，而入站链路的C/N_O大于25dB-Hz，所以影响不大。

④码短使码的保密性差，容易破译。

⑤码短捕获快。

5).震动矢量的反演问题

①每个伪距变化只反映测点震动的一个分量，当伪距方向与主震动方向比较一致时，反映情况明显；若伪距方向与主震动方向接近垂直时，反映会很不充分，正交时就没有反映。

②要测三段伪距，可以把三个伪距方向的震动分量在空间合成为一个空间主震动矢量，但空间合成比较复杂，现采用先求三段伪距震动分量在地心地固坐标系中的三个投影(Δx_i，Δy_i，Δz_i)，再于地心地固坐标系的三根坐标轴方向上合成，即

$\mathrm{\&Delta;x}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{x}_i---\left(22\right)$

$\mathrm{\&Delta;y}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{y}_i---\left(23\right)$

$\mathrm{\&Delta;z}=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{z}_i---\left(24\right)$

则合成的主震动矢量为

P＝△xi+△yj+△zk          (25)

这里有几个问题：

①测量的三站伪距分布应合理，三段伪距矢量夹角越大，合成矢量越精确。

②三段伪距矢量之间夹角越小，合成矢量越不精确，合成矢量也有可能还只是主震动矢量的分量值，所以以有倾斜轨道卫星1及极轨卫星1时为佳。

③上述相当于对星座分布提出要求，即星座分布形成的DOP(几何精度衰减因子)值应该小。

系统功能介绍

系统在地面站2测得各测量终端4发射的信号，对卫星1回传来的测距码进行解扩，解扩能测得伪距值，解调解码能获得电文，利用伪距测量值和电文中有关参数，可以进行数据处理。其功能为：

①用伪距随时间变化相对测量归算法，系统具有测量测点地面高频震动的能力，能以1mm级震幅测量分辨率和1Hz～50Hz的频率分辨率测量地壳短周期快变化的震动和波动。

②用天基定位归算法，系统具有测量测点地面三维空间位置坐标的能力，适当设置合理的基准站，则可以获得测量点与基准站之间基线的变化量，从而具有测量板块位移变化的能力(1mm级精度)，能以1mm级测量分辨率测量地壳的运动和形变；也能测量1mm/d、1mm/m、1mm/a量级地壳位移运动的中长周期的慢变化。

③若有些测量点上配置多台测量终端4，经合适布点则可以用于分析计算地壳的姿态变化。

④系统具有把测量点5的其它测量仪器和传感器的测量信息及其他信息自动回传至地面中心站2或区域中心站2的能力(也可以有地面站2向测量终端4发指令，完成双向通信)。这样，使监测网系统内具有双向数据通信传输的能力，需要时也可以配置话音和传输图象。若在测量点5上配置其他地震测量仪器，测量终端4同样可以把那些测量仪器的测量信息传回至地面中心站2。

测量精度论证和可行性分析

本发明使用的测量终端4体积小、成本低、自动化水平高，利于全国布点，同时可无人值守，所以可以建成监测网；又因为系统已具有通信功能，整个网的测量数据已直接汇总至地面中心站，故进行实时综合数据处理和计算十分方便；从有关应用与论证中已可证实伪距测量分辨率可达到1mm，在改进算法和使用载波相位(或相位差)分辨后，可以达到1mm量级伪距测量分辨率，输出频率可以实现50Hz，所以可以监测地震前兆的高频小震动。同时采用对双天线3观测的伪距相减方法，可以消除传输路径中的时延误差；多网点冗余测量可以实现实时精密测轨，为测点精密定位奠定了基础，再通过单测点信号经双卫星1传输的伪距相消法，最后实行测点高精度定位。这类方法再经时间累积，可以对地壳板块慢漂移实现监测。

对测量精度作如下分析：从原理上讲本方案的测量终端4时频基准稳定度可达1×10^-11s，高于GPS终端。地面站2配置铯原子钟，稳定度1×10^-13～1×10^-14也高于GPS星载原子钟。本发明入站定位，因卫星1均是同步通信卫星(GEO、SIGSO、IGSO卫星)，卫星1利用率高，要求卫星1数量少，系统的基本配置：在2～3颗同步轨道通信卫星1上租用转发器，系统再发射三颗IGSO卫星1或发三颗极轨小卫星1，这样星座的几何精度衰减因子可以达到4～6，测量精度会更有保证。此外，由于上行链路进入了伪距测量，增加了几项误差，所以必须重视误差修正或相消。

本系统功能多，除了能测地震震动外，还可以把测量点5上其他测量仪器和传感器的测量数据回传至地面中心站2，可以做到数据实时测量回传，从而为地震测量网解决了通信传输问题。

除了能测量板块移动的慢变化和测量点5地面震动和移动外，本方法同样可以实现对水库堤坝位位移的高精度监测，对江河湖海水位和堤坝位移的监测，对飞行器的位移、姿态和轨迹的监测，对高层建筑震动和沉降的监测，对铁路路基、山体滑坡的监测等，还可以实现卫星1等飞行器轨道位置的精密测量(参见“卫星等飞行器轨道的精密测量网系统”专利申请号200810226676.7)、以及电离层变化的测量，空中水气分布的测量等等。

1.监测地震的技术可行性论证

1).实际测量精度分析

在转发式卫星1测轨系统中取扩频码为20MHz，这时码片宽度为15米。已能达到伪距测量分辨率为3mm，相当于将码片相位已可以细分至五千分之一。

在汶川大地震中，临潼测轨站用SATRE Modem设备测得伪距变化图(见图10)，从这一实际测量结果分析，已可以充分证明伪距可以测量地震震动状态。但还存在三个问题，一个是测量精度问题，下面将进一步作仔细探索，特别是需要研究算法。另一个是频率分辨率问题。这次地震测量数据输出数据率为1Hz，可能丢掉了地震的高频分量，所以必须改进数据处理技术，一定要能输出50Hz的测量数据，才能测量出高频震动量。最后—点是必须改变系统设计，改变系统中使用的设备、测量模式及测量点5数量和分布，为此推出使用微小型测量终端4，经卫星1转发，由地面站2大天线3接收的入站定位测量系统方案，这一方案才能满足地震测量的要求，也能实现布网的要求。

2).伪距观测和伪距变化相对测量精度分析

(1)理论测距精度分析

转发式卫星1测轨和导航系统测量伪距时，经时延误差校准后，可得到很高的测距精度。扩频技术的应用，使系统有很好的抗干扰能力，通常宽带信号(例如：15Mchip)比窄带信号具有更好的抗干扰能力，更不易受到干扰，但强噪声会导致测量准确度和稳定度下降。伪码的测距跳动(随机误差)与信号跟踪环带宽有关，与链路功率或信噪比有关，与延迟锁定环带宽和系统稳定性有关，与积分时间有关，它们之间的关系可用下式表示：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{DLL}}=\mathrm{\&Delta;}*\sqrt{\frac{d}{4*T*(C/N_O)}}=\mathrm{\&Delta;}*\sqrt{\frac{{\mathrm{dB}}_{{\mathrm{\&tau;}}_{1}1}}{2*(C/N_O)}}---\left(27\right)$

其中：Δ为码片宽

为跟踪环带宽(单位HZ)

C/N_o为载噪比

T为平均时间(积分增益)

d为相关器间距

伪码测距精度与带宽和载噪比关系参见表7。

表7  测距精度(1秒观测时间)单位：厘米

本方案中令C/N_o＝50dBHz，Δ＝20m，则T＝0.02s，d＝0.1， ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{Dll}}=20000\&times;\sqrt{0.1/(4\&times;1\&times;{10}^5\&times;0.02)}=10\mathrm{cm};$ T＝1ms，＝1.4cm；T＝100秒，

＝1.4mm；T＝200秒，σ_DLL＝1mm。

载波测距分辨率可用下式表示：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{Pll}}=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{B_{{\mathrm{\&theta;}}_{1}1}}{2*(C/N_o)}}---\left(28\right)$

其中：λ为波长

为带宽(单位：HZ)

C/N_o为载噪比

本方案中λ＝75mm，B_θ,1＝10Hz，C/N_o＝50dB，σ_pll＝0.25mm

显然，载波测距精度比伪码测距精度高得多，已可达亚毫米级的测距分辨率。

在观测中可用码频从1M、2M、5M、10M、20M，甚至可以更高，显然用的码频越高，观测精度越高，成正比关系，20M的精度比1M的提高约20倍。

(2)关键测量设备选择

将在中心地面站2安装氢原子钟或铯原子钟，时间稳定度达到1×10^-13～1×10^-15。在终端处，外接高稳晶振(OSA，8607超稳恒温晶振，短稳0.2s～30s，5×10^-13，环境工作温度：-30℃～60℃)或铷原子钟频标，时间稳定度可以达到1×10^-11～1×10^-12，这样可以保证频率分辨率可以达到1×10^-11。由于地面中心站有很强的数据处理能力，可以采用码精细采样窄相关优化搜索算法，分辨率取决于系统信噪比和采样频率的限制，估计能做到10^-11，分辨率能优于1mm以内。又由于每次单历元相关时间为10ms，若采用2次(20ms)累加后输出一个数据，则既满足50Hz数据要求，又可以改善数据精度，若再采用载波相位比较方法，则更佳。因为C波段载波波长为7.5cm，若细分为1/100则分辨率可以达到0.075cm，即0.75mm。

(3)测量数据的处理准则

主要指伪码ρ_i测量数据的处理，ρ_i的相关测距单周期时间长度见表3，可采用多历元积分，即多个测量数据求均值的办法来减小测量值的随机误差，假设码长为153450个码时，每个码历元周期时间长度为10ms，则在20ms内，2次求和完成一次平均值，即n＝2

这时测量精度

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{1}{\sqrt{n}}\mathrm{\&delta;}=0.7\mathrm{\&delta;}---\left(29\right)$

若在1s内，则可以100次求和完成一次平均值，即n＝100，这时测量精度σ＝0.1δ。

n取得小，精度提高的效果差；n取得过大，会使各误差变化值加大，影响伪距值的测量精度。

若数据取样时间为20ms，此时，分析有关误差变化量，若是低频变化量，可以剔除，如卫星1轨道误差是可以分离的，若是接近频率变化量，或者是高频变化量，则变化幅值应明显小于待测的震动辐度，一般要求应小于1/10。电离层时延变化(见图16)、对流层时延变化、接收通道时延变化、发射通道时延变化、转发器时延变化均是低频变化的，在要求时间内，幅值变化均应小于要求误差的1/10，这时这些误差变化量不影响测量精度。

多站点测量是冗余测量，可以实现冗余计算。如对卫星1轨位计算时，采用了100个测量站，则分辨率可以提高约10倍。

下面收录介绍部分时延误差影响情况

①.钟差残差变化情况

钟差残差变化情况见图15。

②.电离层的时延变化情况

电离层的时延与电子含量有关，图16是夏威夷一个太阳观测站的天顶方向电子含量的周日变化图。

从上面分析可看到：在伪距相对测量中，时延误差的变化量远低于50Hz，对伪距测量的影响可忽略，或可分离出误差的变化量。所以采用高精度测时间差和辅以载波相位测量，震动测量分辨率1mm是可以达到的。

3).地壳测点定位精度分析

(1)卫星1轨位测定精度分析

由于采用了基准点和测量点间的相对测量，也就是采用了基线变化量的测量方法，这时对卫星1轨位的测量要求大幅度降低，即卫星1轨道越高，轨道误差对地面相对定位的影响越小，之间关系符合式(22)：

对本发明监测网系统，同步通信卫星1的地心距约为42000公里，5cm的径向定轨误差，在地面500公里范围内，差分定位的误差不会超过1mm，由于对轨位的精度要求放宽，所以更宜实现，具体说明如下：

i)采用相邻两测站两段伪距相减法，误差已基本消去。因伪距测量值的偏差已消去，随机误差是1mm级的，故伪距差随机误差也应达1mm级。

ii)采用差分定位做法，以基准站已知坐标生成的伪距，与测量的伪距相减，求出系统偏差(可修正附近各测站伪距)。伪距测量精度也应是1mm级的，因测轨站伪距测量分辨率现在已达到3毫米量级，现按它来估算，设星座DOP估值为4(应发IGSO星)，则卫星1定位误差变为12mm。由于测点测量数可达100～1000个，若取100个，则卫星1测轨数据处理分辨率可达

$\frac{12}{\sqrt{100}}1.2\mathrm{mm}---\left(30\right)$

对基线误差的影响已小于0.03mm。

(2)测点位置相对位移测量精度分析

(3)地壳板块慢变化漂移

①参考GPS差分定位原理，用基准点已知坐标值(应为亚毫米级)与精密轨位计算的伪距值，与实际测量的伪距值相减求得偏差，用这个偏差值测量点的伪距，可以提高测点的定位精度，这时精度还取决于：

①「卫星1的分布，设DOP值为4，则测量点5定位精度变为4mm；

②每历元测量伪距的相关时间为1ms，若测1秒钟，可测1000次为冗余测量，同样可减少误差至

$\frac{4\mathrm{mm}}{\sqrt{1000}}=0.12\mathrm{mm}---\left(31\right)$

但还存在基准点与测量点5之间时延误差的小差异和伪距差中包含的时延误差的影响。

因为时频基准精度高，所以测点与基准点相对位移测量值应明显优于GPS差分。

(4)测量点5定位测量精度分析

假设已能测得高精度级卫星轨位，求测量点5定位精度。

探索途径有：

①采用各项误差修正法：双频或三频修正电离层误差，用测量分析法求卫星转发器时延，用模型法修正对流层时延等等，但比较困难。

②用伪距相减修正法

采用伪距相减法可以消去多项时延误差，所以能提高精度。

③可以考虑伪距差中的误差修正，从而提高绝对测量精度。

4)测姿精度分析

若伪距方向测量分辨率为1mm，并设基线长为1km，则地壳姿态测量精度可由公式(18)得

测姿精度可达到角秒级。

5)频率分辨率问题

必须能输出50Hz的测量数据，才能测出短周期(高频)震动量。假设选测距码码长14663，码周期10ms，积分20ms周期码重复2次，可输出50Hz的测量数据。

6)改变系统设计

改变测量模式，由微小型测量终端4发射，地面站2的大天线3接收，采用卫星1转发的入站定位测量方法。

星座分布不如GPS，应发射三颗IGSO卫星，这样使星座DOP值变小，精度更有保证。

改变测量点5数量与分布；实现网格式布点，地震活跃区优先布点，并相对增加密度，全国在0.5度×0.5度格点上布设测量点5，测量点5总数估计应有5000个。

Claims (11)

1.一种地壳毫米级位移的实时精密监测方法，可对地震活动实时监测，其特征在于，

1)大地域网格式布置发射点，在监测网节点上装置微小型卫星测量终端，布点时，在地震活跃区域优先布点，并相对增加密度，全国布点总数为数千个；

2)全国的地面信息处理中心站，分为中心和区域中心，分级运行管理；中心汇集全国测量信息，区域汇集省、市或某一特定地区的测量信息；

3)微小型卫星测量终端将获得的信息，向同步通信卫星发射，经卫星转发器转发下行，由地面信息处理中心站的大天线接收，测量信息通过卫星传输到地面信息处理中心，数据集中收集处理；

4)得到测量终端所在位置的地壳震动参量，位移和震幅测量分辨率≤1mm，测量频率≤50Hz，测量周期≤20ms；

5)微小型卫星测量终端监测点，为无人值守运行。

2、如权利要求1所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其特征在于，所述1)步中，微小型卫星测量终端相互间的距离为30～80km，总数为≥5000个。

3、如权利要求1所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其特征在于，所述3)步中，地面信息处理中心站的大天线，天线口径在9～16米之间。

4、如权利要求1所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其特征在于，所述3)步中，同步通信卫星，为至少三颗具有相同转发频段的通信卫星；微小型卫星测量终端与通信卫星之间的传输链路是功率或信噪比受限系统。

5、如权利要求1所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其特征在于，所述3)步，是包括步骤：

A)地面中心站建立数据库，所有测量数据存储和处理都在地面中心站里实施；

B)通过安装在地面网点上的微小型测量终端，发射测距码、ID号、时间和轨位及其它气象、观测点位置等有关信息，信号经卫星转发，由地面中心站大口径天线接收后，经低噪声放大、下变频、伪码相关测距解扩、解调和解码步骤，得到地面微小型终端经卫星转发至中心站大天线相位中心之间的伪距和电文信息；

C)为了消除信号在传输过程中时延误差的影响，采用相邻两微小型测量终端经同一颗卫星由中心站同一面天线接收的两段伪距相减来消除误差的做法，最后冗余求解双曲面方程组的交会解，从而获得卫星或飞行器高精度的位置或轨位解；

D)得到精密轨位以后，再利用同一微小型测量终端至不同卫星的伪距测量值，并把这些伪距经相减处理消除误差后，解算得到微小型测量终端的精密位置；

E)把测得的微小型测量终端的精密位置或伪距与预先已确定或测得的微小型测量终端精密位置或伪距相减，得到偏差值，用这些偏差值摄动观测方程进一步修正卫星轨道位置，从而可进一步得到卫星轨道的更高精度的毫米级位置坐标值。

6、如权利要求1或5所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其特征在于，所述4)步，利用3)步测得的伪距，经精细的数据处理，解算出测量终端所在位置的地壳震动参量。

7、如权利要求6所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其特征在于，所述经精细的数据处理，包括：利用相似准则，用求差法消除传输途径中的时延误差；用设置未知数求解时钟偏差以及多测点测量数据冗余处理算法。

8、如权利要求1所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其特征在于，所述1)步中，在布点时，所设的微小型卫星测量终端群中，选设多个基准站或校准站，基准站的位置预先精确知道或精确测量得到，或在监测中挑选，以求得传输途径中的多项误差值，确定了这些误差值，以修正信号传输途径上的其他邻近的伪距测量值，提高伪距测量精度；或用模型修正伪距中存在的有关传输误差；

精确测定基准站点位置坐标，则实现绝对定位测量。

9、如权利要求1所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其特征在于，所述1)步中，微小型卫星测量终端装置直接产生地壳位移信息，同时配置其它测量仪器或传感器，由其他测量仪器和传感器收集更多的地壳变化信息，馈送给终端，形成一个多测量信息的汇集，并用微小型卫星测量终端以低的信息速率传输至地面信息处理中心站。

10、如权利要求1所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其特征在于，所述其它测量仪器或传感器，为GPS精密测地型接收机、震动测量仪、红外测量仪、二氧化碳及甲烷气体测量仪。

11、如权利要求1所述的地壳毫米级位移的实时精密监测方法，其特征在于，为了提高测距精度，本方法采用伪码相关技术，包括窄相关技术，或采用载波相位或相位差测量技术测伪距或伪距差。

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