CN112731487A - 一种基于高稳定度原子钟的gnss同震位移确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法，在历元间位置差法的基础上，通过对配备有高稳定度原子钟的接收机钟差进行建模和预报，将其作为外部约束条件，从而降低接收机钟差同垂向同震位移的相关性，提高垂向同震位移解算精度。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术及地震应用领域，更具体的说，是涉及一种利用配备有高稳定度原子钟的GNSS接收机快速、高精度确定测站同震位移的方法。
背景技术
地震是地球上最为常见的自然灾害之一，其中极具破坏力的大地震引起的强地面运动以及其次生灾害给人类造成了巨大的灾难。通常使用的强震仪和地震仪无法快速可靠地获取大地震近场位移信息。随着高频GNSS技术的快速发展，其已能用于监测短期瞬时的地表运动状态，可以较好地获取近场同震位移，为地震研究提供了一种新的、可靠的数据源。但是，在GNSS数据解算过程中，垂直方向精度普遍低于水平方向上的精度，主要是因为接收机观测到的卫星全部位于测站地平面的同一侧，这种在几何上非对称的图形结构使得接收机钟差参数和测站在垂直方向坐标之间表现出强烈的相关性，这种强相关性使得测站垂向同震位移解算精度偏低。我们无法改变测站观测卫星的非对称图形结构，但是可以对接收机钟差进行建模，从而降低钟差和位移参数的相关性，提高测站垂向位移解算精度。因此，有必要研究更高精度的GNSS同震位移解算方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出了一种基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法。该方法在历元间位置差法的基础上，通过对配备有高稳定度原子钟的接收机钟差进行建模和预报，将其作为外部约束条件，构建附有接收机钟差模型约束的历元间位置差法，从而降低接收机钟差同垂向同震位移的相关性，提高垂向同震位移解算精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法，包括以下步骤：
步骤一，建立历元间位置差法误差方程，并进行GNSS同震位移解算，包括周跳探测等数据预处理过程，利用已知条件或误差改正模型修正各类误差，通过最小二乘方法求解三维GNSS同震位移和钟差变化等四项待估参数。
步骤二，采用多项式拟合模型对接收机钟差变化进行建模，确定出多项式拟合模型系数。
步骤三，以多项式拟合模型为钟差变化约束条件，并结合历元间位置差法误差方程，构建附有接收机钟差模型约束的历元间位置差法，并进行GNSS同震位移解算，提高解算精度。
步骤一中利用历元间位置差法求解GNSS同震位移的主要环节包含：周跳探测等数据预处理过程，各项误差项改正和利用最小二乘法进行参数估算。步骤一中关键在于利用已知条件或误差改正模型修正各项误差，具体地说：将地震前的测站精确坐标作为已知条件，假定地震期间载波相位模糊度不发生变化，对流层延迟变化忽略不计，使用双频无电离层组合观测值消除电离层影响，使用精密轨道和钟差可消除轨道误差和卫星钟差影响，同时基于相对论效应模型、相位缠绕模型、Sagnac效应模型、固体潮和海潮模型、卫星/接收机端天线相位中心偏差与变化模型修正相应误差源的影响。
步骤二中进行接收机钟差变化建模。采用多项式拟合模型对配备有高稳定度原子钟的接收机钟差变化进行建模。利用地震前一段观测数据，经历元间位置差法确定该时间段内接收机钟差变化，然后求解出多项式拟合模型系数。
步骤三中构建附有接收机钟差模型约束的历元间位置差法，主要是将接收机钟差变化模型作为约束条件引入到历元间位置差法中，并以此模型解算地震时段同震位移。此时待估参数仅剩下三维同震位移，钟差变化由接收机钟差模型给出，从而降低接收机钟差同垂向同震位移的相关性，提高GNSS垂向同震位移解算精度。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明提出的一种基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法，通过对配备有高稳定度原子钟的接收机钟差变化进行建模，并将其作为外部约束条件引入到历元间位置差法中，使得待估参数仅剩下三维同震位移，钟差变化由接收机钟差模型给出，从而降低接收机钟差同垂向同震位移的相关性，提高GNSS垂向同震位移解算精度。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图；
图2是本发明实施例求得的测站USUD垂向同震位移序列对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的和技术方案更加清晰，下面对本发明作进一步的描述。
本发明介绍了一种基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法，所谓的基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法是指附有接收机钟差模型约束的历元间位置差法。对配备有高稳定度原子钟的接收机钟差变化进行建模，并将其作为外部约束条件引入到历元间位置差法，从而降低接收机钟差同垂向同震位移的相关性，提高GNSS垂向同震位移解算精度。
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
2011年3月11日05:46:39GPST在西太平洋海域发生了Mw 9.0东日本大地震。从IGS观测网中选择测站USUD进行处理和说明。测站配备有高稳定性氢钟，数据采样率为1Hz，所选数据时间范围从05:45:00至05:59:59，共计15分钟，包含了整个地震过程。值得说明的是一般地震的持续时间不超过5分钟，选择15分钟进行分析，主要是为了更好的展示本发明方法的稳定性、可用性。
本发明基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法，由建立历元间位置差法误差方程、接收机钟差变化建模、构建附有接收机钟差模型约束的历元间位置差法三个主要部分组成。图1为本发明提供的基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法流程图，本发明包括以下步骤：
步骤一，下载USUD站高频GNSS观测数据，并下载IGS(International GNSSService，国际GNSS服务)提供的当天精密轨道和精密钟差信息，以备后续求解卫星位置和卫星钟差时使用。
步骤二，对USUD站高频GNSS载波相位观测数据进行周跳探测。采用MW组合观测值法和无几何距离(GF)的电离层残差法对每个历元每颗卫星的载波相位观测数据进行周跳探测，一旦MW和GF检验量超过其设定的阈值，则判定该卫星的观测值发生了周跳，并进行标记。被标记为周跳的卫星不参与相应历元的解算。
步骤三，构建元间位置差法误差方程。在该步骤中，将地震前的测站精确坐标x(t0)作为已知条件，假定地震期间载波相位模糊度不发生变化，对流层延迟变化忽略不计，使用双频无电离层组合观测值消除电离层影响，使用精密轨道和钟差可消除轨道误差和卫星钟差影响，同时基于相对论效应模型、相位缠绕模型、Sagnac效应模型、固体潮和海潮模型、卫星/接收机端天线相位中心偏差与变化模型修正相应误差源的影响，历元间位置差法误差方程具体可表示为：
其中，t表示信号接收时刻；j表示载波相位标识；
是载波相位的OMC值；
是接收机r到卫星s的方向余弦；x是接收机位置，x(t0)是地震发生之前时刻t0接收机的位置；tr表示接收机钟差；
表示各项误差和载波相位观测噪声综合值；ΔK(t0,tn)表示相应变量从t0到tn之间发生的变化值。由公式(1)可知，待估参数为三维同震位移Δx(t0,tn)和一维钟差变化Δtr(t0,tn)，当可视卫星数达到4颗或以上时，可利用最小二乘法进行解算，从而得到测站同震位移。
步骤四，对USUD站接收机钟差变化建模。利用地震前一段观测数据，经历元间位置差法确定该时间段内接收机钟差变化，然后采用多项式拟合模型拟合该时间段内接收机钟差变化，并利用最小二乘法求解出多项式拟合模型系数a1和a2。
步骤五，构建附有接收机钟差模型约束的历元间位置差法。以步骤四所得多项式拟合模型为钟差变化约束条件，并结合历元间位置差法误差方程，构建附有接收机钟差模型约束的历元间位置差法，具体表达可见公式(3)，并以此模型解算地震时段同震位移，此时待估参数仅为三维同震位移Δx(t0,tn)，钟差变化由接收机钟差模型给出，从而降低接收机钟差同垂向同震位移的相关性，提高GNSS垂向同震位移解算精度。
本例的结果如图2所示。在图中，虚圈线是历元间位置差法解算结果，虚“+”线是本发明方法所得结果。对比两者结果，特别是在地震波消退后，测站重归静止后，本发明方法所得垂向同震位移结果更加稳定，更接近于真值“0”附近，而历元间位置差法结果在部分时段有波动。由此说明本发明方法有效，提升了垂向同震位移解算精度。
上述仅是示意性的，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立历元间位置差法误差方程，并进行GNSS同震位移解算，包括周跳探测等数据预处理过程，利用已知条件或误差改正模型修正各类误差，通过最小二乘方法求解三维GNSS同震位移和钟差变化等四项待估参数；
步骤二，采用多项式拟合模型对接收机钟差变化进行建模，确定出多项式拟合模型系数；
步骤三，以多项式拟合模型为钟差变化约束条件，并结合历元间位置差法误差方程，构建附有接收机钟差模型约束的历元间位置差法，并进行GNSS同震位移解算，提高解算精度。
2.根据权利要求1所述的基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法，其特征在于，步骤一中所述修正各种误差是将地震前的测站精确坐标作为已知条件，假定地震期间载波相位模糊度不发生变化，对流层延迟变化忽略不计，使用双频无电离层组合观测值消除电离层影响，使用精密轨道和钟差可消除轨道误差和卫星钟差影响，同时基于相对论效应模型、相位缠绕模型、Sagnac效应模型、固体潮和海潮模型、卫星/接收机端天线相位中心偏差与变化模型修正相应误差源的影响，历元间位置差法误差方程可表示为：
其中，t表示信号接收时刻；j表示载波相位标识；
是载波相位的OMC值；
是接收机r到卫星s的方向余弦；x是接收机位置，x(t0)是地震发生之前时刻t0接收机的位置；tr表示接收机钟差；
表示各项误差和载波相位观测噪声综合值；ΔK(t0,tn)表示相应变量从t0到tn之间发生的变化值。
3.根据权利要求1所述的基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法，其特征在于，步骤二中采用多项式拟合模型对配备有高稳定度原子钟的接收机钟差变化进行建模，采用线性模型可表达为公式，
Δtr(t0,tn)＝a1+2a2(tn-t0) (2)
利用地震前一段观测数据，经历元间位置差法确定该时间段内接收机钟差变化，然后求解出多项式拟合模型系数。
4.根据权利要求1所述的基于高稳定度原子钟的GNSS同震位移确定方法，其特征在于，步骤三以多项式拟合模型为钟差变化约束条件，并结合历元间位置差法误差方程，构建附有接收机钟差模型约束的历元间位置差法，具体表达可见公式
并以此模型解算地震时段同震位移，此时待估参数仅为三维同震位移，钟差变化由接收机钟差模型给出，从而降低接收机钟差同垂向同震位移的相关性，提高GNSS垂向同震位移解算精度。
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