CN113406699B - 一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法及系统，联合使用地震数据和高频GNSS数据实现快速确定地震震源，包括强震仪、地震仪采集地震台站原始运动信息，GNSS接收机采集GNSS观测站基本导航定位信息，发送到地面计算中心；所述地面计算中心构建地震台站特征函数时间序列，判断地震台站是否发生地震触发，地震时根据所述地震台站特征函数时间序列，精确拾取地震台站初动时刻；所述地面计算中心根确定震中位置，根据GNSS观测站基本导航定位信息，生成GNSS观测站运动信息；所述地面计算中心估计点源震级，并根据所述点源震级估计单一矩形模型的初始断层尺寸，反演单一矩形模型参数，并将地震预警信息发送到地震预警中心。

Description

一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法及系统
技术领域
本发明涉及地震预警领域，尤其涉及一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法及系统。
背景技术
全球范围内每年频频发生不同规模的地震，给生命和财产安全造成巨大威胁。地震预测和预报是短期难以解决的问题，这种情况下，地震预警和应急救灾就尤为重要。地震震源破裂长度、方向的快速确定，对地震预警、地震动场预测、震后灾害评估及快速救援具有重大意义。传统地震预警系统因其使用的地震仪、强震仪在大地震近场区域易发生仪器倾斜、旋转以及量程超限等现象，给地震震源的实时反演带来了困难。
随着高频GNSS接收机技术的发展和GNSS定位精度的提高，高频GNSS技术被广泛应用于地震学。目前，常用的GNSS技术有精密单点定位、相对定位以及GNSS历元间差分方法。其中，精密单点定位和相对定位因其需要依赖于参考站或者精密卫星轨道钟差产品，很难满足地震预警的需求。而GNSS历元间差分方法凭借其采用卫星空间基准、使用广播星历、历元差分消除模糊度等优势，不仅解决了精密单点定位、相对定位依赖参考站和精密星历的问题、或者需要较长收敛时间(10-20分钟)的问题，而且弥补了大地震近场区域地震仪、强震仪数据不可靠等问题，为高频GNSS在地震预警中的应用提供了技术支撑。
在地震震源反演方面，实时反演策略大多把震源破裂方向作为先验信息，例如有学者认为可以近似把历史断层方向看作本次地震的震源破裂方向，这种情况下，反演策略的普适性会严重降低。全球矩张量目录(Global Centroid Moment Tensor catalogue，GCMT)项目和美国地质调查局(U.S.Geological Survey，USGS)能够提供全球范围内不同规模地震的矩心矩张量和断层面解，但它们依赖于远震宽频地震数据，滞后了震后应急响应和产出。
发明内容
随着高频GNSS接收机技术的发展和GNSS定位精度的提高，GNSS历元间差分方法可以在大地震近场区域实时、连续地提供mm/s精度的速度时间序列。为弥补常规地震预警系统中强震仪、地震仪在大地震近场区域因发生仪器倾斜、旋转以及量程超限等导致的数据不可靠，解决现有震源反演策略低普适性、低时效性的问题，本发明公开了一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法及系统。本发明通过联合使用强震数据和高频GNSS数据，以同时做到P波到时的精确拾取和大震近场区域地震波的准确捕获。并且，本发明充分发挥了GNSS历元间差分方法的时效性及单一矩形模型的普适性，凭借震源参数遍历方法，以实现震源破裂长度、方向的快速确定，以期为地震预警、地震动场预测、震后灾害评估及快速救援等提供快速、可靠的震源参考信息。
本发明的一个方面，提供了一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法，联合使用地震数据和高频GNSS数据实现快速确定地震震源，实现过程如下，
强震仪、地震仪采集地震台站原始运动信息，GNSS接收机采集GNSS观测站基本导航定位信息，并将采集到的所述地震台站原始运动信息、所述GNSS观测站基本导航定位信息发送到地面计算中心；
所述地面计算中心根据所述地震台站原始运动信息，构建地震台站特征函数时间序列，并根据所述地震台站特征函数时间序列，判断地震台站是否发生地震触发；如果没有发生地震触发，所述地面计算中心继续判断地震台站是否发生地震触发；否则，所述地面计算中心开启地震模式，并根据所述地震台站特征函数时间序列，精确拾取地震台站初动时刻；
所述地面计算中心根据本地存储的地震台站位置信息、所述地震台站初动时刻，确定震中位置；所述地面计算中心根据所述GNSS观测站基本导航定位信息，生成GNSS观测站运动信息；
所述地面计算中心根据本地存储的GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站运动信息以及所述震中位置，估计点源震级，并根据所述点源震级估计单一矩形模型的初始断层尺寸；
所述地面计算中心根据所述初始断层尺寸、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，反演单一矩形模型参数，并将包括所述震中位置、所述点源震级、所述单一矩形模型参数的地震预警信息发送到地震预警中心。
而且，所述地面计算中心根据本地存储的GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站运动信息以及所述震中位置，估计点源震级，包括如下处理，
所述地面计算中心根据所述GNSS观测站位置信息、所述震中位置，计算GNSS观测站震中距；
所述地面计算中心根据所述GNSS观测站运动信息，提取GNSS观测站地面峰值参数观测值；
所述地面计算中心根据所述GNSS观测站震中距、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值，估计点源震级。
而且，根据所述点源震级估计单一矩形模型的初始断层尺寸时，所述初始断层尺寸包括初始断层长度和初始断层宽度。
而且，所述地面计算中心根据所述初始断层尺寸、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，反演单一矩形模型参数，并将所述震中位置、所述点源震级、所述单一矩形模型参数等地震预警信息发送到地震预警中心，包括如下处理，依据所述单一矩形模型参数的物理含义及先验信息，确定合理的震源参数遍历范围，所述先验信息包括震中位置和初始断层尺寸；
顾及所述单一矩形模型参数反演的精度和效率，确定合理的震源参数遍历步长；
根据所述震源参数遍历范围和所述震源参数遍历步长，生成震源参数解空间，并根据所述震源参数解空间、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，逐一为所述震源参数解空间中的每个震源参数可能解，计算GNSS观测站地面峰值参数理论值；
根据所述GNSS观测站地面峰值参数观测值、GNSS观测站地面峰值参数理论值以及目标函数，从所述震源参数解空间中确定震源参数最优解，具体地，我们把所述震源参数最优解作为当前时刻单一矩形模型参数的反演解。
而且，根据所述震源参数解空间、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，逐一为所述震源参数解空间中的每个震源参数可能解，计算GNSS观测站地面峰值参数理论值，包括如下处理，
根据所述震源参数解空间、所述GNSS观测站位置信息以及所述震中位置，逐一为每个所述震源参数可能解，计算GNSS观测站断层距；
根据所述GNSS观测站断层距和所述GNSS观测站地面峰值参数观测值，通过使用最小二乘平差，拟合经验衰减公式的系数；
根据所述GNSS观测站断层距以及所述经验衰减公式，计算GNSS观测站地面峰值参数理论值。
另一方面，本发明提供一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定系统，包括地震台站、GNSS观测站、地面计算中心和地震预警中心，所述地震台站配置强震仪或地震仪，所述GNSS观测站配置GNSS接收机；
所述地震台站，用于采集地震台站原始运动信息，并将采集到的所述地震台站原始运动信息发送到地面计算中心；
所述GNSS观测站，用于采集GNSS观测站基本导航定位信息，并将采集到的所述GNSS观测站基本导航定位信息发送到地面计算中心；
所述地面计算中心，用于根据本地存储的地震台站位置信息、本地存储的GNSS观测站位置信息以及所述地震台站原始运动信息、所述GNSS观测站基本导航定位信息，判断地震台站是否发生地震触发、确定地震震中、计算点源震级以及反演单一矩形模型参数，并将地震震中信息、点源震级信息以及单一矩形模型参数信息等地震预警信息发送到地震预警中心；
所述地震预警中心，用于根据接收到的所述地震预警信息，做出相应的地震预警举措。
而且，所述地面计算中心，包括以下单元，
接收单元，用于接收所述地震台站原始运动信息、所述GNSS观测站基本导航定位信息；
第一计算单元，用于根据所述地震台站原始运动信息以及本地存储的所述地震台站位置信息，判断地震台站是否发生地震触发以及确定地震震中位置；
第二计算单元，用于根据所述GNSS观测站基本导航定位信息、本地存储的所述GNSS观测站位置信息以及所述地震震中位置，生成GNSS观测站地面峰值参数观测值以及估计地震点源震级；
处理单元，用于根据所述GNSS观测站地面峰值参数观测值、所述GNSS观测站位置信息、所述初始断层尺寸以及所述地震震中信息，快速反演单一矩形模型参数；
发送单元，用于把所述地震震中位置、所述地震点源震级以及所述单一矩形模型参数等地震预警信息发送到地震预警中心。
而且，所述第一计算单元，用于构建地震台站特征函数时间序列；判断地震台站是否发生地震触发；精确拾取地震台站初动时刻；确定地震震中位置。
而且，所述第二计算单元，用于生成GNSS观测站运动信息；提取GNSS观测站地面峰值参数观测值；计算GNSS观测站震中距；估计地震点源震级；确定单一矩形模型的初始断层尺寸。
较传统的地震预警系统，本发明方案分别从反演数据源和震源参数确定方法上进行了独特设计。本发明方案通过联合使用强震数据和GNSS高频数据，以同时做到P波到时的拾取和大震近场区域地震波的准确捕获；并且本发明方案通过依靠GNSS历元间差分方法，可为后续的地震源参数反演提供实时、连续、高精度的原始输入。对于震源参数反演来说，本发明方案不依赖于任何先验假设，基于简单有效的矩形震源模型，通过震源参数遍历方法，来获取与观测信息匹配的震源参数最优解，具有很强的普适性。本发明方案实施简单方便，实用性、普适性强，解决了相关技术存在的实用性低及实际应用不便的问题，能够提高用户体验，具有重要的市场价值。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法的流程图；
图2为本发明实施例的一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定系统中地面计算中心的内部结构示意图。
图4为本发明实施例的单一矩形模型示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例具体说明本发明的技术方案。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
随着高频GNSS接收机技术的发展和GNSS定位精度的提高，GNSS历元间差分方法可以在大地震近场区域实时、连续地提供mm/s精度的速度时间序列。为弥补常规地震预警系统中强震仪、地震仪在大地震近场区域因发生仪器倾斜、旋转以及量程超限等导致的数据不可靠，解决现有震源反演策略低普适性、低时效性的问题，本发明公开了一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法及系统。本发明通过联合使用强震数据和高频GNSS数据，以同时做到P波到时的精确拾取和大震近场区域地震波的准确捕获。并且，本发明充分发挥了GNSS历元间差分方法的时效性及单一矩形模型的普适性，凭借震源参数遍历方法，以实现震源破裂长度、方向的快速确定，以期为地震预警、地震动场预测、震后灾害评估及快速救援等提供快速、可靠的震源参考信息。
图1为本发明实施例提供的一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法的流程图。参照图1，实施例具体步骤如下：
S11、强震仪或地震仪采集地震台站原始运动信息，GNSS接收机采集GNSS观测站基本导航定位信息，并将采集到的所述地震台站原始运动信息、所述GNSS观测站基本导航定位信息发送到地面计算中心；
S12、所述地面计算中心根据所述地震台站原始运动信息，构建地震台站特征函数时间序列，并根据所述地震台站特征函数时间序列，判断地震台站是否发生地震触发。如果没有发生地震触发，所述地面计算中心继续判断地震台站是否发生地震触发；否则，所述地面计算中心开启地震模式，并根据所述地震台站特征函数时间序列，精确拾取地震台站初动时刻；
S13、所述地面计算中心根据本地存储的地震台站位置信息、所述地震台站初动时刻，确定震中位置；所述地面计算中心根据所述GNSS观测站基本导航定位信息，生成GNSS观测站运动信息；
S14、所述地面计算中心根据本地存储的GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站运动信息以及所述震中位置，估计点源震级，并根据所述点源震级估计单一矩形模型的初始断层尺寸；
S15、所述地面计算中心根据所述初始断层尺寸、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，反演单一矩形模型参数，并将所述震中位置、所述点源震级、所述单一矩形模型参数等地震预警信息发送到地震预警中心。
进一步地，所述S12中，所述地面计算中心根据所述地震台站原始运动信息，构建地震台站特征函数时间序列，并根据所述地震台站特征函数时间序列，判断地震台站是否发生地震触发，以及精确拾取地震台站初动时刻，通过以下具体流程实现：
第一步：构建同时兼顾频率和振幅特性变化的地震台站特征函数时间序列，具体形式如下：
Figure BDA0003160428780000061
式中，CFk表示构建的第k时刻的地震台站特征函数值；xk、xk-1分别表示第k时刻和第k-1时刻的地震台站原始运动信息，如果地震台站配置强震仪，则所述地震台站原始运动信息为地震台站加速度；Mk为加权因子，与地震台站环境噪声和仪器采样频率有关，具体实施时可根据经验值给定，通常取3。
第二步：利用长短时平均法(STA/LTA)，判断地震台站是否发生地震触发，并对P波到时进行粗略拾取。标准公式(2)和递归公式(3)如下所示：
Figure BDA0003160428780000062
Figure BDA0003160428780000063
式中，STA和LTA分别表示特征函数时间序列在短、长时窗内的平均值，STAk为第k时刻的特征函数时间序列在短时窗内的平均值，LTAk为第k时刻的特征函数时间序列在长时窗内的平均值，第k-1时刻的情况类推；n为时窗内数据的个数，nSTA为短时窗内数据的个数，nLTA为长时窗内数据的个数。标准公式和递归公式，在数值上是等价的。这里，实施例优选采用计算效率更高的递归公式。
当STA与LTA的比值大于预设的经验阈值时，k被判定为P波粗略到时。值得注意的是，长时窗和短时窗的窗口长度影响着经验阈值的选取，一般遵循的取值建议是：短时窗窗口长度相对于长时窗越小，拾取P波的敏感性越高，经验阈值应设置得大一些；短时窗窗口长度相对于长时窗越大，拾取P波的敏感性越低，经验阈值应设置得小一些。然后，以k为中心，向前截取长时窗、向后截取短时窗数据作为精确拾取地震台站初动时刻的时间窗口。通过这种较为合理的时间窗口设置，拾取结果一般具有较好的时效性和较高的精度。
第三步：采用赤池信息量准则(AIC)，精确拾取地震台站初动时刻。数学公式如下：
AICk＝k×log10{var(CF[1,k])}+(L-k-1)×log10{var(CF[k+1,L])} (4)
式中，L为精确拾取初动时刻时间窗口的数据长度；k为该时间窗口内从左到右的数据序号；var(CF[1,k])表示该时间段内数据方差。当AIC取得最小值时，第k个数据对应的时刻即为地震台站初动时刻。
进一步地，所述S13中，所述地面计算中心根据本地存储的地震台站位置信息、所述地震台站初动时刻，确定震中位置，具体包括：
至少有3个地震台站发生地震触发，才会开始估计地震震中。并且假设地震波传播过程中，地震波传播速度恒定不变、各向同性，具体步骤如下：
第一步：将触发的地震台站的绝对位置信息(大地坐标)，转化为以首个触发台站为原点的站心坐标。具体地，可以先将大地坐标(BLH)转化为空间直角坐标(XYZ)；再将空间直角坐标转化为站心坐标(ENU)。
第二步：在站心坐标系下，采用最小二乘平差，估计震中位置。根据P波到达各个地震台站的时间差，可以得到如下误差方程：
Figure BDA0003160428780000081
式中，(E0,N0)表示震中坐标，(Ei,Ni)表示地震台站坐标，其中下标i(i＝1,2,3,L,n)代表发生地震触发的地震台站序号，n代表此刻发生地震触发的地震台站总数；Di表示第i个地震台站的震中距；V和Ti分别表示地震波传播速度和第i个地震台站的台站初动时刻；vi,j则表示仪器观测误差、初动时刻拾取误差、地震台站坐标误差以及近似误差等的综合影响，其中下标i和j均代表发生地震触发的地震台站序号，且满足i＞j。注意的是，震中的确定还可使用网格搜索等方法，这里只是给出一种可行的实现方案，方便实施本发明时更加深入地、透彻地理解本发明的各个流程细节与特色，而并不是对本发明的一种限制。
第三步：将站心坐标系下的震中位置转化为大地坐标，具体地，可先将站心坐标转化为空间直角坐标，再将空间直角坐标转化为大地坐标。
进一步地，所述S13中，所述地面计算中心根据所述GNSS观测站基本导航定位信息，生成GNSS观测站运动信息，具体包括：
所述地面计算中心，根据载波相位观测值信息、伪距观测值信息、广播星历(所述GNSS观测站基本导航定位信息)，采用高频GNSS历元间差分方法，连续地、实时地获取GNSS观测站速度时间序列(所述GNSS观测站运动信息)。高频GNSS历元间差分方法的数学模型如下所示：
Figure BDA0003160428780000082
式中，tk和tk+1表示两个相邻的GNSS观测历元，其中下标k和k+1为GNSS观测历元标识序号；c为光速；dtr和dts分别表示接收机和卫星钟差；
Figure BDA0003160428780000083
和Tr s分别表示电离层和对流层延迟；
Figure BDA0003160428780000084
为多路径误差；
Figure BDA0003160428780000085
为其他误差和观测噪声的综合影响；
Figure BDA0003160428780000086
和
Figure BDA0003160428780000087
分别表示在历元tk和tk+1从卫星s到接收机r的单位方向向量；ps(tk)和ps(tk+1)分别表示在历元tk和tk+1时的卫星坐标；pr(tk)则表示在历元tk时的接收机坐标；
Figure BDA0003160428780000091
为载波相位观测值的历元间单差；cΔdts(tk,tk+1)＝c×[dts(tk+1)-dts(tk)]为卫星钟差变率；历元间接收机位移增量Δpr(tk,tk+1)和接收机钟差变率cΔtr(tk,tk+1)使用最小二乘估计；卫星位置和钟差通过广播星历计算得到，接收机位置使用伪距单点定位方法(Pseudo-rangeSingle Point Positioning)计算，电离层延迟变率
Figure BDA0003160428780000092
对流层延迟变率
Figure BDA0003160428780000093
和多路径
Figure BDA0003160428780000094
的影响非常小，可忽略。Δpr(tk,tk+1)为接收机在相邻历元间(tk,tk+1)的位移增量，除以采样间隔即为接收机平均速度。
进一步地，所述S14中，所述地面计算中心根据本地存储的GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站运动信息以及所述震中位置，估计点源震级，通过以下具体流程实现：
第一步：所述地面计算中心根据所述GNSS观测站位置信息、所述震中位置，计算GNSS观测站震中距。震中距计算公式如下：
EPIDi＝arccos(sinBi sinB0+cosBi cosB0 cos(Li-L0))×Rearth (7)
式中，B0和L0为震中的纬度和经度；Bi和Li为GNSS观测站的纬度和经度；Rearth为地球平均半径，一般可取6371km；EPIDi为震中距。
第二步：所述地面计算中心根据GNSS观测站速度时间序列(所述GNSS观测站运动信息)，提取GNSS观测站地面峰值速度(GNSS观测站地面峰值参数观测值)。
Figure BDA0003160428780000095
式中，PGV表示GNSS观测站三维地面峰值速度；Nv(t)、Ev(t)、Uv(t)分别表示GNSS观测站t时刻在北方向、东方向以及垂直方向上的速度分量。
第三步：所述地面计算中心根据所述GNSS观测站震中距、GNSS观测站地面峰值速度(所述GNSS观测站地面峰值参数观测值)，采用经验公式(9)，估计地震点源震级。
log10(PGV)＝-5.025+0.741×Mw-0.111×Mw×log10(EPID) (9)
其中，Mw为矩震级；log10(*)表示以10为底的对数操作。
进一步地，所述S14中，所述地面计算中心根据所述点源震级，采用经验公式(10)，估计单一矩形模型的初始断层尺寸，具体地，所述初始断层尺寸包括初始断层长度和初始断层宽度。
Figure BDA0003160428780000101
式中，L0和W0分别为单一矩形模型的初始断层长度和宽度；Mw为矩震级，实际计算时，可用所述点源震级表示。
进一步地，所述S15中，地面计算中心根据所述初始断层尺寸、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，反演单一矩形模型参数，并将所述震中位置、所述点源震级、所述单一矩形模型参数等地震预警信息发送到地震预警中心，具体包括：
如图4所示，单一矩形模型参数包括震中位置(B0，L0)、震源深度(H)、断层长度(L)、主破解方向上震中到矩形断层一端的长度(l)和宽度(W)、震源破裂方向(θ)以及震源相对位置(k)，模型假设整个矩形面与震源保持同一高度。具体参数反演流程如下：
第一步：依据所述单一矩形模型参数的物理含义及先验信息，确定合理的震源参数遍历范围，具体地，所述先验信息包括初始断层长度和宽度。优选建议采用的一种较为合理的震源参数遍历范围如下：
Figure BDA0003160428780000102
顾及所述单一矩形模型参数反演的精度和效率，确定合理的震源参数遍历步长。优选建议采用的一种较为合理的震源参数遍历步长如下：
Figure BDA0003160428780000103
式中，ΔH、ΔL、ΔW、Δθ和Δk分别表示震源深度、断层长度和宽度、震源破裂方向以及震源相对位置的遍历步长。
第二步：根据所述震源参数遍历范围和所述震源参数遍历步长，生成震源参数解空间，并根据所述震源参数解空间、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，逐一为所述震源参数解空间中的每个震源参数可能解，计算GNSS观测站地面峰值参数理论值，具体通过以下流程实现：
首先：根据所述震源参数遍历范围和所述震源参数遍历步长，生成震源参数解空间。
其次：根据所述震源参数解空间、所述GNSS观测站位置信息以及所述震中位置，逐一为每个所述震源参数可能解，计算GNSS观测站断层距。根据GNSS观测站的位置，计算GNSS观测站断层距，分为如下两种情形：
(a)GNSS观测站位于矩形断层在地面上的投影：震源深度即为GNSS观测站断层距；
(b)GNSS观测站不在矩形断层在地面上的投影：根据下式计算GNSS观测站断层距：
Figure BDA0003160428780000111
式中，D(i,j)表示GNSS观测站到线段(i,j)的最短距离，i和j为矩形断层两个相邻的端点(见图4)端点标记为1、2、3、4，min(D(i,j))是从中取最小者；FDh表示GNSS观测站断层距水平分量；H为震源深度；FD为GNSS观测站断层距。
然后：根据所述GNSS观测站断层距和所述GNSS观测站地面峰值速度(所述GNSS观测站地面峰值参数观测值)，通过使用最小二乘平差，拟合经验衰减公式的系数。简单、合理的经验衰减公式如下：
log10(PGV)＝a+b×log10(FD) (14)
式中，PGV为GNSS观测站地面峰值速度；FD为GNSS观测站断层距；a和b为需要拟合的衰减公式系数。
最后：根据所述GNSS观测站断层距以及所述经验衰减公式，计算GNSS观测站地面峰值速度理论值(所述GNSS观测站地面峰值参数理论值)。
第三步：根据所述GNSS观测站地面峰值速度、所述GNSS观测站地面峰值速度理论值以及目标函数，从所述震源参数解空间中确定震源参数最优解，具体地，实施例把所述震源参数最优解作为当前时刻单一矩形模型参数的反演解。使用的目标函数如下：
Figure BDA0003160428780000112
式中，
Figure BDA0003160428780000113
表示GNSS观测站地面峰值速度；
Figure BDA0003160428780000114
表示GNSS观测站地面峰值速度理论值；n为当前时刻可使用的GNSS观测站数量，下标i代表可使用的GNSS观测站序号；min表示最小值。
具体地，在实际工作中，至少3个地震台站发生地震触发，才开始计算地震震中；至少有2个GNSS观测站可用，才开始震源参数的反演；并且只要新增地震台站或GNSS观测站，立即重新估计地震震中或反演震源参数。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
图2示出了本发明一个实施例的基于单一矩形模型的地震震源快速确定系统的结构示意图。参照图2，本发明实施例的基于单一矩形模型的地震震源快速确定系统具体包括地震台站、GNSS观测站201、地面计算中心202、地面预警中心203，所述地震台站配置强震仪或地震仪，所述GNSS观测站配置GNSS接收机；
所述地震台站，用于采集地震台站原始运动信息，并将采集到的所述地震台站原始运动信息发送到地面计算中心202；
所述GNSS观测站，用于采集GNSS观测站基本导航定位信息，并将采集到的所述GNSS观测站基本导航定位信息发送到地面计算中心202；
所述地面计算中心202，用于根据本地存储的地震台站位置信息、本地存储的GNSS观测站位置信息以及所述地震台站原始运动信息、所述GNSS观测站基本导航定位信息，判断地震台站是否发生地震触发、确定地震震中、计算点源震级以及反演单一矩形模型参数，并将地震震中信息、点源震级信息以及单一矩形模型参数信息等地震预警信息发送到地震预警中心203；
所述地震预警中心203，用于根据接收到的所述地震预警信息，做出相应的地震预警举措。
具体实施时，地面计算中心和其他地震台站、GNSS观测站、地面预警中心之间分别建立通信。
本发明实施例中，如图3所示，所述地面计算中心202，具体包括接收单元2021、第一计算单元2022、第二计算单元2023、处理单元2024和发送单元2025，其中：
接收单元2021，用于接收所述地震台站原始运动信息、所述GNSS观测站基本导航定位信息；
第一计算单元2022，用于根据所述地震台站原始运动信息以及本地存储的所述地震台站位置信息，判断地震台站是否发生地震触发以及确定地震震中位置；
第二计算单元2023，用于根据所述GNSS观测站基本导航定位信息、本地存储的所述GNSS观测站位置信息以及所述地震震中位置，生成GNSS观测站地面峰值参数观测值以及估计地震点源震级；
处理单元2024，用于根据所述GNSS观测站地面峰值参数观测值、所述GNSS观测站位置信息、所述初始断层尺寸以及所述地震震中信息，快速反演单一矩形模型参数；
发送单元2025，用于把所述地震震中位置、所述地震点源震级以及所述单一矩形模型参数等地震预警信息发送到地震预警中心。
进一步地，所述第一计算单元2022，具体用于构建地震台站特征函数时间序列；判断地震台站是否发生地震触发；精确拾取地震台站初动时刻；确定地震震中位置。
进一步地，所述第二计算单元2023，具体用于生成GNSS观测站运动信息；提取GNSS观测站地面峰值参数观测值；计算GNSS观测站震中距；估计地震点源震级；确定单一矩形模型的初始断层尺寸。
具体实施时，接收单元2021、第一计算单元2022、第二计算单元2023、处理单元2024和发送单元2025可以依次连接。
对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法，其特征在于：联合使用地震数据和高频GNSS数据实现快速确定地震震源，实现过程如下，
地震仪采集地震台站原始运动信息，GNSS接收机采集GNSS观测站基本导航定位信息，并将采集到的所述地震台站原始运动信息、所述GNSS观测站基本导航定位信息发送到地面计算中心；
所述地面计算中心根据所述地震台站原始运动信息，构建地震台站特征函数时间序列，并根据所述地震台站特征函数时间序列，判断地震台站是否发生地震触发；如果没有发生地震触发，所述地面计算中心继续判断地震台站是否发生地震触发；否则，所述地面计算中心开启地震模式，并根据所述地震台站特征函数时间序列，精确拾取地震台站初动时刻；
所述地面计算中心根据本地存储的地震台站位置信息、所述地震台站初动时刻，确定震中位置；所述地面计算中心根据所述GNSS观测站基本导航定位信息，生成GNSS观测站运动信息；
所述地面计算中心根据本地存储的GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站运动信息以及所述震中位置，估计点源震级，并根据所述点源震级估计单一矩形模型的初始断层尺寸；
所述地面计算中心根据所述初始断层尺寸、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，反演单一矩形模型参数，并将包括所述震中位置、所述点源震级、所述单一矩形模型参数的地震预警信息发送到地震预警中心。
2.根据权利要求1所述的基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法，其特征在于：所述地面计算中心根据本地存储的GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站运动信息以及所述震中位置，估计点源震级，包括如下处理，
所述地面计算中心根据所述GNSS观测站位置信息、所述震中位置，计算GNSS观测站震中距；
所述地面计算中心根据所述GNSS观测站运动信息，提取GNSS观测站地面峰值参数观测值；
所述地面计算中心根据所述GNSS观测站震中距、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值，估计点源震级。
3.根据权利要求1所述的基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法，其特征在于：根据所述点源震级估计单一矩形模型的初始断层尺寸时，所述初始断层尺寸包括初始断层长度和初始断层宽度。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法，其特征在于：所述地面计算中心根据所述初始断层尺寸、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，反演单一矩形模型参数，并将所述震中位置、所述点源震级、所述单一矩形模型参数地震预警信息发送到地震预警中心，包括如下处理，
依据所述单一矩形模型参数的物理含义及先验信息，确定合理的震源参数遍历范围，所述先验信息包括震中位置和初始断层尺寸；
顾及所述单一矩形模型参数反演的精度和效率，确定合理的震源参数遍历步长；
根据所述震源参数遍历范围和所述震源参数遍历步长，生成震源参数解空间，并根据所述震源参数解空间、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，逐一为所述震源参数解空间中的每个震源参数可能解，计算GNSS观测站地面峰值参数理论值；
根据所述GNSS观测站地面峰值参数观测值、GNSS观测站地面峰值参数理论值以及目标函数，从所述震源参数解空间中确定震源参数最优解，具体地，把所述震源参数最优解作为当前时刻单一矩形模型参数的反演解。
5.根据权利要求4所述的基于单一矩形模型的地震震源快速确定方法，其特征在于：根据所述震源参数解空间、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，逐一为所述震源参数解空间中的每个震源参数可能解，计算GNSS观测站地面峰值参数理论值，包括如下处理，
根据所述震源参数解空间、所述GNSS观测站位置信息以及所述震中位置，逐一为每个所述震源参数可能解，计算GNSS观测站断层距；
根据所述GNSS观测站断层距和所述GNSS观测站地面峰值参数观测值，通过使用最小二乘平差，拟合经验衰减公式的系数；
根据所述GNSS观测站断层距以及所述经验衰减公式，计算GNSS观测站地面峰值参数理论值。
6.一种基于单一矩形模型的地震震源快速确定系统，包括地震台站、GNSS观测站、地面计算中心和地震预警中心，所述地震台站配置地震仪，所述GNSS观测站配置GNSS接收机；所述地震台站，用于采集地震台站原始运动信息，并将采集到的所述地震台站原始运动信息发送到地面计算中心；
所述GNSS观测站，用于采集GNSS观测站基本导航定位信息，并将采集到的所述GNSS观测站基本导航定位信息发送到地面计算中心；
所述地面计算中心，用于根据本地存储的地震台站位置信息、本地存储的GNSS观测站位置信息以及所述地震台站原始运动信息、所述GNSS观测站基本导航定位信息，判断地震台站是否发生地震触发、确定地震震中、计算点源震级以及反演单一矩形模型参数，并将地震震中信息、点源震级信息以及单一矩形模型参数信息地震预警信息发送到地震预警中心；实现过程包括以下处理，
所述地面计算中心根据所述地震台站原始运动信息，构建地震台站特征函数时间序列，并根据所述地震台站特征函数时间序列，判断地震台站是否发生地震触发；如果没有发生地震触发，所述地面计算中心继续判断地震台站是否发生地震触发；否则，所述地面计算中心开启地震模式，并根据所述地震台站特征函数时间序列，精确拾取地震台站初动时刻；
所述地面计算中心根据本地存储的地震台站位置信息、所述地震台站初动时刻，确定震中位置；所述地面计算中心根据所述GNSS观测站基本导航定位信息，生成GNSS观测站运动信息；
所述地面计算中心根据本地存储的GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站运动信息以及所述震中位置，估计点源震级，并根据所述点源震级估计单一矩形模型的初始断层尺寸；
所述地面计算中心根据所述初始断层尺寸、所述GNSS观测站位置信息、所述GNSS观测站地面峰值参数观测值以及所述震中位置，反演单一矩形模型参数，并将包括所述震中位置、所述点源震级、所述单一矩形模型参数的地震预警信息发送到地震预警中心；
所述地震预警中心，用于根据接收到的所述地震预警信息，做出相应的地震预警举措。
7.根据权利要求6所述的基于单一矩形模型的地震震源快速确定系统，其特征在于：所述地面计算中心，包括以下单元，
接收单元，用于接收所述地震台站原始运动信息、所述GNSS观测站基本导航定位信息；
第一计算单元，用于根据所述地震台站原始运动信息以及本地存储的所述地震台站位置信息，判断地震台站是否发生地震触发以及确定地震震中位置；
第二计算单元，用于根据所述GNSS观测站基本导航定位信息、本地存储的所述GNSS观测站位置信息以及所述地震震中位置，生成GNSS观测站地面峰值参数观测值以及估计地震点源震级；
处理单元，用于根据所述GNSS观测站地面峰值参数观测值、所述GNSS观测站位置信息、初始断层尺寸以及所述地震震中信息，快速反演单一矩形模型参数；
发送单元，用于把所述地震震中位置、所述地震点源震级以及所述单一矩形模型参数地震预警信息发送到地震预警中心。
8.根据权利要求7所述的基于单一矩形模型的地震震源快速确定系统，其特征在于：所述第一计算单元，用于构建地震台站特征函数时间序列；判断地震台站是否发生地震触发；精确拾取地震台站初动时刻；确定地震震中位置。
9.根据权利要求7所述的基于单一矩形模型的地震震源快速确定系统，其特征在于：所述第二计算单元，用于生成GNSS观测站运动信息；提取GNSS观测站地面峰值参数观测值；计算GNSS观测站震中距；估计地震点源震级；确定单一矩形模型的初始断层尺寸。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113848583A (zh) * 2021-09-22 2021-12-28 成都康特电子科技股份有限公司 地震应急播报系统、方法及装置
CN114371504B (zh) * 2022-01-11 2022-09-02 西南交通大学 一种地震震中位置确定方法、装置、设备及可读存储介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2010131268A (ru) * 2010-07-26 2012-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН (RU) Способ оценки основных характеристик ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения и система для его осуществления
CN102636806A (zh) * 2012-05-10 2012-08-15 武汉大学 一种利用高频gnss数据确定地震震级的方法
CN103460073A (zh) * 2010-12-17 2013-12-18 地震预警系统公司 地震警报系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2010131268A (ru) * 2010-07-26 2012-02-10 Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН (RU) Способ оценки основных характеристик ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения и система для его осуществления
CN103460073A (zh) * 2010-12-17 2013-12-18 地震预警系统公司 地震警报系统
CN102636806A (zh) * 2012-05-10 2012-08-15 武汉大学 一种利用高频gnss数据确定地震震级的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GPS在大震震级计算中的应用研究;鲁兵;《中国优秀博硕士论文全文数据库（硕士）•基础科学辑》;20180315(第3期);第1-3,44,55-56页 *
利用高频GPS确定大地震震中和震级研究:2008年汶川8.0级地震应用结果;方荣新 等;《中国科学:地球科学》;20141231;第44卷(第01期);第90-97页 *

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