CN116540303A - 一种历元间差分观测方程建立方法和地震位移计算方法 - Google Patents

一种历元间差分观测方程建立方法和地震位移计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种历元间差分观测方程建立方法和地震位移计算方法，属于导航和地球物理技术领域，用于地震位移测定，包括进行精密卫星轨道计算和钟差计算、观测数据预处理与各项误差模型改正、历元间差分观测方程建立、参数估计和实时地震位移计算。历元间差分观测方程建立中，采用无电离层组合相位的历元间差分观测值，消除电离层延迟误差与相位模糊度参数，卫星轨道和钟差误差采用B2b信号增强改正后的精密卫星轨道和钟差进行消除，将历元间测站位置变化与接收机钟差变化设为未知参数。本发明通过北斗三号播发的精密单点定位B2b信号实时改正参数，对历元差分模型中广播星历计算的卫星轨道和钟差进行实时增强改正，解决所获地震位移的非线性漂移问题。

Description

一种历元间差分观测方程建立方法和地震位移计算方法
技术领域
本发明公开一种历元间差分观测方程建立方法和地震位移计算方法，属于导航和地球物理技术领域。
背景技术
全球卫星导航系统通过导航卫星发射的无线电信号进行精确定位，已在地壳运动、地震周期等地震学研究中得到广泛应用，然而这些应用的实时性要求较低，通常以天为单位进行GNSS数据解算，且GNSS接收机的采样率较低，无法满足地震预警与快速应急响应的需求。随着GNSS接收技术与通信技术的发展，高频GNSS（采样率≥1 Hz）也可像传统地震仪器一样记录地震波形，尤其在近场区域，高频GNSS可以直接测定地震位移，且不存在饱和现象，为地震预警提供了一种新的观测手段。
实时高精度地震位移测定是高频GNSS用于地震预警与快速应急响应的关键。传统相对定位方法通过站间差分处理，可以消除大部分观测误差，能够实现位移高精度测定，但相对定位需要参考站，在大地震中，参考站也可能受地震影响产生位移，导致流动站位移中包含参考站位移的影响。相比于相对定位，单站定位无需参考站，更适合地震位移实时测定，其中，最常见的单站定位方法是实时精密单点定位。实时精密单点定位基于实时精密卫星轨道和钟差产品，可以直接测定实时地震位移，但实时精密单点定位需要较长收敛时间，对于发生在此期间的地震，无法获得高精度地震位移。相比于实时精密单点定位，历元差分模型基于历元间载波相位差分观测值，只使用广播星历就可实现单站地震位移实时测定，且无需估计相位模糊度，模型简单，易于实现，更适合地震实时监测；虽然历元间差分处理可以消除相位模糊度与大部分观测误差，但历元差分模型中广播星历精度较低，导致获取的地震位移存在明显非线性漂移误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种历元间差分观测方程建立方法和地震位移计算方法，对历元差分模型中广播星历计算的卫星轨道和钟差进行实时增强改正，解决所获地震位移的非线性漂移问题。
一种历元间差分观测方程建立方法，包括：采用无电离层组合相位的历元间差分观测值，消除电离层延迟误差与相位模糊度参数，卫星轨道和钟差误差采用B2b信号增强改正后的精密卫星轨道和钟差进行消除，将历元间测站位置变化与接收机钟差变化设为未知参数。
一种历元间差分观测方程建立方法具体包括：
和/>时刻的无电离层组合相位观测方程如下：
；
；
式中和/>为相邻的两个历元；/>、/>、/>分别代表接收机、卫星和卫星系统；/>为全球定位系统、北斗卫星导航系统、格洛纳斯卫星导航系统、伽利略卫星导航系统的其中一种；/>和/>为载波相位观测值减去计算值；/>为方向余弦；/>与/>为/>和/>历元在/>处展开后对应的坐标增量；/>为接收机钟差；/>为模型改正后残余的对流层延迟；/>为浮点模糊度；/>为载波波长；/>为观测噪声。
在两个历元没有发生信号失锁时，模糊度参数保持不变，对和/>时刻的无电离层组合相位观测方程求差，得历元间差分观测方程如下：
；
式中，为无电离层组合相位的历元间差分观测值；/>为历元间测站位置的变化量；/>为历元间接收机钟差的变化量；/>为残余的历元间对流层延迟变化量；
忽略残余的历元间对流层延迟误差影响，将的值设置为零，优化后的历元间差分观测方程为：
。
一种地震位移计算方法，使用所述的历元间差分观测方程建立方法，包括：
S1.进行精密卫星轨道计算和精密钟差计算；
S2.观测数据预处理与各项误差模型改正；
S3.建立历元间差分观测方程；
S4.参数估计；
根据卫星的高度角确定每一卫星观测值的权，不同卫星观测值的方差计算如下：
；
式中为观测值方差；/>为卫星高度角；/>和/>为常数，利用最小二乘算法进行参数估计，获得历元间测站位置的变化量/>；
S5.趋势项拟合；
将估计的历元间测站位置变化进行积分，获得积分位移，采用震前积分位移拟合确定线性漂移趋势，对积分位移进行去趋势改正，线性拟合模型如下：
；
式中为积分位移；/>为积分位移对应的时间；/>和/>为模型系数，采用最小二乘算法，利用震前3分钟积分位移计算模型系数；
S6.实时地震位移计算；
在地震发生后，计算趋势项，将其从震后积分位移中扣除：
；
式中为/>时刻高精度地震位移；/>为/>时刻的积分位移。
S1中，解码接收的北斗三号精密单点定位的B2b信号，对基于广播星历计算的卫星轨道和钟差进行增强改正，获得精密的卫星轨道和钟差。
S1中，精密卫星轨道计算包括：
；
式中，为增强改正后的精密卫星坐标，/>为广播星历计算的卫星坐标，/>、、/>分别为径向、切向和法向的单位矢量，/>；/>；/>，为B2b信号提供的包含径向、切向和法向的卫星坐标改正量，/>和/>为广播星历计算的卫星位置和速度矢量。
S1中，精密卫星钟差计算包括：
；
式中为增强改正后的精密卫星钟差，/>为采用广播星历计算的卫星钟差，为B2b信号提供的卫星钟差改正参数，c为光速。
S2中，对GNSS观测数据进行预处理，剔除发生周跳与含有粗差的卫星数据，对地球自转、地球潮汐、大气延迟误差进行精细改正。
相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：通过北斗三号播发的B2b信号实时改正参数，对历元差分模型中广播星历计算的卫星轨道和钟差进行实时增强改正，解决所获地震位移的非线性漂移问题，消除了地震位移中的非线性漂移误差，具有更高的精度，在实时地震位移测定方面更具优势。
附图说明
图1是本发明的技术流程图；
图2是历元差分模型、精密单点定位和本发明方法在北方向位移对比图；
图3为历元差分模型、精密单点定位和本发明方法在东方向位移对比图；
图4为历元差分模型、精密单点定位和本发明方法在垂直方向位移对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种历元间差分观测方程建立方法，包括：采用无电离层组合相位的历元间差分观测值，消除电离层延迟误差与相位模糊度参数，卫星轨道和钟差误差采用B2b信号增强改正后的精密卫星轨道和钟差进行消除，将历元间测站位置变化与接收机钟差变化设为未知参数。
一种历元间差分观测方程建立方法具体包括：
和/>时刻的无电离层组合相位观测方程如下：
；
；
式中和/>为相邻的两个历元；/>、/>、/>分别代表接收机、卫星和卫星系统；/>为全球定位系统、北斗卫星导航系统、格洛纳斯卫星导航系统、伽利略卫星导航系统的其中一种；/>和/>为载波相位观测值减去计算值；/>为方向余弦；/>与/>为/>和/>历元在/>处展开后对应的坐标增量；/>为接收机钟差；/>为模型改正后残余的对流层延迟；/>为浮点模糊度；/>为载波波长；/>为观测噪声。
在两个历元没有发生信号失锁时，模糊度参数保持不变，对和/>时刻的无电离层组合相位观测方程求差，得历元间差分观测方程如下：
；
式中，为无电离层组合相位的历元间差分观测值；/>为历元间测站位置的变化量；/>为历元间接收机钟差的变化量；/>为残余的历元间对流层延迟变化量；
忽略残余的历元间对流层延迟误差影响，将的值设置为零，优化后的历元间差分观测方程为：
。
一种地震位移计算方法，使用所述的历元间差分观测方程建立方法，包括：
S1.进行精密卫星轨道计算和精密钟差计算；
S2.观测数据预处理与各项误差模型改正；
S3.建立历元间差分观测方程；
S4.参数估计；
根据卫星的高度角确定每一卫星观测值的权，不同卫星观测值的方差计算如下：
；
式中为观测值方差；/>为卫星高度角；/>和/>为常数，利用最小二乘算法进行参数估计，获得历元间测站位置的变化量/>；
S5.趋势项拟合；
将估计的历元间测站位置变化进行积分，获得积分位移，采用震前积分位移拟合确定线性漂移趋势，对积分位移进行去趋势改正，线性拟合模型如下：
；
式中为积分位移；/>为积分位移对应的时间；/>和/>为模型系数，采用最小二乘算法，利用震前3分钟积分位移计算模型系数；
S6.实时地震位移计算；
在地震发生后，计算趋势项，将其从震后积分位移中扣除：
；
式中为/>时刻高精度地震位移；/>为/>时刻的积分位移。
S1中，解码接收的北斗三号精密单点定位的B2b信号，对基于广播星历计算的卫星轨道和钟差进行增强改正，获得精密的卫星轨道和钟差。
S1中，精密卫星轨道计算包括：
；
式中，为增强改正后的精密卫星坐标，/>为广播星历计算的卫星坐标，/>、、/>分别为径向、切向和法向的单位矢量，/>；/>；/>，为B2b信号提供的包含径向、切向和法向的卫星坐标改正量，/>和/>为广播星历计算的卫星位置和速度矢量。
S1中，精密卫星钟差计算包括：
；
式中为增强改正后的精密卫星钟差，/>为采用广播星历计算的卫星钟差，为B2b信号提供的卫星钟差改正参数，c为光速。
S2中，对GNSS观测数据进行预处理，剔除发生周跳与含有粗差的卫星数据，对地球自转、地球潮汐、大气延迟误差进行精细改正。
本发明的技术流程如图1所示。进行地震位移计算时，由于历元间差分处理并不能消除所有误差的影响，残余的对流层延迟等误差导致积分的位移存在漂移趋势，因此需要对积分位移进行去趋势改正才可获得高精度地震位移。在较短时间内，这种漂移趋势呈现线性变化，因此采用震前积分位移拟合确定线性漂移趋势。实施例采用2021年青海玛多Mw7.4地震中GL03站高频GNSS观测数据，分别采用传统历元差分模型和本发明提出的基于B2b增强改正的单站实时高精度地震位移测定方法（新方法）进行地震位移模拟实时计算，并与采用事后精密单点定位计算的地震位移进行对比，结果如图2、图3、图4所示。与精密单点定位地震位移相比，采用传统历元差分模型计算的地震位移在震后100秒存在明显偏差，尤其在垂直方向，传统方法计算的地震位移存在明显非线性漂移；相较而言，采用新方法计算的地震位移与精密单点定位地震位移具有很好的一致性，不存在非线性漂移误差。以事后精密单点定位地震位移结果为参考，采用传统方法计算的地震位移在北方向、东方向和垂直方向的均方根误差分别为2.0 cm、1.0 cm和3.5 cm；采用新方法计算的地震位移在北方向、东方向和垂直方向的均方根误差分别为0.6 cm、0.7 cm和0.9 cm，相比于传统方法在三个方向的精度分别提升了70%、30%和74%。因此，相比于传统的历元差分模型，本发明提出的基于精密单点定位B2b增强改正的单站实时地震位移测定方法消除了地震位移中的非线性漂移误差，具有更高的精度，在实时地震位移测定方面更具优势。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种历元间差分观测方程建立方法，其特征在于，包括：采用无电离层组合相位的历元间差分观测值，消除电离层延迟误差与相位模糊度参数，卫星轨道和钟差误差采用B2b信号增强改正后的精密卫星轨道和钟差进行消除，将历元间测站位置变化与接收机钟差变化设为未知参数。
2.根据权利要求1所述的一种历元间差分观测方程建立方法，其特征在于，具体包括：
和/>时刻的无电离层组合相位观测方程如下：
；
；
式中和/>为相邻的两个历元；/>、/>、/>分别代表接收机、卫星和卫星系统；/>为全球定位系统、北斗卫星导航系统、格洛纳斯卫星导航系统、伽利略卫星导航系统的其中一种；和/>为载波相位观测值减去计算值；/>为方向余弦；/>与/>为/>和/>历元在/>处展开后对应的坐标增量；/>为接收机钟差；/>为模型改正后残余的对流层延迟；/>为浮点模糊度；/>为载波波长；/>为观测噪声。
3.根据权利要求2所述的一种历元间差分观测方程建立方法，其特征在于，在两个历元没有发生信号失锁时，模糊度参数保持不变，对和/>时刻的无电离层组合相位观测方程求差，得历元间差分观测方程如下：
；
式中，为无电离层组合相位的历元间差分观测值；/>为历元间测站位置的变化量；/>为历元间接收机钟差的变化量；/>为残余的历元间对流层延迟变化量；
忽略残余的历元间对流层延迟误差影响，将的值设置为零，优化后的历元间差分观测方程为：
。
4.一种地震位移计算方法，其特征在于，使用如权利要求3所述的历元间差分观测方程建立方法，包括：
S1.进行精密卫星轨道计算和精密钟差计算；
S2.观测数据预处理与各项误差模型改正；
S3.建立历元间差分观测方程；
S4.参数估计；
根据卫星的高度角确定每一卫星观测值的权，不同卫星观测值的方差计算如下：
；
式中为观测值方差；/>为卫星高度角；/>和/>为常数，利用最小二乘算法进行参数估计，获得历元间测站位置的变化量/>；
S5.趋势项拟合；
将估计的历元间测站位置变化进行积分，获得积分位移，采用震前积分位移拟合确定线性漂移趋势，对积分位移进行去趋势改正，线性拟合模型如下：
；
式中为积分位移；/>为积分位移对应的时间；/>和/>为模型系数，采用最小二乘算法，利用震前3分钟积分位移计算模型系数；
S6.实时地震位移计算；
在地震发生后，计算趋势项，将其从震后积分位移中扣除：
；
式中为/>时刻高精度地震位移；/>为/>时刻的积分位移。
5.根据权利要求4所述的一种地震位移计算方法，其特征在于，S1中，解码接收的北斗三号精密单点定位的B2b信号，对基于广播星历计算的卫星轨道和钟差进行增强改正，获得精密的卫星轨道和钟差。
6.根据权利要求5所述的一种地震位移计算方法，其特征在于，S1中，精密卫星轨道计算包括：
；
式中，为增强改正后的精密卫星坐标，/>为广播星历计算的卫星坐标，/>、、/>分别为径向、切向和法向的单位矢量，/>；/>；/>，为B2b信号提供的包含径向、切向和法向的卫星坐标改正量，/>和/>为广播星历计算的卫星位置和速度矢量。
7.根据权利要求6所述的一种地震位移计算方法，其特征在于，S1中，精密卫星钟差计算包括：
；
式中为增强改正后的精密卫星钟差，/>为采用广播星历计算的卫星钟差，/>为B2b信号提供的卫星钟差改正参数，c为光速。
8.根据权利要求7所述的一种地震位移计算方法，其特征在于，S2中，对GNSS观测数据进行预处理，剔除发生周跳与含有粗差的卫星数据，对地球自转、地球潮汐、大气延迟误差进行精细改正。
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