1、第1 0卷 第3期2 0 2 3年5月导航定位与授时N a v i g a t i o nP o s i t i o n i n ga n dT i m i n gV o l.1 0N o.3M a y2 0 2 3d o i:1 0.1 9 3 0 6/j.c n k i.2 0 9 5-8 1 1 0.2 0 2 3.0 3.0 1 2G N S S实时卫星钟差估计在地震监测中的应用王浩浩,郝 明,庄文泉(中国地震局第二监测中心,西安7 1 0 0 5 4)摘 要:为快速、有效地获取地震发生阶段震源周边地区站点的动态位移,为地震预警系统提供高可靠性的地表形变信息,利用全球导航卫星系统(g
2、l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m,GN S S)高频观测数据,基于非差估计法对多模GN S S卫星钟差进行实时估计及性能分析,并将其应用于精密单点定位(p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g,P P P)实时计算2 0 2 1年漾濞Mw6.4地震和玛多Mw7.4地震的地面动态形变。结果表明,GN S S四系统实时估计卫星钟差的标准差(s t a n d a r dd e v i a t i o n,S T D)均值为0.1 4 2n s,其多系统组合P P P动态解的
3、平均标准差在水平方向达到0.5c m,高程方向达到1.0c m,计算得到的地震动态位移波形相对G P S单系统更为稳定,而且能够获得较为准确的同震形变。关键词:全球导航卫星系统(GN S S);卫星钟差;实时估计;精密单点定位;地震监测中图分类号:P 2 2 8 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5-8 1 1 0(2 0 2 3)0 3-0 1 0 8-0 9A p p l i c a t i o no fG N S Sr e a l-t i m e s a t e l l i t e s c l o c ko f f s e te s t i m a t i o n i ns e i
4、s m i cm o n i t o r i n gWAN G H a o h a o,HAO M i n g,Z HUAN G W e n q u a n(T h eS e c o n dM o n i t o r i n ga n dA p p l i c a t i o nC e n t e r,C E A,X i a n7 1 0 0 5 4,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oq u i c k l ya n de f f e c t i v e l yo b t a i n t h ed y n a m i cd i s p l a
5、c e m e n t o f t h e s t a t i o n s a r o u n dt h ee p i c e n t e rd u r i n gt h ee a r t h q u a k e,a n dp r o v i d eh i g h l yr e l i a b l es u r f a c ed e f o r m a t i o ni n f o r m a t i o nf o r t h ee a r t h q u a k ee a r l yw a r n i n gs y s t e m,m u l t i-GN S Sr e a l-t i m
6、es a t e l l i t e sc l o c ko f f s e t i se s t i m a t e da n dt h ep e r f o r m a n c e i s e v a l u a t e db a s e do n t h eu n d i f f e r e n c e dm o d e l u s i n gg l o b a l n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m(GN S S)h i g h-r a t eo b s e r v a t i o nd a t a,w h i c ha r
7、e a p p l i e d t op r e c i s ep o i n t p o s i t i o n i n g(P P P)t oc a l c u l a t e t h es u r f a c ed y n a m i cd i s p l a c e m e n to f t h e2 0 2 1Y a n g b iMw6.4e a r t h q u a k ea n dM a d o iMw7.4e a r t h q u a k e i nr e a l-t i m e.R e s u l t s s h o w s t h a t t h e a v e r
8、a g e ds t a n d a r dd e v i a t i o n s(S T D)o f t h e r e-a l-t i m ee s t i m a t e ds a t e l l i t ec l o c ko f f s e t so ft h ef o u rGN S Ss y s t e m sa r e0.1 4 2n s,t h ep o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c eo fm u l t i-GN S SP P Pk i n e m a t i cs o l u t i o ns h o w st h a ta
9、b o u t0.5c mc a nb ea c h i e v e di nh o r i z o n t a l d i r e c t i o na n dg e n e r a l l y1.0c mi nv e r t i c a ld i r e c t i o n.M e a n w h i l e,t h ec a l c u l a t e ds e i s m i cd y n a m i cd i s p l a c e m e n tw a v e f o r m so f t h em u l t-GN S Ss y s t e ma r em o r e s t a
10、 b l e t h a n t h o s eo fG P Ss i n-g l es y s t e m,a n dc a no b t a i nm o r ea c c u r a t ec o s e i s m i cd e f o r m a t i o n.K e yw o r d s:G l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m(GN S S);S a t e l l i t ec l o c ko f f s e t;R e a l-t i m ee s t i m a-t i o n;P r e c
11、i s ep o i n tp o s i t i o n i n g;E a r t h q u a k em o n i t o r i n g 收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 1;修订日期:2 0 2 3-0 2-0 1基金项目:科技部第二次青藏高原综合科学考察研究子专题(2 0 1 9 Q Z KK 0 9 0 1)作者简介:王浩浩(1 9 9 5-),男,硕士,助理工程师,主要从事G N S S精密数据处理方面的研究。通信作者:郝明(1 9 8 2-),男,博士,研究员,主要从事地壳形变监测与动力学机理方面的研究。第3期G N S S实时卫星钟差估计在地震监测中的应用0 引言近
12、年来,随着全球导航卫星系统(g l o b a ln a v i-g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m,GN S S)高频定位技术的不断发展,其在地壳运动监测领域发挥着越来越重要的作用,为地震监测提供了一种有效的新型技术途径1-2。其中,利用差分相对定位技术可以计算得到监测站相对于某一固定参考站毫米级的动态位移,但监测区域内有时因地质条件等客观因素难以布设观测环境良好、稳定的基准站,而且坐标精确已知的基准站在强震发生阶段可能会发生移动,导致动态解算的定位精度显著降低3-4。而采用国际GN S S服务(i n t e r n a t i o n a lG
13、N S Ss e r v i c e,I G S)组织发布的精密卫星轨道和钟差等产品的精密单点定位(p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g,P P P)技术,具有不依赖于某一特定参考基准站、实时性强等优势,仅利用单台GN S S接收机即可获得国际地球参考框架下高精度的“绝对位置”,具备准确捕捉地震位移波形的能力,更 适 合 长 距 离、大 范 围 的 地 壳 形 变 监测3-4。文献5 实验结果表明,卫星钟差的采样率越高,利用P P P动态解捕捉远场站点形变信息的优势越 明 显。文 献 6 利 用 武 汉 大 学 自 主 研 发 的P AN D
14、A软件对高频GN S S观测信号进行P P P后处理,能够很好地获取2 0 1 6-1 1-1 3新西兰Mw7.8地震产生的动态位移特征。地震瞬时地表动态位移的实时高可靠性监测对地震预警系统而言至关重要,能够为震中以及震级的快速确定等研究工作提供关键信息3。然而,实时P P P高精度动态解的实现取决于精密卫星轨道和钟差的实时估计性能。目前超快速实时预报轨道产品已经能够满足其时效性和可靠性等要求,但卫星钟差的精确预报极易受到自身时频特性以及复杂太空环境的影响,高可靠的厘米级GN S S实时卫星钟差则需利用地面站观测数据进行实时估计得到7。文献8 实时估计的多模GN S S卫星钟差与武汉大学最终精
15、密钟差互差优于0.2n s。文献9-1 0 利用均方根信息滤波实现GN S S四系统实时卫星钟差的快速估计,且与最终精密钟差产品符合性较好。文献1 1 提出了一种基于序贯最小二乘的在线质量控制方法,GN S S四系统实时估计卫星钟差的标准差均值优于0.1n s。鉴于此,本文以长安大学北斗分析中心为平台,基于多模全球导航卫星系统实验跟踪网(m u l t i-GN S Se x p e r i m e n t,MG E X)监测站1H z的GN S S观测数 据,采 用 模 型 严 密、精 度 较 高 的 非 差 估 计法1 2,实现了多模GN S S卫星钟差的实时估计和性能评估,并将其用于高频
16、动态P P P实时获取2 0 2 1年漾濞Mw6.4地震和玛多Mw7.4地震发生时段的地表形变波形,具体分析震时点位的运动变化情况。1 数据处理1.1 钟差估计本文采用无电离层组合观测值进行GN S S卫星钟差的实时估计,非差伪距和载波相位的观测方程为vl c=tr-ts+br-bs+Nsr+msrTr+l cvp c=tr-ts+dr-ds+msrTr+p c(1)式中,vl c和vp c分别为相位和伪距的观测值残差;r和s分别表示接收机和卫星;tr和ts分别表示接收机和卫星的钟误差;br和bs分别表示接收机端和卫星端的相位硬件延迟偏差;dr和ds分别表示接收机端和卫星端的伪距码延迟偏差;Nsr表示无电离层组合观测值的相位模糊度;Tr和msr分别为对流层天顶湿延迟以及与之对应的投影函数;l c和p c分别为载波相位和伪距观测量的综合噪声。由于公式中的偏差参数具有很强甚至完全的线性相关性,将其作为未知数进行估计,不仅会引入大量待估参数,还会减弱卫星钟差的估计精度。其中,卫星端的码偏差参数具有较高的时间稳定性,可以在观测方程中将其合并到卫星的钟误差参数中,而且相位延迟偏差可以被相应的相位
