GpsTools在高采样率GPS地震监测中的应用研究

摘 要：介绍了精密定位定轨软件GpsTools，用其对2010年4月4日墨西哥Baja California地震时的高采样率GPS观测数据进行了非差精密单点定位解算，得到了一些有益的结论。

1 引言

高采样率GPS动态精密定位技术能够获得GPS测站的三维地表形变信息，是地球动力学及地震监测研究的重要技术手段，目前已逐步发展成了一门新兴学科---GPS地震学。1994年，Hirahara最早提出了“GPS地震仪”的概念，并进行了1Hz采样的GPS接收机振动模拟实验[1]；随后，国内外众多学者分别用Bernese、GIPSY等软件对震时实测GPS数据进行了解算研究，取得了丰硕的研究成果[2、3]。本文利用GpsTools软件对2010年4月4日墨西哥Baja California地震时的高采样率GPS数据进行处理，成功获得了测站形变和地震信号。

2 GpsTools软件简介

GpsTools是日本东京海洋大学的Tomoji Takasu教授开发的开源GPS精密定位定轨软件（http：//gpspp.sakura.ne.jp/gpstools/gt_release.htm）。该软件的用户界面和流程控制程序是利用Matlab语言编写，而核心函数采用C语言编写（编译成mex文件用于提高计算效率）。GpsTools的最新版本是0.6.4版，目前仅支持GPS卫星系统。该软件具有动态+静态模式和单差+双差模式，支持多种GPS观测数據格式和精密星历及卫星钟差改正文件格式，具有强大的GPS精密定位定轨功能。该软件易学易用、全球已有几万个用户下载并学习GpsTools。该软件的功能界面及数据处理流程如下图1所示。

3 GpsTools定位定轨数据处理

GpsTools定位定轨数据处理采用的是非差精密单点定位（PPP）模式，其数据处理流程如图为：首先读取GPS观测数据和精密星历/卫星钟差改正数据；随后进行数据预处理（包括钟跳探测/修复、周跳探测/修复、相位平滑、点定位）以得到干净的观测数据；最后建立观测方程并利用扩展卡尔曼滤波（EKF）算法进行参数解算，可解算接收机的位置/速度/钟差、对流层延迟、相位模糊度参数等参数。使用无电离层影响的线性组合观测值，GpsTools的PPP数据处理模型可写为（如图）：

式中，x为参数向量，包括接收机位置/速度/钟差、对流层天顶延迟、相位模糊度等；y为观测值向量，包括无电离层影响的线性组合载波相位观测值和无电离层影响的线性组合精码伪距观测值。

4 GPS地震监测数据处理

协调世界时（UTC）时间2010年4月4日22时40分，墨西哥Baja California地区发生了里氏7.2级地震，震中位置32.259N，115.287W，附近的GPS地震监测站P494、P496、P497、P744可提供5Hz采样的GPS数据。我们使用欧洲定轨中心（CODE）发布的GPS精密星历文件及5秒间隔的GPS卫星钟差改正文件，基于传统PPP模式，用GpsTools对上述测站进行了数据处理，得到了这几个测站的坐标序列如下图2所示。

由上图2可见，利用GpsTools软件对震时高采样GPS数据进行PPP解算，可以高精度地获得测站地表形变和地震波信号，这些信息的获取无疑为震源分析、地层破裂分析、地震波传播分析提供重要资料。

5 结论和建议

本文利用GpsTools软件，基于传统PPP模式，成功获得了墨西哥Baja California地震时的高采样率GPS测站的地表位移；GpsTools软件功能强大、易学易用、必将成为GPS地震学研究的重要软件工具；此外，GpsTools具有鲜明的开源特性，易于功能扩展，有条件的单位或个人可以对其扩展，如增加对GLONASS、Galileo、Beidou等卫星系统的支持等。

参考文献

[1] Hirahara，K. et al.An experiment for GPS strain seismometer. Japanese Symposium on GPS.1994

[2]方荣新，施闯，陈克杰，等. GPS地震仪：PANDA软件测试结果与验证[J].武汉大学学报-信息科学版.2011，Vol.35（4）：453-456

[3] 吴继忠. 基于GPS观测的BajaCalifornia地震地壳变形分析[J]. 武汉大学学报-信息科学版.2011，Vol.36（4）：437-441.

作者简介

陈宪冬（1972-），男，山东冠县人，副教授，硕士生导师，主要从事GPS、GIS方面的教学科研工作。

基金项目：陕西省教育厅科学研究项目：高采样率GPS动态精密定位技术在地震监测中的应用研究（2010JK671）；国家自然科学基金青年科学基金项（41304013）。