利用高精度原子钟和GNSS时频观测数据的实时地震监测方法

技术领域

本发明属于防震减灾、大地测量学和地球物理学领域，特别涉及一种基于时频信号传递实时地震监测预警方法及GNSS时频测位技术测定重力位方法。

背景技术

地震是一种自然灾害，具有瞬间强烈、广泛影响、难以预测等特点。地震的危害非常大，主要表现在以下几个方面：(1)破坏建筑物：地震产生的强烈震动能够对建筑物造成严重破坏，从而危及人们的生命和财产安全；(2)破坏基础设施：地震会破坏道路、桥梁、水电站等基础设施，导致交通、通讯、能源等方面的中断；(3)触发次生灾害：地震容易引发次生灾害，如山体滑坡、泥石流等，对环境和人们的生命财产造成威胁；(4)影响经济发展：地震会对当地经济造成严重影响，导致生产、交通、贸易等方面的中断，影响当地的经济发展；(5)严重伤害：地震时室内家具倾倒、装饰物掉落、电器等高速撞击，也会造成严重伤害。室外楼体外立面瓷砖、大理石板等装饰坠落，玻璃幕墙垮落、墙体倾倒等也会造成严重的伤害；(6)精神重创：地震会对人们造成精神上的伤害，特别是对于经历过地震灾害的人们，他们可能会感到恐惧、焦虑、无助等负面情绪。

全球主要有阿尔卑斯-喜马拉雅地震带、环太平洋地震带。100年来7级以上的地震基本集中于这两大地震带。面对如此严峻的震情情势，如何有效减轻破坏性地震造成的经济损失和人员伤亡，是各国亟待解决的问题。为了应对地震带来的危害，各国政府采取了一系列措施，包括加强地震监测和预警、提高建筑物的抗震能力、加强应急救援能力等。同时，社会各界也在积极参与到地震防范和救援工作中来。

由于地震是一种复杂的自然现象，对地震进行预报是世界性难题，尽管科学家们已经做出了很多努力，但是目前仍然存在很多困难和挑战。首先，地震预报的精度和准确性非常难以提高。地震是由地壳内部的复杂过程引起的，这些过程受到许多因素的影响，包括地壳压力的变化、地壳物质性质的异质性等，这些因素都很难被完全理解和模拟。此外，地震的发生时间、地点和强度的预测也受到很多不确定性因素的影响，使得预报的难度非常大。其次，地震预报的成本也非常高。为了提高预报的精度和准确性，需要进行大量的地震勘探和观测，这需要投入大量的人力、物力和财力。此外，地震预报还需要进行大量的数据处理和分析，需要高性能计算机和先进的数据分析技术。这些成本都非常高，使得地震预报的投入非常大。尽管存在很多困难和挑战，但是科学家们仍在不断探索和研究地震预报的方法和技术。目前，地震预报主要采用地震前兆观测和地震数值模拟等方法。其中，地震前兆观测是通过观测地震孕育过程中的各种物理、化学变化，总结其规律，为地震预报提供依据。地震数值模拟是通过建立地震模型，模拟地震孕育、发生的过程，为地震预报提供参考。

无论哪种方式进行地震预报，都需要前期对地震进行充分的观测、分析和研究。通过多源观测，综合研究提取地震前兆信息和模拟地震孕育、发生的过程。目前，地震监测的手段主要包括以下几种：地震观测：通过地震仪记录地震发生时的地面震动，包括地震波的波形、震级、震源深度等信息。地壳形变观测：通过观测地壳的形变，包括地倾斜、地应力、地应变、重力场、空间大地形变测量、断层形变测量等方法，以了解地震孕育过程中地壳的物理性质和结构变化。地磁地电观测：通过观测地磁场和地电场的变化，可以提供有关地震活动的直接信息。地下流体观测：通过观测地下流体的动态变化，如水位、流量、气体的化学成分等，以了解地下流体与地震之间的关系。应力应变观测：通过测量地面的应变和应力变化，可以提供地震活动的相关信息。宏观前兆现象观测：通过观测动物、气象、水文等宏观异常现象，以了解地震的前兆信息。虽然各种观测方法可以相互补充、相互印证，为地震预报提供更加准确和全面的信，但每种手段相互之间比较独立，且每种手段需要单独进行布设实施。因此，会造成重复布设站点、资源浪费、不同观测数据如何耦合等问题。

发明内容

本发明提出了一种利用高精度原子钟和GNSS时频观测数据的实时地震监测方法，可同时监测地表形变和重力位变化。

本发明提出的地震监测方法是将高精度的原子钟作为GNSS接收机的外挂时钟，为GNSS接收机提供高精度和高稳定度的频率基准和时间基准，进行高频GNSS观测并实时高精度解算GNSS站点的位移和接收机钟差，从中提取出地表形变信息以及重力位变化信息。

根据实施例的第一方面，提供一种基于时频信号传递实时地震监测方法，包括：在目标区域部署若干站点，将原子钟连接到站点的GNSS接收机上，作为GNSS接收机的外挂时钟；通过GNSS接收机接收卫星信号并对卫星信号进行解码，获取高频GNSS观测值，利用实时精密产品解算出站点的三维坐标；将实时解算得到的站点三维坐标信息传输到数据处理中心，数据处理中心对站点坐标时间序列进行处理和分析，直接获得地表的真实位移，捕获地震时地表运动时序，进而识别出地震震相、震中、震级和破裂方向信息，实现实时地震预警。

地震发生以后，利用最终精密产品对GNSS观测数据进行处理，解算出站点位移和接收机钟差。利用站点位移和接收机钟差做地震同震滑动分布、应力分布及变化、余震、震后形变分析。根据接收机钟差，基于广义相对论原理，直接测定任意两个站点的重力位差以及某个站点的重力位变化。通过长期监测站点的重力位变化，分析其与地震诱发之间的相关性。获取受地震影响的地下物质迁移引起的重力位变化，分析地下物质结构、分布变化。

根据实施例的第二方面，提供一种基于时频信号传递实时地震监测系统，包括：部署在目标区域的若干站点，站点具有GNSS接收机，GNSS接收机连接有作为其外挂时钟的原子钟，站点通过GNSS接收机接收卫星信号并对卫星信号进行解码，获取高频GNSS观测值，利用实时精密产品解算出站点的三维坐标；数据处理中心，其被配置为获取实时解算得到的站点三维坐标信息，对站点坐标时间序列进行处理和分析，直接获得地表的真实位移，捕获地震时地表运动时序，进而识别出地震震相、震中、震级和破裂方向信息，实现实时地震预警。

根据实施例的第三方面，提供一种计算机，包括：处理器；存储器，包括一个或多个计算机程序模块；所述一个或多个计算机程序模块由所述处理器运行时执行以下步骤：获取实时解算得到的站点三维坐标信息，对站点坐标时间序列进行处理和分析，直接获得地表的真实位移，捕获地震时地表运动时序，进而识别出地震震相、震中、震级和破裂方向信息，实现实时地震预警。其中，站点部署在目标区域，站点具有GNSS接收机，GNSS接收机连接有作为其外挂时钟的原子钟，站点通过GNSS接收机接收卫星信号并对卫星信号进行解码，获取高频GNSS观测值，利用实时精密产品解算出站点的三维坐标。

本发明所提出的利用高精度原子钟和GNSS时频观测数据的实时地震监测方法具有以下几个优点：

通过将高精度的原子钟作为GNSS接收机的外挂时钟，可以有效地消除接收机内部时钟的漂移和误差，从而提供准确的频率和时间基准，能够显著提高GNSS接收机解算结果的精度。

在地震监测中，高精度的频率和时间基准对于地震信号的捕获和解析至关重要。GNSS接收机利用原子钟的高精度频率基准，可以精确地测量地震信号的周期和相位变化，从而提取出地震信号的特征和参数。此外，原子钟提供的高稳定度时间基准可以帮助解析地震信号的到达时间，为地震定位提供准确的时间戳。

通过将高精度原子钟作为GNSS接收机的外挂时钟，可以实现高精度的定位和高灵敏度的地震监测。原子钟的高精度频率基准可以消除GNSS信号的多路径效应和干扰，提高定位的精度和可靠性。同时，还可以利用原子钟提供的时间基准，对地震信号进行实时监测和解析，实现地震预警和快速响应。

通过网络连接可以从各大数据分析中心实时下载精密产品进行高频GNSS实时解算，得到站点的实时位移信息，因此可以实时监测地震活动和地表形变，及时发现异常情况，为地震预报提供更加准确和及时的信息。

由于原子钟的频率和时间基准可以通过网络或其他时频传递链路进行远程传输和控制，也增加了系统的可扩展性和灵活性。此外，该地震监测方法不仅适用于地震监测，还可以广泛应用于其他需要高精度定位和时间基准的领域，如气象、水文、地质等领域。

综上所述，本发明提出的基于时频信号传递地震监测方法通过将高精度的原子钟作为GNSS接收机的外挂时钟，实现了高精度的定位和高灵敏度的地震监测，可以大大提高地震监测的可靠性和精度，为地震预报和地震研究提供更加准确和及时的信息。这种方法可以为地震监测和防灾减灾提供重要的技术支持和创新方案。

附图说明

图1是时频重力位测量方法原理图，实曲线和虚曲线分别表示震后和震前的地表，实矩形(P

图2是GNSS时频信号传递重力位测定示意图。

图3是GNSS载波相位时频测位方法示例站点分布图，矩形表示GNSS站点，其中武汉站为基准站，可分别与汶川地震破裂带周边的GNSS站点形成远程时频比对链路。

具体实施方式

一种利用高精度原子钟和GNSS时频观测数据的实时地震监测方法，包括以下步骤：

1)在目标区域(已知的地震断裂带)部署一系列GNSS监测站点，将高精度的原子钟连接到GNSS接收机上，作为GNSS接收机的外挂时钟，为其提供高精度和高稳定度的频率基准和时间基准；

2)通过GNSS接收机接收卫星信号并对卫星信号进行高精度的解码，获取高频GNSS观测值，利用实时精密产品解算出GNSS站点的位置。采用精密单点定位技术(PrecisePoint Positioning,PPP)进行解算可以获取站点的绝对坐标，其基本方法如下：

GNSS伪距和载波相位的观测值可分别表示为：

式中，P为伪距观测值(单位：米)，L为载波相位观测值(单位：周)，上标S表示卫星系统(如：GPS/GLONASS/Galileo/BDS)，上标i表示卫星的PRN(Pseudo-Random Noise)，下标r与j分别表示站点接收机和观测值的频率标识符，λ

为了便于描述，定义如下的表达式：

式中，下标1和2表示频率标识符

IGS分析中心提供的精密卫星轨道与钟差产品均是根据双频伪距消电离层(Ionosphere-free，IF)组合观测值所估计的(如：GPS：L1/L2、GLONASS：G1/G2、BDS：B1I/B3I和Galileo：E1/E5a)，其产品中包含了卫星端伪距双频消电离层组合的硬件延迟，即：

式中，

使用卫星精密轨道、钟差和DCB产品后，并将式(1)线性化后，可得：

其中，

式中，p和l分别表示伪距和载波相位的观测值减去计算值(Observed MinusComputed，OMC)；u为方向余弦；X为相对接收机初始坐标的坐标增量；上标符号“～”表示重新参数化的参数。

为了消除电离层延迟一阶项的影响，PPP通常采用双频伪距和载波相位观测值构建无电离层组合模型，得到伪距和载波相位的无电离层组合观测方程，然后将所有的观测方程联立，即可求解出站点的三维坐标以及接收机钟差。

其中，

式中，下标IF中的次下标1和2表示双频消电离层组合所使用的频率。该模型的待估参数包括：接收机三维坐标的增量、接收机的钟差、ZWD和双频消电离层组合模糊度，且至少需要观测到5颗卫星才能进行解算。

3)将实时解算得到的站点三维坐标信息传输到数据处理中心，利用数据处理技术对站点坐标时间序列进行处理和分析，直接获得地表的真实位移，捕获强震时复杂的地表运动时序。根据处理和分析结果，判断站点的坐标是否发生异常，以此来判断目标区域是否发生地震。地震预警的基本思想是利用地震P波传播速度快于S波与面波的特点，通过分析P波初到时刻、振幅及频率等信息，估算随后而至的破坏性震动的大小及范围，进而确定预警范围与级别，向公众发布地震预警信息，并通过不断更新的站点坐标信息实时更新地震的震中、震级、破裂方向等信息。若没有发生地震，则无需保留实时解算结果。

4)地震发生前后，利用最终的精密产品进行高精度的后处理(同步骤2)采用PPP技术)，获取站点的高精度位移和接收机钟差时间序列。

(1)通过对多个站点坐标的精确测量，可以获取地震波传播的精确路径和震源的位置信息。在获取这些数据后，研究人员可以对其进行详细的地震分析，通过现有程序自动处理数据、绘制地震波形图、计算震源参数等等。通过对这些数据的分析，研究人员可以获得关于地震发生的详细信息，包括震源深度、震级、震中位置等等，还可以获取精细、准确、可靠的同震滑动分布模型，确定同震库伦应力变化分布，分析余震分布以及震后形变。除此之外，高精度的后处理还可以帮助研究人员确定地震的影响范围和可能引发的次生灾害。这些信息对于应急救援和灾后重建工作都有着极其重要的作用。

(2)根据最终的接收机钟差时间序列，获取GNSS站点所处位置的重力位变化以及地下物质迁移特性。基于以下公式：

式中ΔW

式中上标和下标1均表示震前，2均表示震后，假设Q站点不受地震影响。因此通过这种方法可以得到站点所处位置的重力位变化。由于重力位变化一般是由地面起伏以及地下物质迁移共同引起的，因此要想研究地下物质迁移，需要将地面起伏部分引起的重力位变化扣除。由地面起伏引起的重力位变化如下：

式中，G为地球引力常数，M为地球质量，R为地球半径，Δz为站点在垂直方向上的高差变化。结合公式(10)，可得由地下物质迁移引起的重力位变化为：

(3)根据最终的接收机钟差时间序列，获取GNSS站点所处位置震前重力位(GNSS时频测位技术，同上)，通过对重力位的长期变化趋势和地震诱发进行耦合和相关性分析，分析两者之间是否存在相关性。所述的时频测位技术可以结合图1和图2来理解。

本发明的地震监测方法和时频测位技术，具有高精度、高稳定度、实时性等优点，可广泛应用于地震监测、地震预警、地质灾害监测等领域。同时，利用高精度原子钟作为GNSS接收机的外挂时钟，可以大大提高GNSS接收机的定位精度和稳定性，为GNSS技术的发展提供新的思路和方法。此外，GNSS时频测位技术可为地震诱因、地球内部物质结构和分布变化的研究提供新的思路。

当地震发生后，沿着地震破裂方向的GNSS站点逐个接收到地震波到达信号，通过实时高频GNSS数据解算直接获得地表的真实位移，捕获地震时复杂的地表运动时序。首先需要解决的是初至波的拾取，即P波的震相识别。常用的震相识别方法有：人工经验法、STA/LTA法、傅里叶变换法、小波分析法、AIC方法、瞬时频率法等。利用离震中较近的站点的速度信息，提取P波初至时刻；然后利用拾取的地震波初至时刻与震中距反演出P波的传播速度。综合多个站点的分析结果，发出地震预警信息，并为后续震中、震级、同震滑动分布、余震、震后形变等研究和分析提供参考，为后续地震应急、地震预警提供了重要的、科学的决策依据。

以北川站为例(参考图3)，地震会引起BC站在垂直方向上发生一定的位移量Δz，这部分位移量利用最终的精密产品基于PPP技术可以直接高精度获取，地表起伏引起的重力位变化可由公式(11)得到；通过与武汉站形成远程时频比对链路“武汉-北川”。由于武汉站距离震中距离超过1000千米，因此受到地震的影响可以忽略不计。利用PPP时频传递技术获取震区北川站与远离震区的武汉站之间的接收机钟差；再基于公式(9)计算得到两地的重力位差。通过比较震前和震后的重力位差差异，即可得到地震引起的北川站所处位置的重力变化。若想研究地震引起的地下物质迁移变化的信息，可将总的重力位变化扣除地表起伏引起的重力位变化得到地下物质迁移引起的重力位变化，据此可以进一步分析地下物质结构及分布变化。

本发明还提供一种计算机的实施例。计算机包括处理器和存储器。存储器用于存储非暂时性计算机可读指令(例如一个或多个计算机程序模块)。处理器用于运行非暂时性计算机可读指令，非暂时性计算机可读指令被处理器运行时实线对各个站点解算结果的处理和分析，进而综合获取到地震震相、震中、震级等信息。

例如，处理器可以是中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或者具有数据处理能力和/或程序执行能力的其它形式的处理单元。例如，中央处理单元(CPU)可以为X86或ARM架构等。处理器可以为通用处理器或专用处理器，可以控制计算机中的其它组件以执行期望的功能。

例如，存储器可以包括一个或多个计算机程序产品的任意组合，计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、紧凑型光盘只读储存器(CD-ROM)、USB存储器、闪存等。在计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序模块，处理器可以运行一个或多个计算机程序模块，以实现计算机的各种功能。