GPS/GNSS技术与地震监测
双击自动滚屏 发布者:E路航官方网站 发布时间:2010-3-25 阅读:294284720次

GPS/GNSS技术与地震监测
地球动力学是从地球的整体运动出发,由地球内部和表层的构造运动来探讨其动力演化过程,进而寻求其驱动机制。其基本问题是研究地球的变形及其变形机理。
    板块构造概念带动了地学的一次重大革命,板间构造和板块运动理论能否成立或被人接受,均需得到全球板块运动的最新直接测量结果的支持。此外,板块运动的动力学机制、板内和板缘运动的复杂性的精细描述等方面,有待更多测量结果去完善。
    中国大陆东部受西太平洋洋型板块俯冲、削减的影响,造成了一系列与弧后扩张有关的陆缘海伸展和断陷盆地;西部和西南受印度板块与青藏块体陆壳碰撞后的构造效应,形成不同地质构造时期的推覆构造带。现代地壳运动则以青藏高原的快速隆起和沿巨型活动带的走滑或逆走滑的强烈变动为特征。据有限的观测,其水平运动速率每年高达l~4cm,垂直运动速率每年达1cm。这说明同时存在当代板块构造学说两种最具代表性的边界,即陆-陆壳相碰撞型和洋陆壳俯冲型边界,既具有主要的全球构造意义,又具有独特的演化特征。这里的现代地壳运动类型多样,性质复杂,地貌清晰,是全球动力学研究中具有重要特殊地位的实验场。
    因此,不论从地球动力学、板块运动还是青藏高原隆起,运用高精度、高时空分辨率、动态实时定量的观测技术,建立符合实际的地球动力学基础的全国统一的观测网络,势在必行。
    对于地震监测预报而言,这种紧迫性尤为显著,因为我国地震台网,尤其是地震前兆网,存在着严重的三个主要缺陷:
    第一,自1988~1999年,我国大陆共发生6级以上地震53次,其中7级以上地震9次,若以东经105°为界,西部地区发生8次,东部地区为1次,为8∶1。可是,在东经105°以西,由于人烟稀少,交通不便,台网布局极为稀少。一个释放地震能量90%以上的地区,台网过稀,无疑浪费了宝贵的地震信息的天然资源,大大延迟了人类的实践,从而延缓了提高地震预报水平的进程。
    第二,全国地震前兆台网都是以“点测”形式进行相对变化量的日常观测,各台站的观测数据都是相对独立的,台站之间数据没有相互关系。一旦出现异常时,由于是点结构观测,没有面上的联系,则难以判断其真伪。
    第三,地震活动是区域性和全球性的,而前兆观测是独立的,不相关的,则难以研究其与全球地震活动的关系。
    对于能加密西部观测,具有全球框架意义,又有“面结构”联系的高精度的观测系统,只有运用空间测量技术(甚长基线干涉测量——VLBI、人卫测距——SLR、全球定位系统——GPS、卫星遥感——RS、合成孔径RD干涉测量——INSAR)。特别是GPS技术,近10年来,发展尤快,观测精度几乎提高了三个数量级,为监测地壳运动提供了有效的观测方法。
    一、GPS卫星定位
        1.GPS的特点
    由于GPS卫星数目较多,分布合理,在地球任何地点均可连续同步观测到至少4颗卫星,在我国最多可同时观测到13颗卫星(按现运行的27颗讲)。从而保障了全球、全天候连续地三维定位。
    实时确定运动目标的三维位置和速度,既可保障运动载体沿预定航线的运行,也可监视和修正航行路线,以及选择最佳航线。
    定位精度高。目前在大于1000km的基线上,相对定位精度可达10-9;100km可达10-8。
    观测站之间无需通视,又可使观测时间缩短。
    实时定位这一导航技术是现代化的重要标志,使GPS的应用领域不断拓宽,成为20世纪最大科技成就之一。
    2.GPS定位基本原理
    ·绝对定位方法:绝对定位也称单点定位,是指相对于地球质心为坐标原点的坐标系中的直接确定观测站的坐标。其原理是以GPS卫星到用户接收机天线之间距离的观测量为基础,并根据已知的卫星瞬时坐标,来确定用户接收机天线所对应点位坐标。
    由于实际观测点至卫星间的距离,因测量瞬时卫星钟与接收机钟难以保持严格的同步,这种含有钟差影响的距离,称为“伪距”。其中卫星钟差可以应用导航电文中给出的钟差参数加以改正,而接收机钟差无法事先知道,故需把它作为一个未知数与观测点的三维坐标在数据处理中一并求解,因此一个观测点上要实时求解4个未知数,也就是必须至少同时观测4颗卫星。
    ·相对定位方法是用两台GPS接收机分别安置在基线的两端,并同步观测相同的GPS卫星,以确定基线在地球坐标中的相对位置或基线向量。因为在两个或多个观测点同步观测相同的卫星,可有效地消除或减弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差等的影响。目前我国地壳运动监测就是采用这种静态相对定位的方法,其精度可达  10-8~10-9。
    二、GPS技术在监测地震与地壳运动中的应用
    GPS技术的应用极为广泛。近年来,GPS在测定地球自转参数从提高观测精度转向提高时间分辨率,它与VLBI或SLR相比,有着不可估量的作用。GPS在地球参考系的建立有着时空加密和提高分辨率的作用,GPS全球资料得到的全球尺度上相对于地球参考框架的三维地心坐标精度已达到厘米级。利用GPS定位研究海平面变化而测定的大地高的精度也可达到厘米级的精度。
    GPS接收器安置在飞行器(飞机、飞船、卫星等)上可确定三维位置和飞行姿态。尤其是多种陆海空交通运输工具的GPS自动导航系统和管理调度系统,低轨通讯卫星的发射,建立的卫星全球导航、定位、通信三位一体系统,将整个世界缩成为一个崭新的电子地球村。除了传统测量与军事应用外,GPS气象学、GPS用于海洋资源开发、热带原始森林、捕鱼、放牧、旅游、探险以及各种防灾减灾事业等。
    高精度GPS技术已成为世界主要国家和地区用来监测火山地震、构造地震、全球板块运动,尤其是板块边界地区的重要手段。
    全球有200个GPS基准站,计划在板块边界和全球已知构造活动区约25个区域加密GPS监测网,实现全球地壳运动的自动监测。此外,连同各国的区域网,主要研究内容:
    ·研究全球板块间的相对运动;监测板块边缘及内部的构造变形;确定不同尺度构造块体运动方式规模和运动速率。
    ·确定区域位移场、速率场和应变场。

部分转自中国地震信息网

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