黄展飞
身份证号：45088119940210****
摘要: 随着GNSS的不断发展，精密单点定位（Precise Point Positioning，PPP）PPP技术已成为研究地震的重要手段。本文以2011年3月11日日本本州东北部海岸附近发生的Mw9.0级地震为例，利用RTKLIB软件对震中附近的IGS站数进行解算，通过处理分析，结果表明：利用震中附近IGS站点数据采用PPP技术可以快速对地震造成的形变及地震波传播速度进行高精度表达。震中附近的5个站点分别在地震前后产生的形变量与距离震中的距离有着较好的对应关系。
关键词：精密单点定位技术；RTKLIB；日本研究
人类的生存和发展活动与地球的运动有着紧密的联系。地震是地球各板块运动造成的地质灾害，一直以来，各国学者就地震的形成原因和影响从未中断过研究，期望能达到预测地震的发生及减小地震的灾害。随着近代科学技术的发展，人类对地震发生的原因、形成机制有了初步的了解，对于地震的研究手段也丰富了不少。为了能减少地震带来的灾害影响，人们尝试通过不同的手段来监测地震的发生，其中通过GNSS观测得到的地震前后IGS站坐标的变化来反演地震的发生和影响范围，取得了许多重要的成果。随着GNSS处理精度的提高，利用GNSS进行地表位移的地震分析，并且使用GNSS数据再现由地震引起的形变，这是地震研究的新方法。2011年3月11日，日本东海岸附近海域发生9.0级地震，震源（38.1°N,142.6°E），国内外不少学者以GNSS数据为基础，用各种各样的观测手段、方法和数学模型来分析这次地震造成的影响[1,2,3]。为未来地震的监测、预报、预警等提供了理论和实际基础。
地震发生后如何正确且迅速地对地壳运动的调查分析,对科学灾害救助和重建具有重要的意义。将参考站作为高级控制测量的基准，位置的变化和运动速度对大地测量结果的精确度产生影响。本文以日本5个IGS站在2011年3月11日的站点数据作为研究基础，以目前常用的GPS数据处理软件RTKLIB进行处理[4]，基于动态定位模块分析日本Ms9.0地震对周围IGS站的影响，除了研究地震前后的IGS站站点坐标的变化和地震对IGS站的影响范围，还在PPP动态模式下研究了地震波的传播速率。
1 PPP技术相关理论及数据来源
1.1 PPP技术原理
PPP精密点定位技术与以往的差分位置定位技术不同。现有的差分位置定位技术，为了校正移动站而需要基准站。而PPP技术，仅需要一台GNSS接收器来观测。利用高精度的卫星轨道和时钟差的产品、对模型进行重新评估或估计参数的方法，考虑卫星端、信号传播路径和接收器侧的误差，使得能够进行高精度的定位。在PPP数据处理中，通常使用观察值的组合、模型校正和参数估计来去除或减小传播误差[5,6,7]。
1.2 数据来源
本文使用的数据均来自于武汉大学IGS数据中心（http://www.igs.gnsswhu.cn/）数据包括日本境内的5个IGS基准站（mizu、ksmv、tskb、usud、aira）2011年3月11日的原始观测文件、广播星历及精密星历（采样间隔为30s的钟差件和卫星轨道文件）。其中IGS站点和震中的位置关系图如下所示。在对于做实验的IGS站的选取上，为了能较为全面的反应地震对IGS站的影响，选取了位于震中西北方向的mizu站和位于震中西南方向的ksmv、tskb站。而为了更好的研究地震波传播的速度，分别选取了距离震中274km、1251km的tskb站和aira站点。各站点详细信息如图1、表1所示。
.png)
表1 IGS站点分布概况表
站点 距震中距离（km） 距震中方位 概略大地高（m）
Mizu 131.8 西北方向 116
Ksmv 260.2 西南方向 58
Usud 355.2 西南方向 1508
Tskb 274.2 西南方向 67
Aira 1251.1 西南方向 314
3 实验结果及分析
3.1 IGS站点地震前后坐标变化情况
使用RTKLIB查询各站点在3月11日整天的坐标变化速率（分为E、N、U方向）。其中由于mizu站和ksmv站点在地震时间段出现了采集数据中断的情况，所以本文主要研究usud站、tskb站和aira站的坐标变化速率，其结果如图2、图3、图4所示：
上图中横轴代表的是时间（时间系统为北京时间），从3月11日0点到3月11日24点，纵轴则分别代表站点坐标在E、N、U方向上的变化率。结合以上图可以明显看出各点坐标变化率在凌晨6点附近发生骤变，与地震发生时间05：46：24（日本当地时间）吻合。并且3个站点坐标变化率在3月11日21点附近也发生了较小的骤变，可以初步判断21点前后有余震发生。
通过RTKLIB解算各站点3月11日当天各时段的瞬时坐标（WGS-84坐标）。选取了地震前后各一个小时的坐标进行对比，详细情况如表2所示：
表2 IGS站点各方向变化
站点 观测时间 ΔX(m) ΔY(m) ΔZ(m) 三维偏移量(m)
Mizu 凌晨4：46至5：59 -1.76 -1.30 -1.07 2.43
Ksmv 凌晨4：46至5：59 -0.58 0.05 -0.08 0.59
Tskb 凌晨4：46至6：46 -0.28 -0.38 -0.05 0.48
Usud 凌晨4：46至6：46 -0.46 -0.04 -0.12 0.48
Aira 凌晨4：46至6：46 0.18 -0.29 -0.31 0.46
由于mizu站和ksmv站出现采集数据中断的情况，所以比较时间有所不同。从上表可以得出各站的坐标变化量：距震中最近的mizu站坐标变化量最大，X方向地震前后偏移了1.76m，Y方向偏移1.29m，Z方向偏移1.06m，空间三维坐标变化量为2.43m。ksmv站X方向地震前后偏移0.58m，Y方向偏移0.05m，Z方向偏移0.59m，空间三维坐标变化量为0.59m。tskb站X方向地震前后偏移0.28m，Y方向偏移0.38m，Z方向偏移0.04m，空间三维坐标变化量为0.48m。usud站X方向地震前后偏移0.45m，Y方向偏移0.04m，Z方向偏移0.12m，空间三维坐标变化量为0.47m。距震中1200km的aira站X方向地震前后也偏移0.17m，Y方向偏移0.28m，Z方向偏移0.30m，空间三维坐标变化量为0.45m。
3.3地震波传播速率的计算
地震造成的波坏主要由于地震波，地震波是从地震的震源向四周传播的振动。地震波的种类多种，主要分为表面波和实体波。其中实体波又分为纵波（P波）和纵波（S波）。本次论文研究了S波对IGS站产生影响。为了更将精确地计算地震波到达各IGS站的时间，使用了MATLAB（来进行数据分析）成功地绘制mizu站、usud站和aria站实时坐标随时间变化的图像，其结果如图5、图6、图7所示。
依据图中各坐标方向的突然变化，可以判断出地震波传播到达该IGS站的历元数。结合图像可以得出地震波到达mizu站历元数为693,换算为时间即05：46：54，传播速度为4.3km/s；到达tskb站历元数为695，即北京时间05：47：54，转播速度为3.0km/s；而距离震中1251km的aira站，地震波到达历元数为728，即06：02：24，传播速度为1.5km/s。结合3个IGS站传播速度得出的地震波S波的平均传播速度为2.9km/s，符合实际范围。
4 结语
本文利用武汉大学IGS数据中心提供的2011年3月11日日本5个IGS站点数据，使用RTKLIB软件中的RTKPOST模块对日本日本Ms9.0地震当天站点数据进解算，结果表明：
1）各个站点在地震前后都发生了明显位置偏移，其中距离震中最近的站点Mizus三维偏移量为2.4m，其余站点偏移量在0.5m左右。
2）通过对对各个IGS站站点坐标变化随时间的变化进行分析，计算得出此次地震影响范围为300km左右，地震波传播平均速率为2.9km/s。
总的来说，根据上述结果利用PPP技术来分析地震传播的过程及其造成的影响有着重大意义和参考价值。
参考文献
[1]刘俊鹏，李凯锋，任来平,邓凯亮.基于Track分析日本3-11地震对周围IGS站的影响[J].海洋测绘，2014,34(01):50-53.
[2]刘严萍，王勇，胡小刚，郝晓光.基于GPS的日本9.0级地震地表形变监测研究[J].灾害
学，2013,28(04):95-98.
[3]李萌，黄丁发，严丽等.宫城Mw9.0级地震前日本IGS站GPS时间序列分析[J].西南交通大学学报，2013,48(1):62-68.
[4]丁慧君，罗端，卢兵等.基于RTKLIB的精密单点定位研究[J].城市勘测，2014,(5):22-25.
[5]张小红，马兰，李盼等.利用动态PPP技术确定海潮负荷位移[J].测绘学报，2016,45(6):631-638,712.
[6]李希亮，李霞，王方建等.GPS在我国地震研究中的应用现状与展望[J].震灾防御技术，2014,9(3):518-526.
[7]赵槊，金鑫，邹定杰等.东日本大地震对IGS观测站位置影响的分析[J].中国设备工程，2017,(20):162-163.