同震位移估计

地理信息学的主要目的不是调查与地震事件有关的原因和物理现象。然而，近年来，它在监测和描述地球表面变化方面发挥了重要作用。特别是，本文描述了GPS对地震学的贡献，并提出了一种创新方法VADASE，该方法能够使用标准广播产品和独特GPS接收器收集的高速载波相位观测值实时准确估计同震位移波形。这是对全球定位系统地震学的潜在增强，也是对海啸预警系统的有效支持。

2011年3月11日袭击日本本州岛的9.0级大地震引发了巨大的海啸，再次引起了人们对海啸早期预警系统的关注。不幸的是,在这种情况下,很少或没有什么可以来避免大量的受害者,广泛的破坏和严重事故引发的恐惧降临福岛核电站由于地震的强度和震中靠近日本海岸。然而，海啸预警系统是保护世界上大部分地区，主要是沿印度洋和太平洋海岸线人民安全的一个基本基础设施。事实上,两个重要的海啸早期预警系统已经在这些领域工作,部署在苏门答腊大地震(MW = 9.1) 2004年12月26日(网站1)由美国NOAA太平洋海洋环境实验室和联合German-Indonesian合作(网站2)。与此同时,近年来的几项研究已经证明了GPS在估计同震位移波形方面的潜在有效应用，即所谓的GPS地震学(Blewitt et Al.， 2009;Bock等人，2000年;Kouba, 2005;Larson et Al.， 2009)，精度从几毫米到几厘米不等。这一贡献特别重要，因为它可能支持断层破裂建模和重要地震参数的计算，如地震矩和震级(Mw)，这些参数可以在不存在饱和问题的情况下估计，这种饱和问题通常会影响大地震附近的地震仪(Bock，2010)(3)的网站。

这些研究主要是离线开展的，分析强震期间获得的GPS数据，然后在随后的至少十年中，采用众所周知的处理策略（单点精确定位和差分动态定位）旨在尽可能减少地震发生和同震位移波形估计之间的延迟。这些进步的一个关键因素是技术发展，导致了极高的GPS测量速率（高达100Hz）。2007年9月在美国华盛顿州利文沃斯举行的实时GPS科学要求研讨会采用了在地震发生后三分钟内在全球参考框架内实现1厘米实时GNSS位移精度的挑战（Blewitt et Al.，2009）。

GPS地震学
所以到目前为止，GPS地震学主要采用两种方法：单点精确定位和差分动态定位。单点精确定位需要精确的，或至少是快速的辅助产品，如轨道、时钟和地球定向参数，这些产品目前无法以必要的精度实时提供。该方法使用从单个GNSS接收器获得的双频观测，并在全球参考框架内提供后验高精度位移。这种方法的实时能力受到所需辅助产品精度的限制，其精度随时间延迟而降低。

差分动态定位基于复杂且连续连接的基础设施，即GPS永久网络，以获得实时高精度（瞬时定位）。这种分析需要一个最大平均站间距离达数十公里的全球定位系统永久网络，并在一个集中分析中心共同处理收集的数据。尽管该技术能够保证1cm水平的精度，但它仅提供相对于参考站的实时相对位置。这意味着与强震相关的一个严重限制因素，可能涉及永久网络覆盖的整个区域。事实上，在此类事件中，参考站本身很可能会发生同震位移，因此只有相对同震位移（不在全球参考框架内）可以在整个网络中实时恢复。为了克服这一缺点，基线将加长以搜索外部参考站，从而导致精度较低。

第三条路
正是在这个框架内，我们在此提出了一种称为VADASE的新方法，通过该方法，我们能够使用GPS接收机连续收集的标准广播产品（轨道和时钟）和高速率（1Hz或以上）载波相位观测，实时估计准确的同震位移波形。由于除了独立GPS接收机常规收集的数据外，不需要其他数据，因此原则上可以将算法直接嵌入接收机固件中。可以添加简单的传输设备，以便在超过规定的位移阈值的情况下进行通信。使用这种配置，在发生地震时，波形可以以厘米的精度实时检索，并立即传输到远程控制中心，该中心将决定是否可能发出海啸警报。

然而，到目前为止，该软件仅在一个初步版本中实施，能够使用标准RINEX观测和导航文件作为输入数据。这一步对于测试算法的功能和确认其较低的计算负担是必要的。VADASE被认为是实现上述目标的一种简单而有前途的方法，并在2010年欧洲卫星导航竞赛中获得了DLR专题奖和第一届观众奖（Coloimo等人，2010年）。

VADASE的有效性已通过其在2010年4月4日下加利福尼亚（墨西哥）地震（Mw=7.2）（网站4）中的应用得到证明，其中考虑了UNACO板块边界观测站P496数据（5Hz）（见上图1），以及2011年3月11日日本本州大地震（M=9.0）（网站5），分析了日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和德国航空航天中心（DLR）在距震中370公里的Chofu的JA01现场收集的数据（20Hz，这是首次提供GPS地震学的高速解决方案）（图2）。

关于本州地震，需要强调的是，一旦IGS公共站点上的数据可用，我们就将VADASE以脱机模式应用于在国际GNSS服务（IGS）站点上收集的观测（1Hz），该站点位于距震中140公里的水泽，以及距震中430公里的USUD、Usuda，我们能够在地震发生几小时后提供第一个国际上发现的同震位移波形的结果。

结束语
在获得ESNC 2010特别主题奖之后，与DLR开始了卓有成效的合作，以改进VADASE算法，包括其对未来伽利略星座的扩展，并开发其实时能力。作为这项工作的初步结果，VADASE已被用于分析来自DLR一个永久性电动汽车网络站的数据流;下面的图3显示了它在短时间跨度内的位移。

这些结果得出了两个基本结论:首先，它们清楚地显示了VADASE在实时同震位移波形估计中的潜力，特别是直接在GNSS接收机固件中实现;其次，他们声称从国际GNSS服务(IGS)跟踪网络(Dow等人，2009年)开始，在尽可能多的公共GPS站点快速实现高速率(1至10Hz)采集。在这最后一个方面，GPS可以成为一个完全可操作的系统，能够支持缓慢变形(地震前和地震后)和同震位移和波形的估计。

最后，应注意的是，VADAS还可以提供在其他环境中应用的有用结果，例如监测大型结构和基础设施：桥梁、摩天大楼和塔楼。

致谢
作者认识到IGS在近实时传输高速率GNSS数据方面发挥的基本作用。本文所述的VADASE方法是正在申请的专利。