GNSS接收機(jī)載波相位跟蹤環(huán)路對(duì)地震監(jiān)測(cè)性能的研究

繆杰 田鳳東 莒縣陵陽(yáng)地震臺(tái)

GNSS接收機(jī)載波相位跟蹤環(huán)路對(duì)地震監(jiān)測(cè)性能的研究

繆杰 田鳳東 莒縣陵陽(yáng)地震臺(tái)

本文對(duì)早期地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中GNSS載波相位跟蹤環(huán)路的性能進(jìn)行了研究。利用硬件模擬器對(duì)地震進(jìn)行了模擬，得到了位置、速度和加速度位移以再現(xiàn)地震。使用軟件定義的接收器，對(duì)多種帶寬和頻率的地震波進(jìn)行了測(cè)試。利用鎖相指示器，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)跟蹤環(huán)并測(cè)試以最大限度地提高該應(yīng)用程序的性能。

GNSS 地震監(jiān)測(cè) 接收機(jī)

1 背景

對(duì)使用GNSS接收機(jī)集成的地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究已經(jīng)超過(guò)了10年。但是過(guò)去的研究?jī)H限于硬件接收器，關(guān)于接收機(jī)性能的研究很少。本文的使用了自定義的軟件對(duì)接收機(jī)與接收機(jī)設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行分析。具體來(lái)說(shuō)就是利用載波跟蹤鎖定環(huán)以衡量并有提高性能。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)可以直接測(cè)量位置、位移和速度，而常規(guī)地震儀則需要結(jié)合加速度來(lái)獲得位置和速度。這種能力使全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在大地震預(yù)警階段能夠提供快速地面形變估算。這可以大量減少獲取大地震的震級(jí)估計(jì)信息的時(shí)間延遲。GNSS接收機(jī)噪聲帶寬與時(shí)間相關(guān)性都受限于硬件的發(fā)展應(yīng)用，這主要是固定帶寬和動(dòng)態(tài)跟蹤模擬方法。

本研究的目的是說(shuō)明如何通過(guò)跟蹤環(huán)路參數(shù)影響接收機(jī)的性能。軟件定義接收器允許對(duì)跟蹤環(huán)進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)修改。此外，允許使用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)模擬器模擬的速度、加速度和位移。

2 接收機(jī)的設(shè)計(jì)背景

在接收器可以對(duì)位置，速度和時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的解決方案。系統(tǒng)必須首先生成與衛(wèi)星輸入信號(hào)相匹配的本地信號(hào)。這是在兩個(gè)階段，即采集定位與跟蹤。由于兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，廣播頻率和接收機(jī)所觀察到的頻率，稱為多普勒頻移或多普勒頻率。那也是由于接收器和衛(wèi)星時(shí)鐘引起的時(shí)間偏移不同步。第一個(gè)階段就是粗略估計(jì)多普勒頻移和定時(shí)偏移。為了獲得早期所需的高精度，地震預(yù)警與監(jiān)測(cè)測(cè)試必須使用載波跟蹤環(huán)。載波跟蹤環(huán)通常由鑒別器定義跟蹤帶寬積分時(shí)間。這三個(gè)功能確定該接收機(jī)的載波跟蹤環(huán)路的特性，即相位抖動(dòng)與最大動(dòng)態(tài)視線，而地震具有更寬的跟蹤帶寬和更短的接口。

3 方法

地震模擬是為了測(cè)試跟蹤在高震級(jí)事件之前和期間的接收器回路性能。最終選取了使用100赫茲的實(shí)際加速度數(shù)據(jù)。此事件被選定為是因?yàn)楦呒铀俣冉?jīng)歷并提供了接收器可能存在的上、下限。給定動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的正弦運(yùn)動(dòng)跟蹤帶寬PLI可以表明成功的跟蹤，稱作為假鎖。假設(shè)當(dāng)PLI開(kāi)始減少運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷的跟蹤帶寬開(kāi)始增加，積分時(shí)間變短。加速度數(shù)據(jù)一次集成得到速度的變化，并重新整合獲得位置。這種集成是使用該軟件完成的，軟件可以糾正積分偏置和消除由積分引起的漂移。模擬器的使用允許多個(gè)信號(hào)在完全相同的條件下去除設(shè)置之間可能存在的偏差。為了評(píng)估跟蹤環(huán)路性能，跟蹤參數(shù)必須是可選擇的。但是硬件接收機(jī)制造商通常不允許這么做，也不會(huì)透露跟蹤參數(shù)。為此，在本研究中接收機(jī)用作該目的的參考接收機(jī)。參考接收機(jī)之間的距離模擬地震的地點(diǎn)是選定為15公里。在模擬中沒(méi)有大氣誤差，衛(wèi)星軌道誤差或多徑效應(yīng)。這樣做是接收機(jī)噪聲和動(dòng)應(yīng)力是唯一的誤差，電離層延遲不但是電離層閃爍信號(hào)的跟蹤問(wèn)題，而且對(duì)載波跟蹤性能有影響。但是電離層在地震持續(xù)期間保持不變，所以影響微不足道。微分方法減輕大多數(shù)大氣和衛(wèi)星軌道錯(cuò)誤。能夠跟蹤多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)和多個(gè)頻率。

4 結(jié)果和分析

前面討論了窄帶寬和長(zhǎng)的積分時(shí)間是地震探測(cè)的理想時(shí)間。地震的開(kāi)始。使用gnsrx軟件對(duì)積分時(shí)間1,5和10ms，跟蹤帶寬為5、10、15、20、30、40、50赫茲的信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試。因?yàn)閿?shù)據(jù)速率是設(shè)置為100赫茲，最大積分時(shí)間為10。這需要盡可能高的精度。一旦地震被發(fā)現(xiàn)，主要接收機(jī)的目標(biāo)是記錄引起的運(yùn)動(dòng)。地震均方根和最大位移錯(cuò)誤應(yīng)盡量減少，以創(chuàng)造最高運(yùn)動(dòng)精度和可靠性記錄。這些結(jié)果提供了更多效果跟蹤帶寬的可視化表示在動(dòng)態(tài)應(yīng)力期間。所提出的自適應(yīng)跟蹤環(huán)路能夠最大限度地減少最大誤差。還提供低的均方根誤差峰值加速度在歸一化時(shí)期。自適應(yīng)跟蹤環(huán)15赫茲的固定帶寬是可比較的。PRI數(shù)據(jù)集之間相似性的原因是由于接收信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度。所有被跟蹤的衛(wèi)星都具有高信號(hào)強(qiáng)度。

5 總結(jié)

本文對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)載波跟蹤環(huán)路的性能應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)價(jià)。使用gsnrx軟件來(lái)測(cè)試接收機(jī)，跟蹤帶寬為5、10、15、20、30、40、50赫茲，積分時(shí)間為1,5ms，對(duì)10ms信號(hào)源進(jìn)行了測(cè)試。使用較長(zhǎng)的積分時(shí)間和NAR行跟蹤帶寬對(duì)于減少接收機(jī)靜周期噪聲是效果最理想，更寬的帶寬和更短的跟蹤環(huán)可能需要集成時(shí)間。跟蹤帶寬的范圍在15到30赫茲之間，能夠最大程度的減少地震事件中最大誤差。設(shè)計(jì)了自適應(yīng)軟件并測(cè)試了跟蹤回路。相位鎖定指示器這種方法被證明可以克服高精度動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和耐壓力的要求。本文所提出的自適應(yīng)跟蹤環(huán)路能夠提供低噪聲水平從而在準(zhǔn)確可靠的情況下開(kāi)始地震事件期間的運(yùn)動(dòng)記錄。未來(lái)的工作主要包括改進(jìn)決策過(guò)程和閾值用于自適應(yīng)跟蹤環(huán)路工作。

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