北斗系統在地震行業的應用

文|游新兆 王閱兵

中國地震臺網中心

關鍵字：北斗系統；地殼運動；應急救援；應用

一、前言

地震行業是國家防震減災工作的主體。中國是全球內陸地震最頻繁、地震災害最為嚴重的國家之一，切實增強抵御和應對地震災害能力、保障人民群眾生命財產安全是地震行業面臨的重大課題。地震是一種突發的、劇烈的地殼運動表現形式，獲取地殼運動與變形的可靠信息，是地震研究及其預測預報的重要基礎，而地殼運動是個漫長而緩慢的過程，需要高精度的技術方法才能獲取真正有效的運動信息，同時還要求具有足夠的時間與空間域，以描繪地殼運動與變形的全過程。

20 世紀80 年代，以全球定位系統（GPS）為代表的全球導航衛星系統（GNSS）測地技術從根本上突破了傳統大地測量的局限，得以實現毫米級精度大尺度地殼運動的監測。1988 年中國地震局在云南滇西地震試驗場建立了我國第一個區域地殼形變監測網，經過30 多年的發展，形成了一定密度的高精度中國地殼運動觀測網絡，獲取到較高分辨率的地殼運動圖像。多種地震監測設備的位置和時間，主要利用GNSS 的定位和授時功能，以往主要使用和依靠的是美國的GPS，顯然存在一定風險。隨著我國北斗衛星導航系統（BDS）的不斷完善，導航定位、授時精度不斷提高，特別是北斗系統自帶短報文通信功能，為防震減災事業發展帶來新的機遇。自2012 年北斗系統實現亞太地區覆蓋，地震系統就開始針對北斗系統在地震行業的主要應用需求開展實驗研究，在北斗高精度地殼運動觀測以及北斗短報文應急救援等應用實驗基礎上，加快推進北斗系統實際應用。目前北斗系統已實現在地震監測領域的日常應用。

二、北斗系統地震行業應用進展

1.地殼運動觀測應用

（1）中國地殼運動觀測網絡

中國大陸構造活動強烈，活動斷裂分布廣泛，特別是青藏高原及其周緣、新疆天山地區，而強震主要發生在活動斷裂帶上。為監測中國大陸現今地殼運動狀態服務于地震預測預報，自1988 年開始的10 年間，中國地震局先后在川滇、河西走廊、青藏高原、新疆天山、華北、福建東南沿海等地區開展GPS 區域性形變監測，建設流動觀測站約300 個，為大范圍地殼運動觀測研究奠定了技術基礎。1997 年，中國地震局牽頭，聯合總參測繪導航局、中國科學院、國家測繪地理信息四部門實施建設了國家重大科學工程“中國地殼運動觀測網絡”（簡稱網絡工程）；2007 年，中國氣象局和教育部加入，六部門聯合在網絡工程的基礎上實施建設了國家科技基礎設施“中國大陸構造環境監測網絡”（簡稱陸態網絡），以全GNSS觀測技術為主，建成了260 個連續觀測基準站和2056 個定期觀測區域站構成的觀測網絡，基本實現了對我國二級構造塊體的整體運動狀態的動態觀測。網絡工程和陸態網絡在很大程度上促進了我國GNSS 觀測技術的應用發展，在地震預測預報與地球科學研究中發揮了重要作用，同時在大地測量、氣象預報和國防建設等領域得到高效應用。

隨著北斗系統的應用，中國地震局作為北斗地基增強系統聯合建設部門，承擔了北斗地基增強系統50 個框架網基準站和63 個區域基準站建設，許多基準站與陸態網絡基準站并址建設，這即是對陸態網絡極好的補充，也是陸態網絡作為國家重大科技基礎設施的應用拓展。地震行業一直在根據地震監測需求推進加密基準站建設，目前日常運行的基準站近500 多個。自2015 年，新建基準站以及已有基準站設備更新均采用BDS/GNSS 接收機，兼容北斗系統觀測的基準站超300 個，尚未更新的基準

站已規劃近期全面更新為BDS-3/GNSS 接收機。（2）北斗高精度地殼運動觀測實驗

2012年底，北斗系統向亞太地區正式提供服務。為加快推進北斗系統在地殼運動監測領域的應用，地震系統隨即開展北斗系統高精度實驗觀測，主要目的是檢測北斗系統大范圍地殼運動監測能力，同時測試國產接收機長期連續觀測能力。2013 年2 月，從陸態網絡基準站中選取了山東榮成、寧夏鹽池、河北唐山、云南下關和河南鄭州5 個基準站，站間距離400 ～2400km，架設觀測北斗（BDS-2）與GPS 信號的國產接收機與原有陸態網絡基準站開展并址實驗觀測。采用武漢大學衛星導航定位技術研究中心研發PANDA 軟件中的PPP 模塊，分別處理BDS 和GPS 觀測數據。

前期3 年觀測結果表明，BDS 在水平向的定位精度約為8.5mm，垂向定位精度約為20mm；GPS 在水平向的定位精度優于5mm，垂向定位精度約為7mm，單點定位精度BDS-2 相比GPS 精度略低。而從基線結果對比看，如榮成BDRC—唐山BDTS 基線（457km），盡管BDS 單日解的離散度偏大，但長期觀測的基線長度及其變化率一致，均以1.8mm/a 的速率縮短（圖1），分析認為BDS 精度相對較低的原因主要是前期BDS-2 可用的MEO 和IGSO 衛星較少，再就是采用的BDS精密軌道精度相比GPS 有差距，而單點解的精度又依賴衛星軌道精度，速度場垂向誤差可能主要是框架尺度因子波動所帶來的誤差。此外，數據處理時還納入陸態網絡山東榮成、山西太原、四川筠連和湖北武漢等基準站的數據，這些站采用的是國外產接收機（模塊更新后能接收BDS-2 和GPS 信號）。通過比較，不同接收機之間的差異性不大，BDS 與GPS 計算的基線水平速度場未見系統性差異（表1），而垂向速度場有較大差異。2016 年之前的實驗觀測表明BDS-2 已具備高精度觀測能力，2017 年隨著北斗地基增強系統的建設應用，地震系統將北斗系統納入日常觀測，并著重北斗高精度數據處理分析。

2013 年開始實驗觀測采用的國產接收機迄今已連續運行了9 年多，未發生故障，說明國產接收機技術已基本成熟，值得信賴。

圖1 榮成BDRC 與唐山BDTS 基線時間序列

表1 BDS 與GPS 在ITRF08 框架下速度場 mm/a

（3）北斗高精度數據處理

地殼運動觀測數據解算力求達到最高精度，而且更關注站間相對位置和觀測精度。目前采用GNSS 相位差分方法數據處理的國際通用軟件，一是美國麻省理工學院、加州大學圣地亞哥分校斯克利普斯海洋研究所等單位研發GAMIT/GLOBK，開放源代碼，再就是瑞士伯爾尼大學研發的Bernese，授權開放源代碼，這兩個軟件主要進行基線解算，可以通過差分有效規避相關誤差的影響。GAMIT/GLOBK 軟件10.61 版本之后開始支持北斗系統觀測數據解算，但在讀取新格式軌道和兼容北斗頻率數據時適應性存在一定的缺陷；而Bernese 軟件尚未提供支持北斗系統觀測數據解算的版本。基于Linux 平臺對軟件進行二次開發，實現了兩個軟件基于雙差定位解算北斗觀測數據。

利用GAMIT/GLOBK 處理北斗地基增強系統155 個基準站和陸態網絡30 個基準站（已升級兼容BDS）2016—2019 年的觀測數據。為獲取北斗觀測基準站在穩定框架下的解算結果，引入了30個IGS 站觀測數據，先處理IGS 和陸態網絡基準站的GPS 和北斗數據，利用GPS 獲取這些核心站在ITRF 框架下坐標和速度，并將這些參考站坐標作為約束將北斗基準站網GAMIT 無基準自由解固定到ITRF2014 框架下，獲得了地殼運動圖，BDS 與GPS 的水平速度場差別約為1 ～2mm/a。

圖2 CHZH 站BDS 與GPS 坐標時間序列

從測站坐標時間序列對比看，以CHZH 測站為例（圖2），BDS 與GPS 水平向具有較好的一致性，只是離散度偏大，而垂直向GPS 監測到了明顯的周期性，而BDS 的周期性信號似乎被噪聲淹沒，顯示出精度略差，分析原因可能在幾個方面，一是BDS 衛星的精密軌道產品精度目前相對較低，二是與BDS 衛星有關的模型如光壓模型、衛星天線相位中心模型等，影響定位精度。

2020 年北斗系統完成全球組網后，地震系統GNSS 基準站逐步升級為北斗三號（BDS-3）/GNSS 接收機觀測，目前已完成150 站的設備更新。在BDS 數據處理分析方面做了進一步深入分析工作，如BDS 全球參考框架參數、衛星天線相位中心模型等。因BDS-3 設備更新時間不長，我們選取了分布全球40 個IGS 站（BDS-3/GNSS）觀測數據進行分析，NEU 三方向的精度（RMS）分別為3.8mm、3.7mm 和9.0mm。MEO 衛星已實現全球覆蓋，BDS 觀測精度已有明顯提升。從CUSV站BDS-3 計算的測站坐標時間序列（圖3）可以看到在NEU 水平與垂直向上均能檢測出季節性周期信號，實現了BDS 高頻觀測數據的高效處理。例如，2021 年5 月22 日瑪多Ms7.4 地震后，我們給出了附近基準站BDS-3（1Hz）獲取到高精度地震高頻震動圖（圖4）。

圖3 CUSV 站BDS-3 計算的測站坐標時間序列

圖4 BDS-3 獲取的2021 年5 月22 日瑪多Ms7.4 地震高頻位移圖

目前，地震系統已實現采用GAMIT/GLOBK 日常自動處理BDS-2 和BDS-3 觀測數據。

（4）北斗高頻數據處理與地震預警應用實驗

高頻GNSS 觀測可以克服強震動區域地震計記錄飽和的局限，有效增加了強地面運動的動態范圍和觀測頻率帶寬。實現地震預警應用的關鍵是大規模BDS 高頻觀測數據的快速處理技術，以及地震觸發后計算同震位移和地震瞬時波形，進行地震定位、震源機制解和地震破裂過程反演。通過實驗目前已基本能夠實現對高頻BDS 位移時間序列的實時數據流處理，用以往的震時數據模擬計算，可在地震波經過后自動提取永久同震位移，實現無需先驗信息和人工干預的條件下自動反演震源參數并估算矩震級，全部計算能在5 分鐘內完成。由于實時應用沒有精密星歷，一般應用超快速精密星歷，實時解算整周模糊度有可能出現誤差，需要進一步提高快速計算中的觀測精度。

2.北斗通信大震應急管理與服務示范系統

北斗系統擁有短報文通信功能，為在無地面通信信號情況下的通信和指揮調度提供了有力支撐。大震發生后，震區地面通信系統有可能遭到嚴重破壞，為實現利用北斗系統高效救援，在北斗地基增強系統項目支持下，構建了北斗通信大震應急管理與服務示范系統。基本流程是利用北斗短報文通信功能，前方通過北斗手持終端，將帶有位置和時間的災情信息上報到指揮端，后方應急指揮中心服務器上部署BDS 大震應急管理與服務系統，自動接收前方上報信息，并根據匯集的現場災情信息以及系統數據庫信息統計評估，給出災情綜合信息，指揮中心研判后通過應急指揮平臺給前方救援人員發送調度指令。利用北斗短報文通信實現高效應急管理與服務的關鍵是建立信息數據庫，包括災區基礎數據、應急人員、應急救援裝備等信息，并能及時更新。示范系統包括災情信息采集系統、災情信息數據庫、應急指揮平臺，應用GIS 技術將災情信息整合到電子地圖上（圖5），通過在云南的測試實驗，基本實現了利用北斗短報文快速應急指揮調度。BDS-3短報文通信容量提升，可顯著增大指揮調度信息量。

圖5 BDS 大震應急管理與服務示范系統顯示界面

三、北斗系統在地震行業應用展望

北斗系統以其高精度定位、授時以及短報文通信功能，在國家防震減災領域有廣闊的應用前景。北斗系統在地震行業的應用需求主要體現在地殼運動觀測高精度定位、地震觀測設備的精確授時、地震應急救援應用和普通導航定位應用四個方面。

1.地殼運動觀測高精度定位，包括長期連續觀測和實時動態監測

GNSS已經成為地殼運動觀測基本的技術手段，隨著北斗系統的推廣應用，北斗地基增強系統、測繪基準等一些國家重大項目的實施，以及測繪、氣象、地調、交通、中科院等行業部門重點項目的實施，基準站數量將大幅增加，通過數據共享加以評估利用，再根據地震監測具體需求適當加密，有望未來10 年在我國地震活動頻繁的主要斷層，形成間距約10 ～30km 連續監測臺陣；隨著北斗系統全球建站的增加，星歷精度與衛星天線相位中心等模型將進一步改善，從而有利獲取高精度中國大陸現今地殼運動的三維時變位移場，為地震預測預報提供重要的基礎支撐。此外，密集的臺陣能提供實時高頻位移觀測，可有效提高地震快速定位精度和確定地震破裂過程，通過與強震觀測的融合構建實用技術系統，與傳統地震預警技術并行，實現優勢互補，有助于進一步提高地震預警的時效性與準確性。

2.地震觀測設備的精確授時

地震監測設備如測震、強震、地電阻、地電場、地磁、地球化學、地下流體、定點形變、地應變等，測站位置絕對定位精度一般要求在厘米級至米級，時間同步精度要求在1μs ～1ms。當前主要應用GPS 定位與授時的設備數千套，從長遠安全考慮，應盡快更新為應用北斗系統，新增設備應完全具備北斗定位與授時功能。

3.北斗通信地震應急救援應用

大震發生后無地面通信保障條件時，采用帶北斗定位和通信功能的便攜式設備可以快速構建衛星通信指揮系統，實現救援人員與后方指揮部信息互通、協同聯動，支撐應急救援工作高效有序開展。北斗三號短報文大幅擴容，有助于在前期北斗二號短報文示范應用的基礎上，進一步開發基于北斗三號短報文的語音播報系統，實現更及時快速信息交流。

4.普通導航定位應用

配備小型手持北斗接收終端，結合北斗地面基準站，或借助北斗地基增強系統提供的廣域、局域差分信號，實現厘米級實時動態定位，應用于地震臺站定位、地震活斷層探測、地質與地球物理勘測，災害調查和災后重建等工作。

四、結語

隨著北斗系統日臻完善和全球應用，將提供更高精度的定位與授時服務以及容量更大的通信服務，在當前全面推進北斗應用的大背景下，北斗基準站等觀測資源將持續增加，為地震行業提供更豐富共享資源，促進地震觀測技術高質量發展和防震減災事業現代化建設。