地球物理学进展  2015, Vol. 30 Issue (1): 416-420   PDF    
引用本文
陈阳, 殷海涛, 朱小毅, 崔仁胜, 林湛. 应用于地震预警系统的实时高频GPS接收与处理软件设计[J]. 地球物理学进展, 2015, 30(1): 416-420, doi: 10.6038/pg20150160  
CHEN Yang, YIN Hai-tao, ZHU Xiao-yi, CUI Ren-sheng, LIN Zhan. Real time high frequency GPS receiving and processing software design applied to the earthquake early warning system. Progress in Geophysics, 2015, 30(1): 416-420, doi: 10.6038/pg20150160   
应用于地震预警系统的实时高频GPS接收与处理软件设计
陈阳1, 殷海涛2, 朱小毅1, 崔仁胜1, 林湛1    
1. 中国地震局地震预测所, 北京 100036;
2. 山东省地震局, 济南 250014
收稿日期: 2014-03-18 修回日期: 2014-04-28 .
基金项目：2012年国家科技支撑项目(2012BAK19B04, 2012BAF14B12-02)资助.
作者简介：陈阳, 女, 1972年, 北京市人, 硕士, 正研级高级工程师, 现从事数字地震台网和台站数据处理方法研究和相应软件研发工作. (E-mail: bjcheny@263.net)
摘要：针对高频GPS实时处理技术在地震预警系统中的应用要求, 对GPS数据实时数据接收、处理等关键技术进行研究, 研发了应用于地震预警系统的实时高频GPS接收与处理软件.软件具有实时GPS数据与地震数据同步接收、实时GPS数据定位、数据存储、网络数据服务等功能.本文详细介绍了软件架构和RTCM3.1格式实时GPS数据流的解码方法、实时GPS定位软件TrackRT软件在本软件中的应用.
关键词： GPS实时处理     RTCM3.1     地震预警     TrackRT    
Real time high frequency GPS receiving and processing software design applied to the earthquake early warning system
CHEN Yang1, YIN Hai-tao2, ZHU Xiao-yi1, CUI Ren-sheng1, LIN Zhan1    
1. Institute of Earthquake Science, CEA, Beijing 100036, China;
2. Earthquake administration of Shandong Province, Jinan 250014, China
Abstract: According to the requirement of high frequency GPS real time processing technology application in earthquake early warning system(EEW), researching on key technology of high frequency GPS data receiving, real-time processing et., developing the software applied to the EEW. The software has fowling functions: receiving the real-time GPS data stream and the seismic data stream, GPS data processing real-timely, data storage, network data service and so on. The software structure is introduced, the method of decoding the real-time GPS data stream (RTCM3.1 format) and the application of real time GPS software TrackRT in this software are presented in detail in the paper.
Key words: GPS real-time processing     RTCM3.1     EEW     TrackRT    
0 引 言

全球定位系统GPS以其优异的实时性，观测精度高、功能丰富、观测简便等特点，在地学领域得到广泛应用，为研究区域地壳形变、发震特征提供了有力的工具.在常规应用中，研究人员多利用GPS日均值进行长周期的地壳形变研究. 近几年，随着高频GPS技术的快速的发展，相关学者利用1 Hz的GPS观测数据，取得了几次大地震的地表运动时序图，证明可以通过高频GPS观测得到周期大于1 s的真实地表位移，为研究地震破裂过程和地震波在地表的传播方式提供了新的方法(Bock et al., 2000；Ohta et al., 2006；殷海涛等， 2009，2010，2013a;冯威等，2013).在国际上，实时高频GPS观测网络在地震预警领域的应用研究方兴未艾.Crowell等提出了基于实时高频GPS观测网络的地震预警模型，利用实时应变数据进行检测与报警(Crowell et al., 2009；赵冰和刘希强，2011).目前，该模型已经在南加州应用.此外，Crowell、Allen等在使用GPS位移数据进行震级估算等方面进行了研究试验，其结果表明，在强震发生时，实时GPS数据可在地震预警系统中起到重要作用(Crowell et al., 2009； Allen and Ziv， 2010；殷海涛等，2013b).

在“强震预警技术研究与示范”课题中，将开展高频GPS数据在地震预警系统等实时地震学中的应用研究，以提高强震地面运动的监测能力，为研究地震波传播和动态的地表破裂过程提供真实的基础资料，为提高震中位置和震级测定精度提供约束条件.因此，在地震预警系统中实时获得并解算高频GPS数据，并与地震观测数据并行处理是课题顺利实施的基础.因此，我们研发了支持高频GPS数据实时接收与处理的软件系统，将实时GPS数据处理引入数字地震台网中，实现实时GP数据与地震数据同步接收、存储、GPS数据实时定位，并基于网络提供GPS数据与地震数据流服务. 1 GPS实时传输协议与数据格式

从GPS接收机实时读取高频数据流并对数据进行解码获取数据处理所用信息是应用GPS 数据进行实时定位的首要任务(李良等，2006；RTCM Special Committee，104，2006；汤廷松等，2011；史小雨等，2012；朱静然等，2013)观测网络中所用的GPS接收机为Trimble NetR8和Leica，上述接收机均支持以网络方式进行数据传输，支持TCP、UDP协议，可以以RT-17/RT-27、CMR、Binex、RTCM(2.1-3.1)等多种格式进行数据传输.

RTCM SC-104标准是由国际海运事业无线电委员会提出的GNSS差分数据格式，该标准随着技术的发展而不断更新，其中RTCM3.1版主要是应用于网络RTK环境中，是一种更高效、简洁且容易适用于新环境的数据格式.

软件所需处理的GPS实时数据为1 Hz数据，包含伪距、载波相位观测量，以进行数据解算，因此选择RTCM3.1数据格式.RTCM3.1的数据帧结构见表 1.

表 1 RTCM3.1 数据帧结构Table 1 Frame structure of RTCM3.1

其中变长消息数据部分存储包括观测量、星历数据、台站坐标、网络RTK校正数据等共126中电文，其中与实时定位相关的电文主要有电文1004.1004电文输出频度为1 s，由消息头和多条消息组成，每条消息包含一颗星的伪距、载波相位、信噪比等观测数据，具体格式见表 2~表 4.

表 2 电文1004Table 2 Message 1004

表 3 电文1004的消息头Table 3 Message 1004 Head

表 4 电文1004的消息数据Table 4 Message 1004 Data

其计算公式为

式中ρL1表示L1伪距，Cms表示光速(299792.458 m/ms)，DF011表示表 4中DF011字段值，DF014：表示表 4中DF014字段值，φL1表示L1载波相位，DF012表示表 4中DF012字段值，λL1表示L1波长，ρL2表示L2 伪距，DF017表示表 4中DF017字段值，φL2表示L2载波相位，DF018表示表 4中DF018字段值，λL2表示L2波长.

此外，由于电离层的影响，DF012和DF018字段值可能发生跳变.为保证相位值的连续性，需进行平滑处理，使其始终在正确的范围内.方法：

如果 DF_C - DF_L > 750，则:

否则:

式中：

DF_C：转换为以周为单位的本历元的DF012或DF018值，DF_L：转换为以周为单位的上一个历元的 DF012或DF018值. 2 GPS数据实时解算

GPS数据的实时解算是本课题的另一关键问题.GPS数据处理分为差分模式和单点定位模式.差分定位模式需选择一个参考站点，然后对其他站点进行相对定位.单点定位模式，需要高精度卫星轨道信息.两者在精度上相差不大，但是在实时应用中高精度卫星轨道信息的取得存在一定迟滞，因此，单点定位模式在实时应用中受到一定限制(肖根如等，2010；王俊等，2013；殷海涛等，2013b；张小红和郭博峰，2013).

在对国际通用的GPS数据处理软件进行调研的基础上，我们选择集成GAMT/GLOBK中的TrackRT模块进行实时数据定位.

GAMIT/GLOBK是开源的、基于差分定位模式的数据处理软件.TrackRT模块是其中的实时定位模块，采用逐历元相对定位模式，使用GPS观测数据中伪距和相位观测进行实时计算分析，计算量小.根据王俊等的研究结果，其水平方向定位精度优于1 cm，垂直方向定位精度优于2 cm(王俊等，2013；殷海涛等，2013b)，可以满足实时处理的精度要求. 3 软件的结构与实现 3.1 软件结构

GPS数据接收模块支持从GPS观测站或者Ntrip处理中心(NtripCaster)实时接收1 Hz GPS数据，数据流格式为RTCM3.1，在接收后进行数据解码，将解码数据存储于数据缓冲区.

地震数据接收支持从地震台站接收波形数据流，存储于数据缓冲区.

GPS数据实时定位模块从缓冲区中读取GPS观测点和参考站的数据流，然后调用TrackRT库进行自动解算.

连续数据存储模块自动存储包括测震、强震数据、GPS观测数据、GPS解算结果在内的全部实时数据.

数据服务: 基于TCP/IP协议实时发送地震数据和解算的GPS数据流给应用处理软件. 3.2 数据接收

在Trimble NetR8和Leica型GPS接收机中均内置TCP网络服务器提供实时GPS数据流服务，数据格式支持RTCM3.1格式.因此，数据接收模块基于TCP SOCKET网络通信协议实现，作为TCP客户端，在工作中主动向接收机发起连接请求，获取数据流.在支持从接收GPS接收机接收数据外，软件中同时支持从NtripCaster接收数据流(NtripCaster的通信协议同为TCP/IP类协议，数据传输格式支持RTCM3.1格式).GPS数据接收流程见图 2.

图 1 软件结构图Fig. 1 Structure of the software

图 2 GPS数据接收模块基本流程Fig. 2 The flow of GPS receiver model
3.3 GPS数据实时定位

原GAMIT/GLOBK的TrackRT软件从网络接收数据流并进行计算.为了与软件更好集成，在开发中提取算法部分封装，并改写数据输出部分生成计算库，以便计算模块直接调用，GPS数据实时定位流程见图 3.

图 3 GPS数据自动解算模块基本流程Fig. 3 The flow of GPS real-time location model
3.4 数据试验

为验证RTCM数据解码，同步使用本软件和BNC(BKG NTRIP Client)从NtripCaster接收高频GPS测站P496的实时数据流，经对比解码结果一致(见图 4).

图 4 与BNC接收解码结果对比Fig. 4 The decoding result of the software and the BNC software
4 结 论

实时高频GPS技术在地震观测网络中的应用为地震预警、地震破裂过程的研究提供了新的技术手段，其中高频实时GPS数据接收与自动处理是其中关键问题.本文详细说明了基于网络通信方式实现GPS实时数据接收与数据解码的方法，基于GAMIT/TrackRT实时GPS定位模块实现了GPS数据的实时解算.目前课题所研发的软件实现了1HZ实时GPS数据与地震观测数据的同步接收与处理，并可基于网络提供数据流服务，目前软件已经在山东省地震局试运行，软件运行稳定，为课题的顺利实施提供了数据保证.

致 谢    山东省地震局为软件的研发提供实时数据支持，在此谨致谢意.
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