六自由度宽频带一体化地震监测系统技术方案

本发明专利技术公开了六自由度宽频带一体化地震监测系统，至少包括传感器集成单元和数据融合单元；传感器集成单元包括同址安置的GNSS接收机、三轴加速度计和三轴陀螺仪；GNSS接收机、三轴加速度计、三轴陀螺仪用来同步采集GNSS观测数据、加速度观测数据、角速度观测数据并存储；数据融合单元包括GNSS数据定位处理模块、集成融合测量数据模块和综合滤波器；GNSS数据定位处理模块用来根据GNSS观测数据进行定位解算；集成融合测量数据模块用来将GNSS位置信息、加速度观测数据和角速度观测数据进行融合；综合滤波器用来根据融合后的数据进行解算。本发明专利技术能实现单站六自由度地震监测，可拓宽地震监测带宽，并提升地震监测能力。

【技术实现步骤摘要】
六自由度宽频带一体化地震监测系统
本专利技术涉及一种六自由度宽频带一体化地震监测系统。
技术介绍
完整准确地获取和恢复近场强震事件在各时空频段上的地震波信号是深入研究和理解大地震的重要基础。然而，当前近场强震研究的一个重要缺憾是极低频观测信息(如20秒以上)可能淹没于各类噪声或系统误差之中，不易提取可靠的地震波信号，成为理解大地震震源物理机制的关键限制性因素之一。近场强震动监测中，理论上加速度计和高频GNSS都能够捕捉到大地震在低频段上所释放的能量，但实践中它们在观测质量和硬件性能上存在不足，无法完整获取低频段地震波信号。从仪器的观测质量上看，加速度计的噪声可低至0.6μm/s2/√Hz，也具备测量“零频率”信号的能力，充分满足地震观测的精度和带宽需求，但强烈的地震波会引发加速度计的显著倾斜，使得重力加速度投影到平面方向的观测值中，积分时便产生分米级甚至米级的基线漂移误差，阻碍了极低频率上的地震平移观测量的准确恢复。因此，在加速度计数据处理中通常被迫实施高通滤波以消除低频段的系统误差，同时也丧失了包括永久形变量在内的重要地震信号。另一方面，以中国北斗卫星系统为代表所支撑的高频GNSS对地观测技术直接测量动态位移，没有基线漂移误差，其平面精度一般可达2cm～4cm，垂直精度约5cm～8cm(即2倍中误差)，是一种监测近场强震动平移量的重要手段。并置GNSS接收机和加速度计这两种仪器，并融合其输出位移和加速度获得可靠的宽频带(包含直流DC到20秒频段)地震平移量观测，既保留GNSS获取的较为可信的低频位移信号，也保持加速度计所捕获的相对高精度的高频信号。这种通过现成仪器的非联通过网络传输或就地解算。接性并置，并在数据处理层面松组合高频GNSS和加速度计平移观测量的技术存在以下不足：(1)加速度计观测所受到的地震旋转量污染并没有得到补偿，以致与GNSS融合时必须降权，使得输出位移仍然受到GNSS低频系统误差的干扰；(2)GNSS和加速度计的数据融合策略及研究较多，但都不能推广到陀螺仪数据。现有的各种GNSS、加速度计融合策略普遍将地震旋转量造成的加速度计基线漂移作为一种无法补偿的误差，因此期冀从多源数据权重比的角度来解决这个问题，导致这些方法不能兼容地震旋转量观测数据，限制了与陀螺仪观测数据的进一步耦合。惯性传感器陀螺仪观测量的低频部分也会受到各种系统误差的影响。因此，积分陀螺仪观测量时我们也需要首先实施高通滤波，但同时失去了永久旋转形变量等重要的地震信号；理论上，加速度计和陀螺仪是互补的传感器。如校正陀螺仪的线加速度敏感性离不开加速度计，而后者的旋转量修正又需要前者的角度观测量，因此将它们集成为一种六自由度监测仪可以校正其各自的系统误差。然而，这二者的系统误差相互依赖于对方准确的平移和旋转观测量，原理实现上其实是自我矛盾的，该问题的根源在于这种经典的六自由度仪器缺失了一个作为参考基准的非惯性检核传感器。在近场强震动情况下，仅仅依靠传统惯性传感器所形成的六自由度监测平台难以克服仪器自身的系统误差，在极低频段上不具有可靠性。GNSS可以直接获取DC的形变信息，与加速度计、陀螺仪协同，能够互相补充。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种组合了GNSS接收机、加速度计和陀螺仪的六自由度宽频带一体化地震监测系统。本专利技术能够在同址直接获取GNSS接收机、加速度计和陀螺仪的观测数据，并在数据处理层面将三种观测数据融合，最终输出地震宽频带、六自由度完备观测量。本专利技术通过多源观测数据融合，来弥补各传感器在观测噪声和系统误差上的相对劣势，以获取单一传感器所不易或不能获得的地震波信息，尤其是极低频段上的地震波信息,从而获得精确可靠的六自由度、宽频带地震位移和旋转量。本专利技术提供的六自由度宽频带一体化地震监测系统，至少包括传感器集成单元和数据融合单元；所述传感器集成单元进一步包括同址安置的GNSS接收机、三轴加速度计和三轴陀螺仪；GNSS接收机、三轴加速度计、三轴陀螺仪用来同步采集GNSS观测数据、加速度观测数据、角速度观测数据并存储；所述数据融合单元进一步包括GNSS数据定位处理模块、集成融合测量数据模块和综合滤波器；其中，GNSS数据定位处理模块用来根据GNSS观测数据进行定位解算，获得地心地固坐标系下的GNSS位置信息；集成融合测量数据模块用来将GNSS位置信息、加速度观测数据和角速度观测数据进行融合；综合滤波器用来根据融合后的数据进行解算，获得融合解算后的待求解参数，所述待求解参数包括位置信息、速度信息、加速度信息、姿态角信息和角速度信息。进一步的，本专利技术系统还包括信息输出单元，用来输出传感器集成单元同步采集的原始观测数据、以及根据融合后的位置信息、速度信息、加速度信息、姿态角信息和角速度信息获得的含零频位移时间序列、速度时间序列和旋转性形变时间序列。进一步的，GNSS数据定位处理模块利用相对定位法或精密单点定位法进行定位解算。进一步的，集成融合测量数据模块用来将GNSS位置信息、加速度观测数据和角速度观测数据进行融合，进一步包括：用来将地心地固坐标系下的GNSS位置信息转换至测站“东北高”坐标系下；用来对加速度观测数据进行零偏和线性趋势估计；用来对角速度观测数据进行零偏估计；用来根据震动开始前预设时长静止状态下预处理后的GNSS位置信息、加速度观测数据和角速度观测数据，计算GNSS接收机、加速度计和陀螺仪的三个轴向输出数据的标准差或方差，以标准差或方差的倒数作为GNSS位置信息、加速度观测数据、角速度观测数据在测站“东北高”坐标系三轴方向的权重。进一步的，综合滤波器用来根据融合后的数据进行解算，进一步包括：用来根据融合后的数据，结合位置、加速度、角速度观测方程、待求解参数间的递推关系以及GNSS位置信息、加速度观测数据、角速度观测数据的权重，解算出待求解参数；所述位置观测方程的构建为：利用测站“东北高”坐标系下的GNSS位置信息和GNSS位置误差，来表示待求解位置参数；所述加速度观测方程的构建为：利用加速度观测数据和加速度计误差，来表示待求解加速度参数和待求解姿态角参数；所述角速度观测方程的构建为：利用角速度观测数据和陀螺仪误差，来表示待求解角速度参数；所述待求解参数间的递推关系的构建为：利用第i历元的待求解速度参数和待求解加速度参数表示第i+1历元的待求解速度参数，构建待求解速度参数的递推关系；利用第i历元的待求解位置参数、待求解速度参数和待求解加速度参数表示第i+1历元的待求解位置参数，构建待求解位置参数的递推关系；利用第i历元的待求解姿态角参数和待求解角速度参数表示第i+1历元的待求解姿态角参数，构建待求解姿态角参数的递推关系；所述权重的获得为：根据震动开始前预设时长静止状态下预处理后的GNSS位置信息、加速度观测数据和角速度观测数据，计算GNSS接收机、加速度计和陀螺仪的三个轴向输出数据的标准差或方差，以标准差或方差的倒数作为GNSS位置信息、加速度观测数据、角速度观测数据在测站“东北高”坐标系三轴方向的权重。本专利技术提供的GNSS接收机、加速度计和陀螺仪观测数据的融合处理方法，包括步骤：S100：对原始观测数据进行预处理，所述原始观测数据包括GNSS接收机、加速度计和陀螺仪同步采集的GNSS观测数据、加速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.六自由度宽频带一体化地震监测系统，其特征是：至少包括传感器集成单元和数据融合单元；所述传感器集成单元进一步包括同址安置的GNSS接收机、三轴加速度计和三轴陀螺仪；GNSS接收机、三轴加速度计、三轴陀螺仪用来同步采集GNSS观测数据、加速度观测数据、角速度观测数据并存储；所述数据融合单元进一步包括GNSS数据定位处理模块、集成融合测量数据模块和综合滤波器；其中，GNSS数据定位处理模块用来根据GNSS观测数据进行定位解算，获得地心地固坐标系下的GNSS位置信息；集成融合测量数据模块用来将GNSS位置信息、加速度观测数据和角速度观测数据进行融合；综合滤波器用来根据融合后的数据进行解算，获得融合解算后的待求解参数，所述待求解参数包括位置信息、速度信息、加速度信息、姿态角信息和角速度信息。

【技术特征摘要】
1.六自由度宽频带一体化地震监测系统，其特征是：至少包括传感器集成单元和数据融合单元；所述传感器集成单元进一步包括同址安置的GNSS接收机、三轴加速度计和三轴陀螺仪；GNSS接收机、三轴加速度计、三轴陀螺仪用来同步采集GNSS观测数据、加速度观测数据、角速度观测数据并存储；所述数据融合单元进一步包括GNSS数据定位处理模块、集成融合测量数据模块和综合滤波器；其中，GNSS数据定位处理模块用来根据GNSS观测数据进行定位解算，获得地心地固坐标系下的GNSS位置信息；集成融合测量数据模块用来将GNSS位置信息、加速度观测数据和角速度观测数据进行融合；综合滤波器用来根据融合后的数据进行解算，获得融合解算后的待求解参数，所述待求解参数包括位置信息、速度信息、加速度信息、姿态角信息和角速度信息。2.如权利要求1所述的六自由度宽频带一体化地震监测系统，其特征是：还包括信息输出单元，用来输出传感器集成单元同步采集的原始观测数据、以及根据融合后的位置信息、速度信息、加速度信息、姿态角信息和角速度信息获得的含零频位移时间序列、速度时间序列和旋转性形变时间序列。3.如权利要求1所述的六自由度宽频带一体化地震监测系统，其特征是：所述GNSS数据定位处理模块利用相对定位法或精密单点定位法进行定位解算。4.如权利要求1所述的六自由度宽频带一体化地震监测系统，其特征是：所述集成融合测量数据模块用来将GNSS位置信息、加速度观测数据和角速度观测数据进行融合，进一步包括：用来将地心地固坐标系下的GNSS位置信息转换至测站“东北高”坐标系下；用来对加速度观测数据进行零偏和线性趋势估计；用来对角速度观测数据进行零偏估计；用来根据震动开始前预设时长静止状态下预处理后的GNSS位置信息、加速度观测数据和角速度观测数据，计算GNSS接收机、加速度计和陀螺仪的三个轴向输出数据的标准差或方差，以标准差或方差的倒数作为GNSS位置信息、加速度观测数据、角速度观测数据在测站“东北高”坐标系三轴方向的权重。5.如权利要求1所述的六自由度宽频带一体化地震监测系统，其特征是：所述综合滤波器用来根据融合后的数据进行解算，进一步包括：用来根据融合后的数据，结合位置、加速度、角速度观测方程、待求解参数间的递推关系以及GNSS位置信息、加速度观测数据、角速度观测数据的权重，解算出待求解参数；所述位置观测方程的构建为：利用测站“东北高”坐标系下的GNSS位置信息和GNSS位置误差，来表示待求解位置参数；所述加速度观测方程的构建为：利用加速度观测数据和加速度计误差，来表示待求解加速度参数和待求解姿态角参数；所述角速度观测方程的构建为：利用角速度观测数据和陀螺仪误差，来表示待求解角速度参数；所述待求解参数间的递推关系的构建为：利用第i历元的待求解速度参数和待求解加速度参数表示第i+1历元的待求解速度参数，构建待求解速度参数的递推关系；利用第i历元的待求解位置参数、待求解速度参数和待求解加速度参数表示第i+1历元的待求解位置参数，构建待求解位置参数的递推关系；利用第i历元的待求解姿态角参数和待求解角速度参数表示第i+1历元的待求解...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿江辉，温强，李成宏，常华，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42