耿江辉、张提升课题组研制出六自由度GNSS地震仪

新闻网讯（通讯员何小丹）近期，武汉大学卫星导航定位技术研究中心耿江辉教授、张提升副教授课题组破坏性大地震新型观测技术研究取得新进展。他们针对现有强地震观测手段无法完整、准确地捕捉剧烈地表形变的痼疾，率先在国际上提出了深度融合加速度计和陀螺仪的“六自由度GNSS地震仪”原理、方法和仪器原型，攻克了强烈地震时严重损害位移观测精度的幅度和相位畸变难题，为破坏性大地震抵近观测并最终服务于地震预警提供了更为可靠可信的观测手段。

成果分别于2019、2020年初连续发表在国际地球科学权威期刊 Geophysical Research Letters （《地球物理快报》）。国际旋转地震学会主席、德国慕尼黑大学教授Heiner Igel和法国巴黎地球物理研究所高级科学家Jean-mathieu Nocquet分别致函邀请耿江辉在2019年国际旋转地震学论坛（IWGoRS）和2020年欧洲地球科学年会（EGU）上特别报告此项成果。

据悉，破坏性大地震是人类生命财产安全的重大威胁，深入了解地震成灾机理、及时预警地震触发甚至预报地震危险性是攸关国计民生的急迫性课题，而抵近震中区域进行毫米级地表强震动观测是突破这一难题的最有效途径之一。但是，传统的强震观测手段只能测量地表加速度形变，积分后会形成巨大漂移，而新兴的北斗/GNSS位移观测噪声又高于传统地震仪数十倍，其强震动冲击场景下测得的位移幅度和相位都会产生近100%的畸变，甚至信号中断。

课题组提出了“六自由度GNSS地震仪”概念和原型，在GNSS基带芯片中集成惯性测量单元以改善其载波环路对高动态卫星信号的跟踪品质，同时发展了六自由度地震数据融合理论和方法，利用GNSS位移、加速度计线运动和陀螺仪角运动观测形成了一个高度互补的自耦合数据处理系统。震动台实验证实，“六自由度GNSS地震仪”将0.1Hz以下的位移信号观测噪声最大降低了68%，整体精度从2cm提升至2mm，并将强震动冲击造成的位移幅度和相位畸变降低了80%，完全避免了由卫星信号失锁所造成的地震波信号缺失的观测弊端。

六自由度GNSS地震仪工作原理

“六自由度GNSS地震仪”深度融合了传统与新兴地震观测仪器，将强地震位移观测精度和稳定度提高了一个数量级，极大地发挥了1+1>2的观测效果，是推进近场强震监测和研究的一种理想技术途径，将助力提升我国先进地震仪器的自主研发能力，开拓具有国际影响力的地震科技优势领域，最终服务于全球防震减灾事业。

两篇论文分别为“Six-degree-of-freedom broadband seismogeodesy by combining collocated high-rate GNSS, accelerometers and gyroscopes”（《融合高采样率GNSS、加速度计和陀螺仪的六自由度宽频带地震大地测量》）和“Strong-motion seismogeodesy by deeply coupling GNSS receivers with inertial measurement units”（《深度组合GNSS接收机和惯性测量单元的强震动地震大地测量》）。通讯作者分别是耿江辉和张提升，2019级博士研究生温强也是论文主要完成人。该项研究受到国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的资助，已授权国家发明专利（ZL201810580041.0，ZL201410027100.3）。

论文链接：

https://doi.org/10.1029/2018GL081398

https://doi.org/10.1029/2020GL087161

（编辑：付晓歌）