Введение к работе
Актуальность темы исследования. Объектом исследования в диссертационной работе являются ряды координат, получаемые в результате обработки радиосигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и используемые в сейсмологии.
Наиболее важной фундаментальной проблемой сейсмологии является изучение сильных землетрясений: процессов их подготовки и процессов, происходящих в очаге землетрясения. ГНСС-методы открыли новые возможности для решения сейсмологических задач. Применение ГНСС в сейсмологии позволяет лучше понимать причины, механизмы и особенности возникновения сильных землетрясений и в конечном итоге минимизировать их последствия.
Степень разработанности темы исследования. Использование ГНСС-измерений в сейсмологии – новое научное направление. Чаще всего ГНСС-измерения применяют для определения косейсмических (постоянных) смещений земной поверхности по вычисленным среднесуточным координатам ГНСС-станций. В начале 2000-х гг. кинематической обработкой GPS-измерений были получены первые записи сейсмических волн (Nikolaidis et al., 2001; Kouba, 2003; Larson et al., 2003).
Проникновение ГНСС-технологий в сейсмологию устранило некоторые ограничения сейсмической аппаратуры. Сегодня ГНСС позволяют определять с высокой точностью косейсмические и постсейсмические смещения, используются для корректировки и дополнения записей акселерометров (Geng et al., 2013; Wang et al., 2013), могут стать частью систем раннего оповещения о сильных землетрясениях (Grapenthin et al., 2014) и цунами (Ohta Y. et al., 2012; Co-lombelli et al., 2013; Melgar, Bock, 2013; Kawamoto et al., 2017).
Неизученными остаются ещё многие вопросы использования ГНСС-измерений в сейсмологии. До сих пор нет однозначного ответа, может ли ГНСС-приёмник без искажений регистрировать сейсмические колебания. В опубликованных работах рассмотрен лишь ограниченный диапазон периодов колебаний и проведены только визуальные сравнения сейсмических и ГНСС-записей (Wang et al., 2007; Avallone et al., 2012; Li et al., 2013 и др.).
Недостаточно изучены характеристики рядов ГНСС-координат, в первую очередь шум. Нет исследований, затрагивающих наиболее перспективный и широко применяющийся способ кинематической обработки ГНСС-данных – Precise Point Positioning (PPP). Практически не изученными остаются статические характеристики рядов ГНСС-координат, определяющие точность оперативного определения смещений, которую необходимо знать для проектирова-
ния систем раннего предупреждения о землетрясениях и цунами.
Цель работы – установление возможности использования ГНСС-оборудования как сейсмического инструмента, моделирование статических и динамических характеристик рядов координат, получаемых обработкой ГНСС-измерений в реальном времени методом PPP.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
-
Разработка, программная реализация и применение методологии, позволяющей установить возможность регистрации сейсмических колебаний ГНСС-приёмником без искажений.
-
Создание математической модели шума в рядах координат, получаемых обработкой данных ГНСС-измерений в реальном времени методом PPP.
-
Создание статистической модели распределения ошибок оперативного определения смещений по ГНСС-данным.
-
Разработка и алгоритмизация метода, повышающего точность оперативного определения смещений по ГНСС-измерениям, создание программного комплекса, реализующего такой метод.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Существенно расширен диапазон периодов, для которого установлена возможность регистрировать ГНСС-методами сейсмические волны без искажений фазы, амплитуды и частоты, что обосновывает использование ГНСС-приёмника в качестве полноценного сейсмического инструмента.
-
Впервые построена модель шума в рядах координат, получаемых кинематической обработкой ГНСС-данных (метод PPP) в реальном времени, которая отражает реальную стратегию регистрации сейсмических волн и позволяет прогнозировать применимость ГНСС-методов для регистрации сейсмических колебаний.
-
Впервые получено статистическое распределение ошибок оперативного определения смещений по ГНСС-данным, которое необходимо в качестве исходных данных для проектирования систем раннего предупреждения о землетрясениях, цунами, извержениях вулканов.
-
Разработан и апробирован новый метод повышения точности оперативного определения смещений по ГНСС-данным на основе одновременной обработки ГНСС-данных методами PPP и относительного позиционирования.
Теоретическая значимость работы. Получен теоретический базис для использования ГНСС-оборудования в качестве полноценного сейсмического инструмента, определены характеристики ГНСС-приёмника как сейсмического инструмента, способного, в том числе, измерять статические смещения. Ис-
пользование ГНСС-записей в сейсмологии позволяет преодолеть ограничения традиционных сейсмических приборов и продвинуться вперёд в изучении сильных землетрясений.
Практическая значимость работы. Полученные в диссертационной работе результаты могут использоваться, например, в Единой геофизической службе РАН и других организациях, ведущих мониторинг сильных землетрясений. Результаты будут полезны при внедрении ГНСС-методов в практику сейсмических наблюдений и наблюдений за вулканической активностью, и особенно в работу служб предупреждения о цунами.
Результаты диссертационного исследования использовались при выполнении проектов РНФ (№ 16-17-00015), РФФИ (№ 16-05-00097а) и Программы фундаментальных исследований ДВО РАН «Дальний Восток» (проекты 15-II-2-005 и 15-I-2-014).
Методология исследования включает: методы теории вероятности и математической статистики; методы цифровой обработки сигналов, в том числе цифровую фильтрацию, спектральный, спектрально-временной, вейвлет анализ; общие принципы математического моделирования, построения алгоритмов и структурного программирования.
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработана и реализована в виде алгоритма и программы методология сравнения сейсмических и ГНСС-записей.
-
Построена математическая модель шума в рядах координат, получаемых обработкой ГНСС-измерений в реальном времени методом PPP.
-
Построена статистическая модель распределения ошибок оперативного определения смещений по ГНСС-данным.
-
Разработан метод повышения точности оперативного определения смещений по ГНСС-данным на основе одновременной обработки методами PPP и относительного позиционирования.
Достоверность полученных результатов обеспечивается: использованием известных методов теории вероятности, математической статистики и цифровой обработки сигналов; автоматизацией вычислений, в том числе с использованием разработанных программных комплексов; сопоставлением полученных результатов с материалами, опубликованными другими авторами.
Апробация работы Основные результаты работы докладывались на следующих шести научных конференциях: VIII, IX Косыгинские чтения (г. Хабаровск, 2013, 2016 гг.); Четвёртая научно-техническая конференция «Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока Рос-
сии» (г. Петропавловск-Камчатский, 2013 г.); Всероссийская научная конференция с международным участием «Геодинамические процессы и природные катастрофы. Опыт Нефтегорска» (г. Южно-Сахалинск, 2015 г.); Moscow International School of Earth Sciences – 2016 (г. Москва, 2016г.); XXVII Всероссийская молодежная конференция с участием исследователей из других стран «Строение литосферы и геодинамика» (г. Иркутск, 2017 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, среди которых четыре статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, и три свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Объём и структура работы. Диссертация объёмом 147 страниц включает 38 рисунков и шесть таблиц и состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 198 наименований. Диссертацию дополняют шесть приложений.