Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4585
Main Title: Real-time high rate GNSS techniques for earthquake monitoring and early warning
Translated Title: Echtzeit-High-Rate GNSS-Techniken für die Erdbebenüberwachung und Frühwarnung
Author(s): Li, Xingxing
Advisor(s): Schuh, Harald
Ge, Maorong
Referee(s): Flechtner, Frank
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In der letzten Zeit wurden immer mehr Hochfrequenz-GNSS-Stationen auf der ganzen Welt installiert, um Daten in Echtzeit zur Verfügung stellen. Diese Netzwerke bieten eine gute Gelegenheit, um Oberflächenverschiebungen schnell zu erfassen. Dies kann sie zu einem wichtigen Bestandteil für Erdbeben- und Tsunami-Überwachungswarnsysteme machen. Die entsprechende GPS-Echtzeit-Datenanalyse mit ausreichender Genauigkeit für diesen Zweck ist ein Schwerpunkt der aktuellen GNSS-Forschung. Das Ziel dieser Arbeit ist es, hochpräzise GNSS-Algorithmen für bessere seismologische Anwendungen zu entwickeln. Das Kernforschungsgebiet und die Beiträge dieser Arbeit können wie folgt zusammengefasst werden: Mit der Verfügbarkeit von Hochfrequenz-GNSS-Beobachtungen in Echtzeit und präzisen Satellitenbahn- und -uhrprodukten hat sich das Interesse an der präzisen Punktpositionierungstechnik (PPP) in Echtzeit stark erhöht, um Epizentren von Erdbeben und durch diese verursachte Verschiebungen in Echtzeit zu ermitteln. Außerdem haben in den letzten Jahren neue Ansätze zur Auflösung von PPP-Mehrdeutigkeiten die Genauigkeitsbegrenzung der Standard-PPP-Float-Lösung überwunden und erreichen eine vergleichbare Genauigkeit wie die relative Positionierung. In dieser Arbeit stellen wir das Realtime-PPP-Service-System und die wichtigsten Techniken für die Echtzeit-PPP Mehrdeutigkeitsauflösung vor. Wir bewerten die Leistung von mehrdeutigkeitsfixiertem PPP in Echtzeit-Szenarien und bestätigen, dass eine Positionierungsgenauigkeit von 1,0 bis 1,5 cm in der horizontalen Komponente in Bezug auf das quadratische Mittel („Root Mean Square”; RMS) erreicht werden kann. Für die Erdbeben von 2011 in Tohoku-Oki (Japan) und 2010 in El Mayor-Cucapah (Mexico) stimmen die durch mehrdeutigkeitsfixiertes PPP ermittelten und durch Beschleunigungsmesser gemessenen Verschiebungsparameter in der dynamischen Komponente bis auf wenige Zentimeter überein. Die PPP-fixierte Lösung kann nicht nur die Genauigkeit der koseismischen Verschiebungen verbessern, sondern ermöglicht auch eine zuverlässige Ermittlung der Stärke von Erdbeben und der Verteilung von Bewegungen an Störungen in Echtzeit. Wir schlagen ein erweitertes Punktpositionierungsverfahren für GPS-basierte Gefahrenüberwachung vor, das eine schnelle oder sogar sofortige präzise Positionierung ohne Daten einer bestimmten Referenzenstation erreicht. Das vorgeschlagene Verfahren überwindet die Grenzen der derzeit meistverwendeten GPS-Verarbeitungsansätze in der relativen Positionierung und globalen präzisen Punktpositionierung. Die Vorteile der vorgeschlagenen Vorgehensweise werden durch die Verwendung von GPS-Daten demonstriert, die 2011 während des Tohoku-Oki-Erdbeben in Japan aufgezeichnet wurden. Wir schlagen einen neuen Ansatz vor, um koseismische Verschiebungen mit einem einzigen GNSS-Empfänger in Echtzeit zu erfassen. Der neue Ansatz kann das Konvergenzproblem von PPP überwinden und vermeidet auch den Integrationsprozess des variometrischen Ansatzes. Mit Hilfe der Ergebnisse des Tohoku-Oki Erdbebens wird demonstriert, dass das vorgeschlagene Verfahren genaue Verschiebungsparameter und permanente koseismische Abweichungen mit einer Genauigkeit von einigen Zentimetern zur Verfügung stellen kann und auch zuverlässig die Momentenmagnitude und die Verteilung von Bewegungen an Störungen liefert. Wir untersuchen drei bestehenden Ansätze für Echtzeit-GNSS-Seismologie mit Einfrequenzempfängern, vergleichen ihre Beobachtungsmodelle auf Übereinstimmung und bewerten die Auswirkungen der Hauptfehlerkomponenten. Wir schlagen einige Verfeinerungen des variometrischen Ansatzes vor und versuchen insbesondere die geometrische Fehlerkomponente unter Verwendung der genauen Anfangskoordinaten vor dem Erdbeben zu kompensieren um den Drift-Trend in den integrierten koseismischen Verschiebungen zu eliminieren. Wir schlagen ein Konzept für die enge Verbindung von GPS und Starkbewegungsdaten auf Ebene der rohen Beobachtungsdaten vor um die Qualität der abgeleiteten Verschiebungen zu erhöhen. Die Leistung der vorgeschlagenen Vorgehensweise wird mit Hilfe von 5 Hz Hochgeschwindkeits-GPS-Daten und 200 Hz Starkbewegungsdaten während des El Mayor-Cucapah Erdbebens (Mw 7.2, 4. April 2010) in Baja California, Mexiko demonstriert. Der neue Ansatz vereint nicht nur die Vorteile von GPS und Starkbewegungssensoren, sondern erhöht auch die Zuverlässigkeit der Verschiebungsdaten durch Verbesserung der integer-Zyklus-Phasenmehrdeutigkeitsauflösung von GPS, die sehr kritisch für die Ableitung von Verschiebungsparametern mit höchster Qualität ist. Wir untersuchen auch die Verwendung von kolokierten GPS- und seismischen Sensoren zur Erdbeben-Überwachung und -frühwarnung. Die während des Tohoku-Oki-Erdbebens (Japan) von 2010 und des El Mayor-Cucapah-Erdbebens (Mexico) von 2010 gesammelten Daten von GPS und seismischen Sensoren werden unter Verwendung einer eng gekoppelten Integration analysiert. Die Leistung der integrierten Ergebnisse wird in Zeit- und Frequenzbereichsanalysen validiert. Anhand der integrierten Ergebnisse ermitteln wir die Ankunft der P-Welle, beobachten kleinste Bewegungsmerkmale und lokalisieren das Epizentrum. Gleichzeitig werden permanente Abweichungen aus den integrierten Verschiebungen mit hoher Genauigkeit extrahiert und für eine zuverlässige Störungsinversion und Magnitudenschätzung genutzt.
In recent times increasing numbers of high-rate GNSS stations have been installed around the world and set-up to provide data in real-time. These networks provide a great opportunity to quickly capture surface displacements, which makes them important as potential constituents of earthquake/tsunami monitoring and warning systems. The appropriate GPS real-time data analysis with sufficient accuracy for this purpose is a main focus of the current GNSS research. The objective of this thesis is to develop high-precision GNSS algorithms for better seismological applications. The core research and the contributions of this thesis are summarized as following: With the availability of real-time high-rate GNSS observations and precise satellite orbit and clock products, the interest in the real-time Precise Point Positioning (PPP) technique has greatly increased to construct displacement waveforms and to invert for source parameters of earthquakes in real time. Furthermore, PPP ambiguity resolution approaches, developed in the recent years, overcome the accuracy limitation of the standard PPP float solution and achieve comparable accuracy with relative positioning. In this thesis, we introduce the real-time PPP service system and the key techniques for real-time PPP ambiguity resolution. We assess the performance of the ambiguity-fixed PPP in real-time scenarios and confirm that positioning accuracy in terms of root mean square (RMS) of 1.0~1.5 cm can be achieved in horizontal components. For the 2011 Tohoku-Oki (Japan) and the 2010 El Mayor-Cucapah (Mexico) earthquakes, the displacement waveforms, estimated from ambiguity-fixed PPP and those provided by the accelerometer instrumentation are consistent in the dynamic component within few centimeters. The PPP fixed solution not only can improve the accuracy of coseismic displacements, but also provides a reliable recovery of earthquake magnitude and of the fault slip distribution in real time. We propose an augmented point positioning method for GPS based hazard monitoring, which can achieve fast or even instantaneous precise positioning without relying on data of a specific reference station. The proposed method overcomes the limitations of the currently mostly used GPS processing approaches of relative positioning and global precise point positioning. The advantages of the proposed approach are demonstrated by using GPS data, which was recorded during the 2011 Tohoku-Oki earthquake in Japan. We propose a new approach to quickly capture coseismic displacements with a single GNSS receiver in real-time. The new approach can overcome the convergence problem of precise point positioning (PPP), and also avoids the integration process of the variometric approach. Using the results of the 2011 Tohoku-Oki earthquake, it is demonstrated that the proposed method can provide accurate displacement waveforms and permanent coseismic offsets at an accuracy of few centimeters, and can also reliably recover the moment magnitude and fault slip distribution. We investigate three current existing single-receiver approaches for real-time GNSS seismology, comparing their observation models for equivalence and assessing the impact of main error components. We propose some refinements to the variometric approach and especially consider compensating the geometry error component by using the accurate initial coordinates before the earthquake to eliminate the drift trend in the integrated coseismic displacements. We propose an approach for tightly integrating GPS and strong motion data on raw observation level to increase the quality of the derived displacements. The performance of the proposed approach is demonstrated using 5 Hz high-rate GPS and 200 Hz strong motion data collected during the El Mayor-Cucapah earthquake (Mw 7.2, 4 April, 2010) in Baja California, Mexico. The new approach not only takes advantages of both GPS and strong motion sensors, but also improves the reliability of the displacement by enhancing GPS integer-cycle phase ambiguity resolution, which is very critical for deriving displacements with highest quality. We also explore the use of collocated GPS and seismic sensors for earthquake monitoring and early warning. The GPS and seismic data collected during the 2011 Tohoku-Oki (Japan) and the 2010 El Mayor-Cucapah (Mexico) earthquakes are analyzed by using a tightly-coupled integration. The performance of the integrated results are validated by both time and frequency domain analysis. We detect the P-wave arrival and observe small-scale features of the movement from the integrated results and locate the epicenter. Meanwhile, permanent offsets are extracted from the integrated displacements highly accurately and used for reliable fault slip inversion and magnitude estimation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-69529
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4882
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4585
Exam Date: 14-Jul-2015
Issue Date: 21-Aug-2015
Date Available: 21-Aug-2015
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): GNSS Seismologie
Koseismischer Hubraum
Fehlerschlupf Inversion
High-rate GNSS
GNSS seismology
precise point positioning
coseismic displacement
fault slip inversion
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/de/
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