精密单点定位(PPP)仅用单个接收机即可测量厘米级的地面运动，已广泛应用于地震监测和地震预警系统中。然而，传统的实时PPP高度依赖于完善和强大的互联网基础设施进行数据通信，在大地震发生时易出现通信中断问题。第三代北斗卫星导航系统(BDS-3) 利用B2b信号播发轨道和钟差改正量，用其对广播星历进行改正，可恢复GPS和BDS精密轨道和钟差。由于B2b产品通过卫星播发，即使在没有互联网基础设施的情况下也可以获取，因此PPP-B2b更适合于实时应用。本研究首次实现了PPP-B2b服务在地震监测中的应用。振动台实验表明，PPP-B2b服务在GPS-only、BDS-only和GPS/BDS组合地震监测中可以达到毫米级的水平精度。对2021 Mw 7.4玛多地震的应用表明，以使用武大最终精密产品的单GPS PPP为参考值，使用PPP-B2b服务获取的地震位移精度在东、北和高程方向分别为1.7、2.4和1.7 cm。因此，我们认为PPP-B2b服务在地震快速预警系统、快速灾害响应等地震大地测量相关应用中具有广阔的前景。

论文于2022年8月13日以“GPS/BDS precise point positioning with B2b products for high-rate seismogeodesy: application to the 2021 Mw 7.4 Maduo earthquake”为题，发表在中科院二区TOP SCI期刊《Geophysical Journal International》。整个工作由团队硕士生吕黄晖在其导师方荣新教授、以及胡志刚教授的指导下完成。该项研究受到了国家自然科学基金（41874038, 41931075, 42030109）资助。

论文主要内容

使用BDS-3播发的轨道和钟差改正量对广播星历进行改正，可以获取GPS和BDS实时精密产品，摆脱了实时PPP对于互联网通信的依赖。这使得PPP-B2b更适合于大地震等网络易中断情况下的实时应用。鉴于此，我们进行了振动台实验，收集了2021年3月27日的PPP-B2b数据以及振动台GNSS实测数据，对PPP-B2b服务在地震监测中的精度进行了评估。实验采用单轴振动台模拟真实地震，选取的两个地震详细信息见表1.

表1 所选取地震的详细信息

振动台安装在武汉大学教学实验大楼16层楼顶，观测条件较好。图1显示了实验期间的可用卫星数和相应的PDOP值以及卫星天空图。在振动台实验中，WUM产品中GPS和BDS卫星的平均个数分别为9.3和17.8颗，PPP-B2b产品中GPS和BDS卫星的平均个数分别为7.6和8.5颗。

图1 振动台实验期间卫星数量、PDOP值和天空图

两次振动台模拟地震实验的结果如图2-3所示。图2描述了El Mayor-Cucapah地震的PPP位移和相应误差。WUM和PPP- b2b产品得到的PPP位移均与参考地震波形吻合较好。单BDS和单GPS采用PPP-B2b定位结果的误差RMS分别为3.63和8.20 mm, 采用WUM产品的误差RMS分别为3.19和7.27 mm。GPS/BDS的性能最好，PPP-B2b的误差RMS为3.31 mm, WUM的误差RMS为2.40 mm。

图3显示了Iwate‐Miyagi Nairiku地震的PPP位移和相应误差。使用PPP- b2b产品的实时PPP位移结果能够清晰地捕获到地震波形。BDS、GPS和GPS/BDS PPP的误差RMS值分别为9.72 mm、8.26 mm和7.18 mm。使用WUM最终产品的PPP结果误差RMS分别为6.50 mm、5.83 mm和4.53 mm。这两个地震实验的结果表明，使用PPP- b2b产品的PPP可以达到与使用WUM最终产品的PPP相似的定位精度，都在毫米级。

图2 BDS、GPS、GPS/BDS PPP得到的El Mayor-Cucapah地震位移时间序列

图3 BDS、GPS、GPS/BDS PPP得到的Iwate‐Miyagi Nairiku地震位移时间序列

我们利用中国大陆构造环境监测网络和中国地震局提供的邻近5个GNSS台站的数据，在2021 Mw 7.3玛多地震中应用了PPP-B2b服务。测站分布见图4。由于BDS-3观测数据不足，除测站QHMD外其他测站结果仅包含单GPS结果，结果如图5所示。从图中可以看出，采用PPP-B2b产品和WUM最终精密产品的PPP结果都清晰地捕捉到了玛多Mw 7.3地震的波形。这两种PPP方法得到的位移在东、北和垂直方向上非常吻合。

图4 玛多Mw 7.3地震地震震中位置及附近测站分布图

图5 使用PPP-B2b产品和WUM最终精密产品的PPP结果

使用PPP-B2b产品和WUM最终产品的PPP结果差异如表2所示。对于单GPS系统，东、北、高程法向的差异RMS分别为1.7、2.3、1.9 cm。对于QHMD站点，GPS/BDS在东、北和高程方向上的差异RMS分别为1.5、1.9 3.0 cm。

表2 使用PPP-B2b产品和WUM最终产品的PPP结果差异

基于上述地震位移波形，我们计算了相应的地面峰值位移(PGD)和面波震级。图6给出了提取得到的PGD以及计算得到的面波震级。使用PPP-B2b产品和WUM最终产品PPP得到的PGD非常接近，两者之间的平均差异为0.41 cm。计算得到的面波震级也非常接近，各台站之间的差异均小于0.15强度单位，平均差异为0.03强度单位。这些结果表明，基于PPP- b2b产品的实时PPP能够用于提取地震PGD并计算地震震级。

图6 提取得到的PGD和计算得到的面波震级

结论

通过上述试验和分析可以看出，使用PPP-B2b产品，GPS-only、BDS-only和GPS/BDS组合PPP在两次模拟地震实验中获得的水平方向位移精度均优于1 cm。我们首次实现了PPP-B2b产品在地震监测中的应用，将PPP-B2b产品应用于2021 Mw 7.4玛多地震，证明了使用PPP-B2b产品进行PPP可以测量地震位移波形的精度为2-3 cm。由此得出结论，PPP-B2b服务在地震快速预警系统、快速灾害响应等地震大地测量相关应用中具有广阔的前景。

论文信息：

Rongxin Fang, Huanghui Lv, Zhigang Hu, Guangxing Wang, Jiawei Zheng, Renyu Zhou, Kun Xiao, Min Li, Jingnan Liu, GPS/BDS precise point positioning with B2b products for high-rate seismogeodesy: application to the 2021 Mw 7.4 Maduo earthquake, Geophysical Journal International, Volume 231, Issue 3, December 2022, Pages 2079–2090. https://doi.org/10.1093/gji/ggac311