IMU传感器助武汉大学开发出六自由度GNSS地震仪
- 2020/4/15 8:41:01 19790
- 来源：武汉大学
【仪表网 仪表研发】近期，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，武汉大学卫星导航定位技术研究人员借助IMU传感器技术，率先在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。一起来看看吧！
六自由度GNSS地震仪工作原理示意图，图自武汉大学
日前 ，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，借助IMU传感器技术，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年初连续发表在地球科学期刊Geophysical Research Letters(《地球物理快报》)。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比较有效途径之一。
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。
对此，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(Inertial measurement unit,IMU)，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。
惯性测量单元，是测量物体三轴姿态角以及加速度的设备。通常情况下，一个IMU包含了三个单轴的陀螺以及三个单轴的加速度计。
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”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，开拓具有影响力的地震科技优势领域，终服务于防震减灾事业。
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