传统地震观测手段在地震观测、地震预警中发挥着重要作用,但实际应用中仍存在两个问题:(1)宽频带地震仪在遇到强震动时会存在量程限幅问题,因而无法很好记录完整的地震波形,使得在近震和大震中震级估计严重偏低;(2)传统地震仪器的观测量为地面速度和加速度,需要通过一次或两次积分才能得到位移,而受仪器倾斜、旋转等因素影响,积分过程中误差传递造成误差积累,可能限制积分结果的精确度,进而影响震级估计、地壳形变等后续的应用。这些问题都会给地震参数确定以及地震应用,尤其是地震预警中震级快速确定带来很大困难。高频GPS能够直接获取地面的动态位移而无需积分,可避免误差积累问题,对低频位移信号敏感,位移记录不受振幅限制,能够很好记录大震造成的地表位移和形变,这些特点都很好地弥补了传统手段的不足。高频GPS技术有其独特优势,在地震预警和流动观测中引入实时高频GPS观测已经势在必行。高频GPS技术在地震预警和流动观测中其必要性和优势还表现在以下几方面:(1)连续高频GPS可以直接观测地震引起的地面动态位移,记录周期1秒以上长周期地震波以及地面永久真实位移,包括地震仪难以记录到的蠕变信息,同时它具有不受地面位移幅度限制、对低频振动敏感等特点,是对传统地震仪器的有效补充;(2)GPS仪器直接观测地表位移,而强震技术获取浅层场地效应,测震技术获取深部介质结构,三者结合可形成从地表到深部的立体观测手段;(3)GPS观测获取的位移、强震技术获取的加速度、测震技术获取的速度,三者结合则能更加准确地描述物体的运动状态,三种数据共同参与地震的判断将使得地震预警判断依据更加严密,能有效减少误判。本文基于地震现场的应急科技支撑技术系统和地震现场流动预警系统项目,构建实时高频GPS流动观测系统,并利用已有地震的GPS观测数据获取的PGD(Peak Ground Displacement)进行地震震级估算,以求为地震现场流动预警和流动观测展开先行探索和技术支持。在实时高频GPS地震观测系统的关键技术的探索研究中,本文首先调研了多个GPS数据处理软件,包括PANDAS、RTKLIB、BERNESE、GIPSY/OASIS等主流软件,考虑其软件功能特点、开放性、解算方式等因素,GAMIT拥有高精度的数据处理能力、开源的软件代码、灵活地功能组合等优点,最终选定GAMIT作为构建实时高频GPS地震观测系统的软件基础,并以BNC(BKG Ntrip client)作为数据接收、存储、解码、传递的软件,通过shell脚本实现了主要包括参数的设置、星历的自动下载、各模块的自动运算等功能,完成实时动态处理模块、事后动态处理模块、静态数据处理模块的简单化和自动化。同时对实时数据处理系统做进行了耗时测试,通过对1个参考站和3个测站的实时解算耗时计算,证实了利用Gamit平台搭建的实时数据处理系统是可以满足地震预警对数据解算的时间需求。硬件方面,在中国地震局第一监测中心唐山基地对9套新购GNSS仪器进行了检定。之后又在室内进行了各部件连接、开机运行、硬件各功能测试、随机软件各功能测试,并在室外构建了GPS的硬件实验平台,长期观测并实验其性能。再对3G/4G、有线网络、网桥通信等几种通信方式进行了测试,实时的GPS数据使用RTCM格式进行传输,10颗可见卫星时预计传输速度约为0.2 KB每Hz采样率,几种方式都能满足高频GPS数据的实时传输需求,其中网桥传输速率<100 KB/s,时间延迟为几十毫秒到160毫秒。在以上工作基础上,以2003年圣西蒙6.5级地震的7个GPS测站数据为例,其中2个作为参考站或者备选参考站,模拟实时数据进行了实时数据处理和实时结果显示的测试,可见前期存在结果不稳定,需要一定时间收敛,总体结果较为满意。又在事后动态处理模式下,对比了多参考站、多流动站计算的结果,认为1个参考站情况下,多个流动站比一个流动站的动态定位精度要稍高,2个参考站时,流动站个数几乎对结果精度没有影响,而无论多少个流动站,选择2个参考站的结果都要比1个参考站的结果精度要高,但精度提高得有限,都在毫米及毫米以内。因此,在实际应用中建议使用多参考站和一个流动站的模式计算每个测站的事后动态定位结果,如此能够保持较好的精度和较快的计算速度。对GPS数据获取的峰值地动位移标度震级进行了初步探索。利用前人论文中数字化的数据,构建了新的震级关系式,并与原Melgar公式相比较。然后收集了国内外8个地震事件的172条高频GPS数据进行了事后动态处理并计算峰值地动位移,借此验证了新的震级关系式。通过观察和分析实际数据的分布,结合GPS测站位置分布、周边地形等情况,提出使用两个参数修正震源、地形、场地因素对每个测站位移的放大效应。同时发现不同震级拥有各自的最优观测范围,通过分析几个地震中估算震级稳定的最远震源距,最终拟合得到不同震级下GPS最优观测范围的经验公式,在考虑GPS定位精度等实际情况后,认为GPS峰值地动位移的震级标度关系更适用于M_W 5.6以上大地震的震级计算。以上工作还存在一些不足,如整个实验系统未进行野外架设,数据通信过于依赖BNC并存在一定延迟,定位精度还可以通过更精确的误差改正、时间滤波、空间滤波等方式进行提高,测站PGD的影响因子的估计也还进一步研究,这些不足都是下一步需要考虑的工作。