强震预警的及时性和准确性决定了生命和财产损失程度,而强震位移和速度测量精度是强震准确预警的前提。目前,常用的强震测量手段有传统强震仪和全球导航卫星系统(GNSS)强震仪。传统强震仪利用加速度计来感知地表运动,其灵敏性好、采样率高,但噪声的存在和地震发生时导致的地面永久性倾斜,容易导致测量值基线产生漂移。GNSS强震仪利用全球导航卫星系统实现位置测量,其可直接获取瞬时位移信息,不易失真,但受接收机跟踪环带宽的限制,测量精度随运动频率和动态的增大而下降。本文借鉴导航领域的GNSS与惯性导航系统(INS)深组合概念,提出并研究了 GNSS/INS深组合强震仪。深组合强震仪利用INS估计的实时动态信息辅助GNSS强震仪的基带信号处理,实现强震动态下GNSS信号的精确跟踪,从本质上解决了 GNSS强震仪在强震动态下载波相位观测精度下降的问题,实现了GNSS实时高精度强震测量。论文具体研究内容如下:第一,在分析强震运动特征的基础上,开展了 GNSS/INS深组合强震仪的关键技术研究。一方面,通过对深组合跟踪环进行误差建模,明确了各误差源与环路跟踪误差的传递关系,定量分析了强震动态下深组合环路的跟踪误差,并采用分析结果指导了强震下深组合跟踪环的参数设计与优化。分析表明,INS辅助下,环路不再承受强震动态应力的冲击,只需跟踪较小的辅助信息估计误差,可以通过压缩带宽加长积分时间提高载波相位跟踪精度。深组合跟踪环采用8Hz窄带宽和20ms长积分时间。另一方面,针对强震前的静止时段和强震时的高动态时段,研究了不同的INS约束技术。静止段内,采用零速和零角速约束方法对INS观测值进行约束,防止INS位置、速度、姿态测量值的发散;动态段内,则采用GNSS观测信息与INS结果进行组合,估计的误差信息反馈修正INS误差。另外,采用滑动窗口方差法对运动状态变化进行感知,灵活切换约束方法。第二,自主搭建了 GNSS/INS软件深组合强震仪平台,设计并验证了一套深组合系统的测试方案。在PC上基于C#搭建了一套GNSS/INS软件深组合强震仪,系统的环路参数、INS参数等可以灵活设置,可随意输出各类信息,有利于同时开展信号层面、定位层面的测试分析。另外,设计了一套包含测试场景准备、信号模拟、信号采集、数据处理四大步骤的深组合系统测试流程,并充分验证了流程的可行性与正确性,为强震测试验证提供了保障。第三,分别基于硬件模拟器和振动平台实验,对深组合强震仪的基带信号处理层面和定位层面性能进行了测试,并测试了深组合强震仪对惯性器件的精度要求。基于硬件模拟器,设计了单频正弦运动场景和真实地震运动场景,并基于振动台设计了单频正弦运动场景。软件深组合强震仪测试表明:1)强震动态时,深组合环路跟踪精度远优于普通接收机环路,带宽为8Hz时,模拟器场景下,深组合环路的鉴相误差RMS小于2°,最大值为8°;振动台场景下,鉴相误差RMS为4.6°,最大值为14.5°。2)Trimble的测量误差会随运动频率和动态的增大而增大,本文研制的深组合强震仪则一直保持稳定高精度测量。模拟器场景下,深组合强震仪的测量误差RMS小于0.2cm,最大值为0.7cm;振动台场景下,测量误差RMS为0.5cm,最大值为1.7cm。3)与战术级惯导相比,采用MEMS级惯导,深组合强震仪的环路跟踪精度差1°,水平位移精度差O.1cm,表明MEMS IMU可以用于深组合强震仪。综上所述,本文研究了 GNSS/INS深组合强震仪的关键技术,研制了GNSS/INS软件深组合强震仪平台,全面的测试分析表明深组合强震仪可以明显提高GNSS在强震动态下的精度。本文的研究工作为强震仪提供了优化方案和技术方法。