北斗授時(shí)在地震觀測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

李 江 薛 兵 崔仁勝 林 湛劉明輝 周銀興 高尚華

（中國(guó)北京100036中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

北斗授時(shí)在地震觀測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

李 江 薛 兵 崔仁勝 林 湛劉明輝 周銀興 高尚華

（中國(guó)北京100036中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

中國(guó)正在實(shí)施的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，已經(jīng)覆蓋亞太地區(qū)，可以為用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。本文介紹如何在地震數(shù)據(jù)采集器中引入北斗授時(shí)，并對(duì)比分析使用北斗授時(shí)和GPS授時(shí)的地震數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)時(shí)間精度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，絕對(duì)精度均優(yōu)于1 ms，可以利用該授時(shí)系統(tǒng)來(lái)提高地震觀測(cè)臺(tái)站時(shí)間服務(wù)的可靠性。

地震數(shù)據(jù)采集器；北斗；時(shí)鐘精度；授時(shí)

0 引言

“十五”期間實(shí)施的中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程，建成中國(guó)數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)、中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)、中國(guó)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)。目前，大約有1 000個(gè)測(cè)震觀測(cè)臺(tái)站、300多個(gè)前兆觀測(cè)臺(tái)站。地震觀測(cè)臺(tái)站（包括流動(dòng)地震觀測(cè)臺(tái)站）在運(yùn)行時(shí)均需要時(shí)間服務(wù)，即需要授時(shí)。

從模擬地震觀測(cè)到數(shù)字地震觀測(cè)，地震事件的時(shí)間標(biāo)識(shí)一直是地震觀測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一（王翠芳等，2010）。時(shí)間同步是測(cè)震臺(tái)站運(yùn)行、產(chǎn)出有效觀測(cè)數(shù)據(jù)的重要保障。在測(cè)震臺(tái)站觀測(cè)中，一般要求測(cè)震臺(tái)站時(shí)鐘與UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的誤差小于10 ms，最好控制在1 ms之內(nèi)?，F(xiàn)行測(cè)震臺(tái)站由地震計(jì)（傳感器）、數(shù)據(jù)采集器及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等構(gòu)成，為了提高數(shù)據(jù)采集的時(shí)間精度，在數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一個(gè)高精度的基于溫度補(bǔ)償?shù)母叻€(wěn)定晶體振蕩器的本地時(shí)鐘，用于控制模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換過(guò)程中的采樣。數(shù)據(jù)采集器通過(guò)接收GPS接收機(jī)提供的授時(shí)信號(hào)實(shí)現(xiàn)與UTC時(shí)間同步。

中國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)字化過(guò)程中一直使用GPS授時(shí)技術(shù)。盡管GPS授時(shí)的精度能夠達(dá)到亞微秒級(jí)，但實(shí)際上地震數(shù)據(jù)采樣率不高，“九五”期間建設(shè)的測(cè)震臺(tái)站，采樣率為50次每秒，“十五”期間，將微震觀測(cè)采樣率提高到100次每秒（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2007），強(qiáng)震觀測(cè)采樣率為200次每秒，因此，測(cè)震臺(tái)站授時(shí)精度達(dá)到毫秒級(jí)即可滿足要求。大部分用于測(cè)震觀測(cè)的地震數(shù)據(jù)采集器，將GPS時(shí)間同步精度設(shè)計(jì)在1 ms量級(jí)?？梢?jiàn)，GPS授時(shí)精度能滿足地震觀測(cè)需要。但是，在測(cè)震臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行中，往往發(fā)現(xiàn)個(gè)別測(cè)震臺(tái)站的時(shí)間偏差較大，常達(dá)到秒級(jí)。主要反映在應(yīng)用時(shí)間偏差較大的臺(tái)站數(shù)據(jù)參與地震事件定位時(shí)，其殘差很大，去掉該臺(tái)站后，則定位殘差立即減小到合理水平。造成地震觀測(cè)臺(tái)站時(shí)間偏差大的原因較為復(fù)雜，可能是設(shè)備原因，也可能是GPS信號(hào)受到干擾，或者GPS信號(hào)接收不良等。

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性來(lái)說(shuō)，臺(tái)站觀測(cè)依賴于單一授時(shí)源，無(wú)法保證其長(zhǎng)期可靠性，在地震觀測(cè)臺(tái)站運(yùn)行中已經(jīng)反映出來(lái)。為了提高地震觀測(cè)臺(tái)站時(shí)間服務(wù)的可靠性，有必要建立冗余授時(shí)機(jī)制。隨著中國(guó)北斗授時(shí)系統(tǒng)的發(fā)展，可以利用該授時(shí)系統(tǒng)來(lái)提高地震觀測(cè)臺(tái)站時(shí)間服務(wù)的可靠性。

1 北斗授時(shí)概況

目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋亞太地區(qū)，具備定位、導(dǎo)航、授時(shí)及短報(bào)文通信服務(wù)能力，為用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）中衛(wèi)星主要作為一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器使用（譚述森，2007），衛(wèi)星接收地面站發(fā)送的信號(hào)，再轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，因此用戶接收到的信號(hào)在扣除時(shí)延后與地面站是一致的。衛(wèi)星信號(hào)是基于地面站原子鐘產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)，通過(guò)每一幀起始信息向用戶傳送該幀時(shí)標(biāo)的時(shí)間（日、時(shí)、分）。每一幀信號(hào)的時(shí)間基準(zhǔn)與原子鐘產(chǎn)生的時(shí)標(biāo)保持嚴(yán)格的時(shí)間關(guān)系。用戶解出信息中傳送的各種時(shí)間碼，扣除信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間，修正偽鐘差，從而得到精確的協(xié)調(diào)世界時(shí)。信號(hào)傳輸時(shí)延的計(jì)算是影響北斗授時(shí)精度的關(guān)鍵。根據(jù)時(shí)延的計(jì)算方法可分為單向授時(shí)和雙向授時(shí)。單向授時(shí)通常應(yīng)用于已知位置的授時(shí)，雙向授時(shí)利用地面站計(jì)算傳輸時(shí)延，再發(fā)送給用戶機(jī)，該方法是有源授時(shí)方法，受到用戶數(shù)量的限制。通過(guò)理論分析和實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)指出，雙向授時(shí)精度小于20 ns，而單向授時(shí)的精度則受到更多因數(shù)的影響（馬煦等，2007）。在單向授時(shí)模式下，用戶只需接收北斗廣播電文信號(hào)，自主獲得本地時(shí)間與北斗標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。其中單向授時(shí)的精度可以達(dá)到100 ns，而且單向授時(shí)不用反向傳輸數(shù)據(jù)，因此授時(shí)裝置更簡(jiǎn)單。另外，單向授時(shí)的精度能夠滿足地震觀測(cè)要求，更容易得到應(yīng)用。在定位方面，北斗系統(tǒng)的民用定位精度可達(dá)10 m，能夠滿足一般地震臺(tái)站對(duì)觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)定位的要求。

2 地震數(shù)據(jù)采集器北斗授時(shí)

2.1 北斗授時(shí)方案

地震數(shù)據(jù)采集器的授時(shí)系統(tǒng)通常由授時(shí)模塊和馴服時(shí)鐘系統(tǒng)組成，授時(shí)模塊為采集器提供標(biāo)準(zhǔn)的UTC時(shí)間信息、位置信息，使得采集器能夠獲得精確的年、月、日、時(shí)、分、秒信息，授時(shí)模塊還提供一個(gè)脈沖信號(hào)，可以是秒脈沖也可以是毫秒脈沖信號(hào)，主要特點(diǎn)是，每?jī)蓚€(gè)脈沖沿之間的時(shí)間間隔是精確固定的1 s或者1 ms，地震數(shù)據(jù)采集器利用此脈沖信號(hào)對(duì)采集器內(nèi)部的振蕩器進(jìn)行牽引，消除采集器毫秒級(jí)別的誤差，并使得地震數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)和絕對(duì)時(shí)鐘能夠精確同步起來(lái)。

目前，大部分地震數(shù)據(jù)采集器采用GPS模塊作為授時(shí)模塊，該授時(shí)結(jié)構(gòu)為引入北斗授時(shí)帶來(lái)一些便利，只要北斗授時(shí)模塊具有輸出絕對(duì)UTC時(shí)間信息和輸出精確脈沖信號(hào)的這兩個(gè)功能，就能夠?yàn)榈卣饠?shù)據(jù)采集器所用。

以北京港震公司生產(chǎn)的EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器為研究對(duì)象，利用北斗授時(shí)系統(tǒng)給地震數(shù)據(jù)采集器提供精確的時(shí)間信息，并使得地震數(shù)據(jù)采集器的內(nèi)部時(shí)鐘精度優(yōu)于1 ms。

2.2 北斗授時(shí)模塊

隨著北斗系統(tǒng)的發(fā)展，出現(xiàn)許多專業(yè)研制生產(chǎn)北斗授時(shí)導(dǎo)航模塊的廠家。北斗導(dǎo)航

模塊包括單模和多模，單模模塊只支持北斗BD2 B1或者其他頻點(diǎn)，雙模模塊同時(shí)支持BD B1、GPS L1頻點(diǎn)，既可以接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，也可以接收GPS衛(wèi)星信號(hào)。

本研究選用和芯星通公司研制生產(chǎn)的UM220 雙系統(tǒng)高性能GNSS 模塊，該模塊能夠同時(shí)支持BD2 B1、GPS L1頻點(diǎn)。UM220 外形尺寸緊湊，采用SMT 表面貼裝方式焊接，支持標(biāo)準(zhǔn)取放及回流焊接全自動(dòng)化集成，適用于規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用。

2.3 EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器授時(shí)系統(tǒng)

EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器授時(shí)系統(tǒng)由IRIG-B碼授時(shí)模塊（外置）、IRIG-B碼解碼單元（內(nèi)置）和馴服時(shí)鐘系統(tǒng)（內(nèi)置）組成。地震數(shù)據(jù)采集器時(shí)鐘系統(tǒng)模型見(jiàn)圖1（李江等，2013）。其中，IRIG-B碼授時(shí)模塊集成GPS天線、模塊和IRIG-B碼發(fā)生器，IRIG-B碼授時(shí)模塊接收GPS模塊輸出的時(shí)間信息，將其編碼為IRIG-B格式的時(shí)間信號(hào)并輸出。IRIG-B格式時(shí)間碼（簡(jiǎn)稱B碼）為國(guó)際通用時(shí)間格式碼，用于時(shí)間同步。它是每秒一幀的時(shí)間串碼，每個(gè)碼元寬度為10 ms，一個(gè)周期包括100個(gè)碼元，為脈寬編碼。碼元的“準(zhǔn)時(shí)”參考點(diǎn)是其脈沖前沿，每幀參考標(biāo)志由一個(gè)位置識(shí)別標(biāo)志和相鄰的參考碼元組成，寬度為8 ms；每10個(gè)碼元有一個(gè)位置識(shí)別標(biāo)志，均為8 ms寬度。

圖1 地震數(shù)據(jù)采集器時(shí)鐘系統(tǒng)模型Fig.1 Clock system model of seismic digizer

EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器內(nèi)置的IRIG-B碼解碼單元還原IRIG-B碼中的時(shí)間信息、GPS位置信息和其他自定義信息，并將信息傳輸給EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器處理器，由處理器進(jìn)行處理；馴服時(shí)鐘系統(tǒng)利用IRIG-B碼的脈沖標(biāo)志對(duì)時(shí)鐘振蕩器進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到校準(zhǔn)EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部振蕩器的目的。

根據(jù)EDAS-2GN地震數(shù)據(jù)采集器的授時(shí)模型可以看出，EDAS-24GN的授時(shí)源是GPS模塊，如果使用北斗授時(shí)，只需改變?cè)撌跁r(shí)源，即可將EDAS-24GN授時(shí)模式從GPS改變?yōu)楸倍肥跁r(shí)方式，在硬件設(shè)計(jì)上容易實(shí)現(xiàn)。

2.4 北斗授時(shí)模塊與GPS授時(shí)模塊通訊協(xié)議對(duì)比

GPS接收機(jī)通用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議是NMEA-0183協(xié)議，NMEA-0183是（National Marine Electronics Association ）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊格式，是一套定義接收機(jī)輸出信息的標(biāo)準(zhǔn)格式，最常用的信息格式有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等，每種均為獨(dú)立相關(guān)的ASCⅡ碼信息，每句信息包括長(zhǎng)度從30至100個(gè)字符不等的數(shù)據(jù)流，不同數(shù)據(jù)流用逗號(hào)隔開(kāi)，包含定位時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高程、定位所用衛(wèi)星數(shù)、DOP值、差分狀態(tài)和校正時(shí)段等。 NMEA協(xié)議已成為GPS接收機(jī)通用數(shù)據(jù)輸出格式，同時(shí)被用于GPS接收機(jī)接口的大多數(shù)軟件，并用于大部分采用GPS授時(shí)的地震觀測(cè)儀器。

北斗授時(shí)模塊為了適應(yīng)用戶需求，繼續(xù)采用NMEA協(xié)議或者以NMEA協(xié)議為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)自身通訊協(xié)議。以和芯星通公司研制的北斗授時(shí)模塊為例，該公司研制的U220系列授時(shí)模塊使用的通訊協(xié)議是在NMEA 3.0 基礎(chǔ)上擴(kuò)展的北斗導(dǎo)航、授時(shí)相關(guān)語(yǔ)句版本。

表1中列舉幾種NMEA協(xié)議的主要信息格式，U220系列北斗授時(shí)模塊的通訊協(xié)議保持在每類信息中的數(shù)據(jù)流格式與NMEA協(xié)議一致，只是對(duì)數(shù)據(jù)格式的頭兩個(gè)字符做了

擴(kuò)展，當(dāng)字符串“$—”是“$GP”時(shí)，表示GPS 系統(tǒng)單獨(dú)定位，該信息是與GPS衛(wèi)星同步；當(dāng)字符串“$—”為“$BD”時(shí)，表示北斗系統(tǒng)單獨(dú)定位，該信息是與北斗衛(wèi)星同步；當(dāng)字符串“$—”為“$GN”時(shí)，表示GPS 與北斗系統(tǒng)混合定位，該信息由GPS和北斗衛(wèi)星聯(lián)合提供。

表1 北斗授時(shí)模塊與GPS授時(shí)模塊通訊協(xié)議對(duì)比Table 1 The difference of the communication protocol between model of Beidou timing and GPS model

通過(guò)對(duì)北斗授時(shí)模塊、GPS接收機(jī)以及EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器軟硬件分析，將EDAS-24GN的授時(shí)裝置由GPS授時(shí)升級(jí)到北斗授時(shí)或北斗、GPS雙模授時(shí)在技術(shù)上并不復(fù)雜，由此，改造EDAS-24GN用于授時(shí)的外置IRIG-B碼授時(shí)模塊，對(duì)其編碼程序進(jìn)行修改，對(duì)相應(yīng)授時(shí)策略進(jìn)行調(diào)整，而EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器自身不用改造。

2.5 北斗授時(shí)試驗(yàn)分析

為了測(cè)試北斗授時(shí)對(duì)于地震數(shù)據(jù)采集器時(shí)鐘精度的影響，研制基于北斗授時(shí)的IEIG-B碼模塊，為EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器提供授時(shí)信號(hào)。為進(jìn)一步測(cè)試授時(shí)精度，選用2臺(tái)EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行比測(cè)，連接示意見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，采集器A使用GPS授時(shí)，采集器B使用北斗授時(shí)，對(duì)同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)（帶有時(shí)間標(biāo)志的信號(hào)，如原子鐘發(fā)出的分脈沖信號(hào)、秒脈沖信號(hào)）進(jìn)行采集，并對(duì)采集波形進(jìn)行對(duì)比，比較采集器使用不同授時(shí)模塊時(shí)的時(shí)鐘精度差異，分脈沖信號(hào)見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：6路數(shù)據(jù)為2個(gè)三通道地震數(shù)據(jù)采集器（EDAS-24GN）采集的數(shù)據(jù)波形，上部3道為采集器A采集的波形，下部3道為采集器B采集的波形，橫軸表示波形時(shí)間長(zhǎng)度為2 s。

圖2 使用北斗、GPS授時(shí)的地震數(shù)據(jù)采集器時(shí)鐘精度測(cè)試示意Fig.2 Diagram of timing accuracy test between Beidou and GPS using in seismic digitizer

圖3 地震數(shù)據(jù)采集器采集的分脈沖信號(hào)Fig.3 Acquisition of minute signal by seismic digizer

在2臺(tái)采集器記錄的波形中任意選擇一個(gè)分脈沖信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)圖3，兩臺(tái)采集器整分時(shí)刻采集的分脈沖信號(hào)準(zhǔn)確，均為15時(shí)10分0秒。反之，對(duì)原始500

點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)同一個(gè)分脈沖信號(hào)的整分時(shí)刻，2臺(tái)采集器所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)時(shí)間偏差，可見(jiàn)單臺(tái)絕對(duì)時(shí)間和相對(duì)時(shí)間精度上均優(yōu)于1 ms。為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，把采集器A和采集器B授時(shí)模塊互相交換，即采集器A使用北斗授時(shí)，采集器B使用GPS授時(shí)，進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

為了考察授時(shí)的可靠性，對(duì)2臺(tái)測(cè)試儀器進(jìn)行長(zhǎng)期工作實(shí)驗(yàn)，不間斷工作超過(guò)30天，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)GPS授時(shí)和北斗授時(shí)的儀器在時(shí)間上處于同步狀態(tài)，對(duì)同一個(gè)原子鐘輸出的脈沖信號(hào)在500點(diǎn)采樣的數(shù)據(jù)中未發(fā)現(xiàn)樣點(diǎn)偏差。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2臺(tái)EDAS-24GN地震數(shù)據(jù)采集器連接不同授時(shí)源的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用GPS授時(shí)和北斗授時(shí)，授時(shí)絕對(duì)精度均優(yōu)于1 ms，對(duì)時(shí)間精度無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。因此，可以把北斗授時(shí)作為地震數(shù)據(jù)采集器的授時(shí)源使用。北斗雙模授時(shí)可以接收GPS信號(hào)及北斗衛(wèi)星信號(hào)，有助于提高地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的授時(shí)可靠性?？傊?，對(duì)于地震觀測(cè)儀器，北斗授時(shí)既可以作為單獨(dú)的授時(shí)源使用，也可以作為GPS授時(shí)的補(bǔ)充，能夠很大程度地提高授時(shí)可靠性。

本研究得到北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司大力支持，在此表示感謝。

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The application of Beidou timing in seismological observation technology

Li Jiang，Xue Bing，Cui Rensheng，Lin Zhan，Liu Minghui，Zhou Yinxing and Gao Shanghua
(Key Laboratory of Earthquake Prediction,Institute of Earthquake Science,China Earthquake Administration,Beijing 100036,China)

China is implementing the Beidou satellite navigation system,which has covered in the Asia Pacifi c region and can provide high quality positioning,navigation and timing services for users.In this article,how to apply the Beidou timing for seismic digitizer,and how to compare the time accuracy of data using GPS timing with Beidou timing in seismic digitizer are introduced.The result shows that the absolute accuracy is higher than 1 ms.The Beigou timing system can improve the reliability of the time service of seismic observation stations.

seismic digizer，Beidou，time accuracy，timing

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.022

李江（1975—），男，高級(jí)工程師，主要從事地震觀測(cè)技術(shù)研究工作

國(guó)家科技支撐計(jì)劃專題（編號(hào)2012BAF14B12-04）；青年科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)41404142）

本文收到日期：2015-11-26