北斗衛星導航系統在地震監測中的應用研究

吳清榮 楊澤寒 付建華

（1.河南職業技術學院，河南 鄭州 450046；2.中國鐵塔股份有限公司周口市分公司，河南 周口 466000；3.河南省地震局，河南 鄭州 450016）

1 北斗衛星導航系統概況

1.1 發展進程

我國的北斗衛星導航系統經歷三個階段的建設發展進程：第一階段，從1994年啟動，到2000年初步建成了北斗衛星導航試驗系統，即“北斗一號”有源區域衛星導航系統，簡稱“北斗一號”系統，形成中國及周邊部分地區的區域性服務能力，使得中國成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家；第二階段，從2004年啟動了北斗衛星導航系統建設，到2012年，首先建成了北斗衛星導航區域系統，即“北斗二號”無源區域衛星導航系統，簡稱“北斗二號”系統，也稱為“北斗二號”系統一期工程，形成區域覆蓋能力，為中國及周邊亞太地區提供無源定位、導航和授時等服務；第三階段，從2013年持續擴展北斗衛星導航區域系統，到2020年左右全面建成北斗衛星導航系統，也稱為“北斗二號”系統二期工程，具備全球范圍無源定位、導航和授時服務能力。

目前，北斗衛星全球組網工作已全面展開，僅2015年一年內就要發射5 顆北斗衛星，經過組網試驗驗證正常后，從2016年至2020年將完成全球組網工作。

1.2 主要功能

定位功能，“北斗一號”系統的二維水平定位精度在設標校站區域為20m，在不設標校站區域為100m，“北斗二號”系統平面定位精度為10m，高程精度為10m；

授時功能，“北斗一號”系統的雙向授時精度20ns，單向授時精度100ns，“北斗二號”系統的單向授時精度為50ns；

通信功能，“北斗一號”系統具有用戶之間、用戶與地面控制中心之間的雙向短報文通信能力，每次通信容量是120個漢字，“北斗二號”系統兼容該通信功能。

1.3 應用概況

目前，中國正在各個領域加速推進北斗定位導航系統的應用。例如，北斗定位技術結合物聯網技術、移動互聯網應用、構架端+云系統平臺，服務于移動互聯網用戶，并且智能手機和平板電腦中內置的定位導航服務逐漸取代專業導航設備［1］。又如，在智慧城市建設中，能夠利用更加精準的北斗定位服務，協助用戶做到防盜告警、車輛管理，以及為售后服務提供數據等。但是，由于當前“北斗二號”一期工程已完成，二期工程正處于全面組網試驗階段，很多應用領域還是以“北斗一號”系統應用為主，而“北斗一號”系統在定位時效性、精度、容量等方面存在不足，限制了北斗定位導航系統的應用。但隨著“北斗二號”系統加速建設，相關領域的應用研究必須同步跟進，否則將會失去市場先機［2］。

2 地震監測的主要特點

2.1 地域分布廣

地震監測需要將各種傳感器設置在不同的地域，既可以組成部分區域的地震監測網，也可以組成省級和全國范圍內的地震監測網。由于我國疆土廣闊，而很多地區屬于沙漠、森林、島嶼等無人區，對這些地方的監測需要能夠實現無人值守，這為通過衛星通信，包括VSAT站、北斗的短報文通信等來實現地震監測數據的自動化遠程傳輸提供了應用需求。

2.2 通信時效強

地震監測無論是震前、震中還是震后監測，都需要將各類傳感器感知的監測數據及時采集、存儲和傳輸，通過各種通信方式將數據匯集到數據中心，這對通信的時效性和可靠性要求很高。這是因為，只有獲得準確實時的監測數據才能為數據分析提供最新數據來源，從而對震情的監測、跟蹤和預報才更加可靠，有利于采取相應的救援措施。

2.3 信息采集多

地震監測涉及對地表電場、磁偏角、地下水位、重力加速度、次聲波、氣象等多種監測要素的信息采集。這種信息采集既有短時間內的突發信息采集，例如，地震發生時段的信息采集，還有長時間范圍內跟蹤信息采集。這些采集的信息數據既可以作為實時災情預報的依據，也可以作為長期觀測的歷史數據積累，因此必須對采集的大量信息數據做好收集整理工作，不斷提取有價值數據。

2.4 智能處理高

大數據分析已經融入到對地震監測數據的分析中，基于數據挖掘和人工智能的處理方法是提高對地震監測數據分析智能化水平的重要手段。將云計算方法應用到分布式的地震監測網中，從地震監測數據分析中不斷優化分析數學模型，提高提取有價值震情情報的精準性，這些代表了地震監測數據分析的發展方向。

3 應用方案設計

如圖1 所示，將北斗導航系統應用到地震監測的方式主要有：一是將北斗定位終端與分布在各地的地震監測儀器直接相連，可以準確獲得地震儀器所在的位置信息和時間信息；二是利用北斗有源定位可以進行短報文通信的功能，將地震監測數據進行遠程傳輸到監測中心。這種應用方式的優點在于：一是利用我國的北斗導航系統進行定位和授時，增強了使用的可靠性，可以避免美國GPS 服務的不確定性因素影響；二是利用北斗的通信功能，能夠解決地域覆蓋問題，在一些無人值守的地域也能設置監測站。當然，由于北斗通信能力有限，將北斗系統應用到地震監測中時，以其定位和授時功能為主，通信功能為輔，可以進一步結合VSAT 衛星基站，利用信道較寬的衛星通信傳輸監測數據將是更好的選擇［3］。

圖1 北斗在地震監測中應用示意圖

4 展望

我國是地震多發的國家，特別是近些年出現了較多震級較大的地震，破壞力極大。搞好地震監測有利于防災減災，因此對地震監測的需求越來越大，特別是在我國中東部地區和西部地區都需要較多的監測臺站，這為北斗系統的定位、授時及通信應用提供了機遇。同時，隨著我國“一路一帶”戰略的實施，在我們周邊國家和地區利用北斗系統進行地震監測有利于提供境外服務，保障我國在“一路一帶”沿線地區的安全。并且，我國的北斗系統正處于建設的關鍵時期，國家正在大力推動北斗系統的應用，這為北斗在地震監測領域中的產業應用提供了最佳機遇。

［1］唐金元.北斗衛星導航區域系統發展應用綜述［J］.全球定位系統，2013（5）：41-43.

［2］張更新，張杭.衛星移動通信系統［M］.北京：人民郵電出版社，2001.

［3］毛彩霞.淺析地震監測預報體系［J］.江西建材，2014（22）：222.