北斗授時在地震觀測技術中的應用

李 江 薛 兵 崔仁勝 林 湛劉明輝 周銀興 高尚華

（中國北京100036中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室）

北斗授時在地震觀測技術中的應用

李 江 薛 兵 崔仁勝 林 湛劉明輝 周銀興 高尚華

（中國北京100036中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室）

中國正在實施的北斗衛星導航系統，已經覆蓋亞太地區，可以為用戶提供高質量的定位、導航和授時服務。本文介紹如何在地震數據采集器中引入北斗授時，并對比分析使用北斗授時和GPS授時的地震數據采集器的數據時間精度，結果發現，絕對精度均優于1 ms，可以利用該授時系統來提高地震觀測臺站時間服務的可靠性。

地震數據采集器；北斗；時鐘精度；授時

0 引言

“十五”期間實施的中國數字地震觀測網絡工程，建成中國數字測震臺網、中國地震前兆臺網、中國數字強震動臺網。目前，大約有1 000個測震觀測臺站、300多個前兆觀測臺站。地震觀測臺站（包括流動地震觀測臺站）在運行時均需要時間服務，即需要授時。

從模擬地震觀測到數字地震觀測，地震事件的時間標識一直是地震觀測中的關鍵技術之一（王翠芳等，2010）。時間同步是測震臺站運行、產出有效觀測數據的重要保障。在測震臺站觀測中，一般要求測震臺站時鐘與UTC標準時間的誤差小于10 ms，最好控制在1 ms之內?，F行測震臺站由地震計（傳感器）、數據采集器及網絡通信設備等構成，為了提高數據采集的時間精度，在數據采集器內部實現一個高精度的基于溫度補償的高穩定晶體振蕩器的本地時鐘，用于控制模擬數字轉換過程中的采樣。數據采集器通過接收GPS接收機提供的授時信號實現與UTC時間同步。

中國測震臺網數字化過程中一直使用GPS授時技術。盡管GPS授時的精度能夠達到亞微秒級，但實際上地震數據采樣率不高，“九五”期間建設的測震臺站，采樣率為50次每秒，“十五”期間，將微震觀測采樣率提高到100次每秒（中國地震局監測預報司，2007），強震觀測采樣率為200次每秒，因此，測震臺站授時精度達到毫秒級即可滿足要求。大部分用于測震觀測的地震數據采集器，將GPS時間同步精度設計在1 ms量級。可見，GPS授時精度能滿足地震觀測需要。但是，在測震臺網運行中，往往發現個別測震臺站的時間偏差較大，常達到秒級。主要反映在應用時間偏差較大的臺站數據參與地震事件定位時，其殘差很大，去掉該臺站后，則定位殘差立即減小到合理水平。造成地震觀測臺站時間偏差大的原因較為復雜，可能是設備原因，也可能是GPS信號受到干擾，或者GPS信號接收不良等。

從系統設計可靠性來說，臺站觀測依賴于單一授時源，無法保證其長期可靠性，在地震觀測臺站運行中已經反映出來。為了提高地震觀測臺站時間服務的可靠性，有必要建立冗余授時機制。隨著中國北斗授時系統的發展，可以利用該授時系統來提高地震觀測臺站時間服務的可靠性。

1 北斗授時概況

目前，北斗衛星導航系統已經覆蓋亞太地區，具備定位、導航、授時及短報文通信服務能力，為用戶提供高質量的定位、導航和授時服務。北斗一號衛星導航系統（簡稱北斗系統）中衛星主要作為一個轉發器使用（譚述森，2007），衛星接收地面站發送的信號，再轉發給用戶，因此用戶接收到的信號在扣除時延后與地面站是一致的。衛星信號是基于地面站原子鐘產生的時標，通過每一幀起始信息向用戶傳送該幀時標的時間（日、時、分）。每一幀信號的時間基準與原子鐘產生的時標保持嚴格的時間關系。用戶解出信息中傳送的各種時間碼，扣除信號傳輸的時間，修正偽鐘差，從而得到精確的協調世界時。信號傳輸時延的計算是影響北斗授時精度的關鍵。根據時延的計算方法可分為單向授時和雙向授時。單向授時通常應用于已知位置的授時，雙向授時利用地面站計算傳輸時延，再發送給用戶機，該方法是有源授時方法，受到用戶數量的限制。通過理論分析和實際測量的數據指出，雙向授時精度小于20 ns，而單向授時的精度則受到更多因數的影響（馬煦等，2007）。在單向授時模式下，用戶只需接收北斗廣播電文信號，自主獲得本地時間與北斗標準時間的鐘差，實現時間同步。其中單向授時的精度可以達到100 ns，而且單向授時不用反向傳輸數據，因此授時裝置更簡單。另外，單向授時的精度能夠滿足地震觀測要求，更容易得到應用。在定位方面，北斗系統的民用定位精度可達10 m，能夠滿足一般地震臺站對觀測點坐標定位的要求。

2 地震數據采集器北斗授時

2.1 北斗授時方案

地震數據采集器的授時系統通常由授時模塊和馴服時鐘系統組成，授時模塊為采集器提供標準的UTC時間信息、位置信息，使得采集器能夠獲得精確的年、月、日、時、分、秒信息，授時模塊還提供一個脈沖信號，可以是秒脈沖也可以是毫秒脈沖信號，主要特點是，每兩個脈沖沿之間的時間間隔是精確固定的1 s或者1 ms，地震數據采集器利用此脈沖信號對采集器內部的振蕩器進行牽引，消除采集器毫秒級別的誤差，并使得地震數據采集器采集的數據和絕對時鐘能夠精確同步起來。

目前，大部分地震數據采集器采用GPS模塊作為授時模塊，該授時結構為引入北斗授時帶來一些便利，只要北斗授時模塊具有輸出絕對UTC時間信息和輸出精確脈沖信號的這兩個功能，就能夠為地震數據采集器所用。

以北京港震公司生產的EDAS-24GN地震數據采集器為研究對象，利用北斗授時系統給地震數據采集器提供精確的時間信息，并使得地震數據采集器的內部時鐘精度優于1 ms。

2.2 北斗授時模塊

隨著北斗系統的發展，出現許多專業研制生產北斗授時導航模塊的廠家。北斗導航

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，雙模模塊同時支持BD B1、GPS L1頻點，既可以接收北斗衛星信號，也可以接收GPS衛星信號。

本研究選用和芯星通公司研制生產的UM220 雙系統高性能GNSS 模塊，該模塊能夠同時支持BD2 B1、GPS L1頻點。UM220 外形尺寸緊湊，采用SMT 表面貼裝方式焊接，支持標準取放及回流焊接全自動化集成，適用于規模化生產應用。

2.3 EDAS-24GN地震數據采集器授時系統

EDAS-24GN地震數據采集器授時系統由IRIG-B碼授時模塊（外置）、IRIG-B碼解碼單元（內置）和馴服時鐘系統（內置）組成。地震數據采集器時鐘系統模型見圖1（李江等，2013）。其中，IRIG-B碼授時模塊集成GPS天線、模塊和IRIG-B碼發生器，IRIG-B碼授時模塊接收GPS模塊輸出的時間信息，將其編碼為IRIG-B格式的時間信號并輸出。IRIG-B格式時間碼（簡稱B碼）為國際通用時間格式碼，用于時間同步。它是每秒一幀的時間串碼，每個碼元寬度為10 ms，一個周期包括100個碼元，為脈寬編碼。碼元的“準時”參考點是其脈沖前沿，每幀參考標志由一個位置識別標志和相鄰的參考碼元組成，寬度為8 ms；每10個碼元有一個位置識別標志，均為8 ms寬度。

圖1 地震數據采集器時鐘系統模型Fig.1 Clock system model of seismic digizer

EDAS-24GN地震數據采集器內置的IRIG-B碼解碼單元還原IRIG-B碼中的時間信息、GPS位置信息和其他自定義信息，并將信息傳輸給EDAS-24GN地震數據采集器處理器，由處理器進行處理；馴服時鐘系統利用IRIG-B碼的脈沖標志對時鐘振蕩器進行調節，達到校準EDAS-24GN地震數據采集器內部振蕩器的目的。

根據EDAS-2GN地震數據采集器的授時模型可以看出，EDAS-24GN的授時源是GPS模塊，如果使用北斗授時，只需改變該授時源，即可將EDAS-24GN授時模式從GPS改變為北斗授時方式，在硬件設計上容易實現。

2.4 北斗授時模塊與GPS授時模塊通訊協議對比

GPS接收機通用的數據傳輸協議是NMEA-0183協議，NMEA-0183是（National Marine Electronics Association ）為海用電子設備制定的標準數據通訊格式，是一套定義接收機輸出信息的標準格式，最常用的信息格式有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等，每種均為獨立相關的ASCⅡ碼信息，每句信息包括長度從30至100個字符不等的數據流，不同數據流用逗號隔開，包含定位時間、經度、緯度、高程、定位所用衛星數、DOP值、差分狀態和校正時段等。 NMEA協議已成為GPS接收機通用數據輸出格式，同時被用于GPS接收機接口的大多數軟件，并用于大部分采用GPS授時的地震觀測儀器。

北斗授時模塊為了適應用戶需求，繼續采用NMEA協議或者以NMEA協議為基礎來設計自身通訊協議。以和芯星通公司研制的北斗授時模塊為例，該公司研制的U220系列授時模塊使用的通訊協議是在NMEA 3.0 基礎上擴展的北斗導航、授時相關語句版本。

表1中列舉幾種NMEA協議的主要信息格式，U220系列北斗授時模塊的通訊協議保持在每類信息中的數據流格式與NMEA協議一致，只是對數據格式的頭兩個字符做了

擴展，當字符串“$—”是“$GP”時，表示GPS 系統單獨定位，該信息是與GPS衛星同步；當字符串“$—”為“$BD”時，表示北斗系統單獨定位，該信息是與北斗衛星同步；當字符串“$—”為“$GN”時，表示GPS 與北斗系統混合定位，該信息由GPS和北斗衛星聯合提供。

表1 北斗授時模塊與GPS授時模塊通訊協議對比Table 1 The difference of the communication protocol between model of Beidou timing and GPS model

通過對北斗授時模塊、GPS接收機以及EDAS-24GN地震數據采集器軟硬件分析，將EDAS-24GN的授時裝置由GPS授時升級到北斗授時或北斗、GPS雙模授時在技術上并不復雜，由此，改造EDAS-24GN用于授時的外置IRIG-B碼授時模塊，對其編碼程序進行修改，對相應授時策略進行調整，而EDAS-24GN地震數據采集器自身不用改造。

2.5 北斗授時試驗分析

為了測試北斗授時對于地震數據采集器時鐘精度的影響，研制基于北斗授時的IEIG-B碼模塊，為EDAS-24GN地震數據采集器提供授時信號。為進一步測試授時精度，選用2臺EDAS-24GN地震數據采集器進行比測，連接示意見圖2。

由圖2可見，采集器A使用GPS授時，采集器B使用北斗授時，對同一個標準時間信號（帶有時間標志的信號，如原子鐘發出的分脈沖信號、秒脈沖信號）進行采集，并對采集波形進行對比，比較采集器使用不同授時模塊時的時鐘精度差異，分脈沖信號見圖3。由圖3可見：6路數據為2個三通道地震數據采集器（EDAS-24GN）采集的數據波形，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，橫軸表示波形時間長度為2 s。

圖2 使用北斗、GPS授時的地震數據采集器時鐘精度測試示意Fig.2 Diagram of timing accuracy test between Beidou and GPS using in seismic digitizer

圖3 地震數據采集器采集的分脈沖信號Fig.3 Acquisition of minute signal by seismic digizer

在2臺采集器記錄的波形中任意選擇一個分脈沖信號進行比對，比對結果見圖3，兩臺采集器整分時刻采集的分脈沖信號準確，均為15時10分0秒。反之，對原始500

點數據進行分析，對同一個分脈沖信號的整分時刻，2臺采集器所對應的采樣點未發現時間偏差，可見單臺絕對時間和相對時間精度上均優于1 ms。為了進一步驗證實驗結果，把采集器A和采集器B授時模塊互相交換，即采集器A使用北斗授時，采集器B使用GPS授時，進行相同實驗，發現實驗結果一致。

為了考察授時的可靠性，對2臺測試儀器進行長期工作實驗，不間斷工作超過30天，并對觀測數據進行對比，發現GPS授時和北斗授時的儀器在時間上處于同步狀態，對同一個原子鐘輸出的脈沖信號在500點采樣的數據中未發現樣點偏差。

3 結束語

通過對2臺EDAS-24GN地震數據采集器連接不同授時源的對比實驗，發現使用GPS授時和北斗授時，授時絕對精度均優于1 ms，對時間精度無實質性影響。因此，可以把北斗授時作為地震數據采集器的授時源使用。北斗雙模授時可以接收GPS信號及北斗衛星信號，有助于提高地震觀測臺網的授時可靠性?？傊?，對于地震觀測儀器，北斗授時既可以作為單獨的授時源使用，也可以作為GPS授時的補充，能夠很大程度地提高授時可靠性。

本研究得到北京港震機電技術有限公司大力支持，在此表示感謝。

李江，薛兵，等.地震數據采集器關鍵技術研究 [J].地震地磁觀測與研究，2013，34(3/4)：73-76.

馬煦，瞿穩科，韓玉宏，等.衛星導航系統授時精度分析與評估[J].電訊技術，2007，47（2）：112-115.

譚述森.衛星導航定位工程[M].北京：國防工業出版社，2007.

王翠芳，楊曉源，等.地震數據采集器中的GPS授時技術和校時技術[J].地震地磁觀測與研究，2010，31（1）：57-61.

中國地震局監測預報司.數字地震觀測技術[M].北京：地震出版社，2003：140-141.

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，高級工程師，主要從事地震觀測技術研究工作

國家科技支撐計劃專題（編號2012BAF14B12-04）；青年科學基金項目（編號41404142）

本文收到日期：2015-11-26