分布式無線地震數據采集同步技術研究

榮文鉦,沈 統,呂中云,江 山,郭 磊

(1.西南科技大學 核廢物與環境保護國防重點學科實驗室, 四川 綿陽 621010; 2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室, 成都 610059)

分布式無線地震數據采集同步技術研究

榮文鉦1,2,沈 統1,2,呂中云1,2,江 山1,2,郭 磊1,2

(1.西南科技大學 核廢物與環境保護國防重點學科實驗室, 四川 綿陽 621010; 2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室, 成都 610059)

針對目前分布式無線地震數據采集中由于采集節點增多、無線傳輸延時等因素導致的各采集節點間數據采集同步精度不高的問題，研究并設計了一種針對分布式無線數據同步采集中各個節點同步授時以及對采集數據包進行精確時間標記的方案;采用GPS(Global Positioning System)授時技術對各個采集節點時鐘進行授時，同時利用GPS精準的秒脈沖對本地壓控晶振器頻率誤差進行實時修正;采用在地震采集數據包中加入精確的時間戳信息的方法，保證了各個節點間同步誤差限制在0.1 μs以內；即使在GPS失效的情況下，壓控晶振器和計數器聯合作用仍可保證各節點同步采集穩定工作6小時。

分布式地震數據采集;GPS時鐘授時;壓控晶振;采集同步;精確時間戳

0 引言

在分布式無線地震數據采集系統中，各個采集節點通過無線的方式與采集中心主節點進行通信，由主節點控制各個采集節點的數據采集與傳輸。為了保證采集中心與各個采集節點信息交互的實時性，系統中各個采集節點的時鐘需要保持高度同步[1-2]。分布式地震數據系統中，各個采集節點位置較為分散，每個節點擁有自身的獨立實時時鐘。由于各個采集節點間由于自身實時時鐘晶體振蕩器的精度與穩定度差異，各個節點間時鐘存在較大的偏差，此時就需要對各個節點的時鐘進行同步，保證各個采集節點間通信及數據傳輸的實時性[3-6]。

在目前的分布式系統中，時間同步主要分為軟件時間同步及硬件時間同步兩種，軟件同步方式已經有許多較為成熟的時間同步方法，例如網絡時間協議(NTP-Network Time Protocol)、簡單網絡時間協議(SNTP-Simple Network Time Protocol)、PTP時鐘同步協議(Precision Time Protocol)等。其中前兩種同步方式在因特網中已經得到廣泛的應用，其同步精度可以達到毫秒級，最后的PTP時鐘同步協議主要利用各個節點通過發送報文的方式進行時間延時測量與補償，在低負載的網絡環境中理論同步精度可以達到亞微秒級，但是存在信道不對稱、網絡組件及協議堆棧延遲、時鐘晶體振蕩器的漂移及穩定性差異等都會影響其時鐘同步精度[5-8]。

隨著GPS授時技術的不斷發展，其接收機的成本不斷降低，GPS授時技術逐漸應用到地震數據采集節點的授時中。其不同接收機之間的1 PPS脈沖信號同步性有效控制在30 ns以內，因此利用其時間碼的輸出以及高精度的1 PPS信號對分布式無線地震數據采集中各個節點的本地時鐘進行同步授時,使得各個節點之間的時間可以達到更好的同步精度，同時也省去了網絡軟件同步方式繁瑣的延時估算與補償[9-10]。

本文主要針對基于GPS授時技術在分布式無線地震數據采集中的節點時間同步方式展開研究，首先對分布式地震數據采集系統工作流程進行簡要的介紹，然后介紹了GPS授時技術的原理以及對實現GPS授時的方式進行了詳細介紹，同時針對提出了一種在地震數據采集過程中加入硬件時間戳的方式、以及本地時鐘的電壓控制晶體振蕩器不穩定性進行實時調節，討論了在GPS信號丟失的情況下通過AD9548鎖相環芯片對GPS的1PPS信號在一定時間內進行保持，保證各個節點的時間同步精度。為分布式無線地震數據采集中節點間時間同步提供了一種有效的解決方式。

2 系統方案設計

分布式地震數據采集系統基本結構如圖1所示，主要由采集中心和采集節點兩部分組成。采集中心主要功能為實現對各個節點命令及數據收發、數據處理、數據存儲。采集節點內包含兩部分：三分量地震數據的高精度采集、地震數據的時間標記。

圖1 地震數據采集基本結構

采集中心與各采集節點采用無線通信的方式進行數據及命令傳輸。數據采集各節點外加本地授時機用于數據采集過程中對地震數據進行時間標記，這樣時傳回采集主機的數據具備時間信息，方便采集主機對各部分數據進行同步處理。

3 本地授時機設計

3.1 GPS授時原理

全球定位系統(globe positioning system， GPS)是一種結合衛星及通信發展技術，利用導航衛星進行測時和測距。

GPS由24可衛星組成，其主要功能為向用戶發動偽距和載波信號，用戶經過GPS接收機接收衛星信號進行進一步處理提供導航定位服務。除此之外，由于具有高穩定性的原子時鐘，也可為用戶提供授時服務。其載波頻率為L1(1575.42 MHz)和L2(1227.60 MHz)兩種頻率發射載波信號，可以通過設計不同的接收機對其信號進行接收[12-14]。

3.2 GPS接收電路設計

GPS接收電路總體結構如圖2所示：主要由天線單元、接收單元、電源三大部分組成。

圖2 GPS接收機基本結構

3.2.1 天線單元

天線單元主要由接收天線、前置放大電路及頻換器組成。其主要作用是降GPS微弱的電磁波信號轉換成相應的電流信號，再經過放大變頻后將穩定的信號輸送給接收單元。

3.2.2 接收單元

接收單元主要由信號通道、存儲器、微處理器及電源等4部分組成。信號通道是接收機核心部分，主要負責對衛星信號進行解碼、解調等功能。存儲器主要功能為暫存接收機采集到的偽距、載波等信息數據。微處理器主要功能為協調整個接收機工作，主要有接收機自檢、衛星搜索、計算位置及方位角信息、輸出GPS數據信息等功能。

GPS接收電路核心采用VK1612U8M3LF低功耗GPS接收模塊，該模塊具有靈敏度高、功能全面等特點。該模塊接收頻率為L1頻段(1 575.42 MHz)，時間輸出精度可達30 ns，具有良好的授時精度。接收電路如圖3所示，模塊外接3.3 V備用紐扣電池，保證了模塊在外部電源短時失效情況下能繼續保持穩定的工作，同時接收芯片將固定格式的時間位置信息碼以串口通信的方式傳輸至主控芯片，TIMEPUSE引腳在接收信號有效時將輸出脈沖寬度為100 ms的高精度1 PPS脈沖信號。

圖3 GPS接收電路

3.3.3 GPS本地時鐘授時設計

如圖4所示，GPS本地授時主要由GPS接收機和主控MCU兩部分構成。GPS接收機通過天線將GPS信號轉換為標準的1 PPS信號，同時將時間、位置等信息通過串行數據通信的方式與MCU進行通信。MCU以中斷的方式對1 PPS信號及串口數據進行接收處理，以固定周期的方式通過解析的時間信息對本地時鐘進行授時。由于采用本地GPS對本地時鐘進行授時的方式進行授時，短時間的GPS信號丟失的情況下對本地RTC時鐘仍然可以保持良好的精度。

圖4 本地時鐘授時框圖

本地授時機MCU主控芯片選用ST(意法半導體)生產的基于ARM Cortex-M4架構的STM32F405高性能微控制器，該控制器最高處理速度可達168 MHz，同時兼備本地RTC實時時鐘功能。在本地授時機中的GPS接收機在接收信號穩定之后，接收機根據NEMA 0183的標準規范，將時間、位置、速度等信息通過串口通信的方式傳輸至MCU主控芯片。GPS接收機輸出的GPRMC語句中包含了定位的日期、時間、以及經緯度信息，數據格式為：GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*<13>，

其中<1>-UTC時間，hhmmss.ss(時分秒)格式，<2>-定位狀態：A=有效定位，B=無效定位，<3>-緯度ddmm.mmmmm(度分格式)，<4>-緯度半球：N(北半球)或S(南半球)，<5>-經度dddmm.mmmmm(度分格式)，<6>-經度半球：E(東經)，W(西經)，<7>-地面速率(000.0-999.9節)，<8>-地面航向(000.0-359.9度)，<9>-UTC日期，ddmmyy(日月年)格式，<10>-磁偏角(000.0-180.0°)，<11>-磁偏角方向：E(東)，W(西)，<12>-模式指示，<13>-校驗和。

本地授時機的授時作流程如圖5所示，GPS接收機在接收到信號后將時間信息以串口通信的方式傳輸至MCU，MCU對時間數據采用中斷的方式接收，接收到數據后進入串口中斷，首先判斷是否需要更新時間(判斷是否到達更新周期)，在判定需要進行時間更新時判斷接收數據頭是否為GPRMC，若為GPRMC則將對應的數據包存入緩存進一步處理，然后從緩存數據中提取出定位狀態判定數據是否有效，若有效將提取出時間信息對本地RTC時鐘進行更新，若無效則退出本次中斷。

圖5 本地時鐘授時程序流程圖

4 無線數據采集節點校時

在無線地震數據采集中，各個無線數據采集節點采用32.768 K的晶體振蕩器進行本地時間計數。隨著時間的推移，由于晶體振蕩器的差別會導致各個節點之間的時鐘存在累積誤差，這將造成各個節點的時間不同步、同步精度不高的問題。

因此，為了更好地解決各個節點的本地時鐘同步的問題，采用頻率可調的電壓控制晶體振蕩器對本地時鐘晶振頻率進行實時測量與調節，將各個節點的本地時鐘控制在有限的誤差范圍內。

如圖6所示，節點校時主要過程為通過GPS產生的高精度1PPS脈沖對本地時鐘晶振頻率進行秒間計數，并根據計數結果對本地時鐘頻率進行實時校準，校準方式采用DAC電壓調節的方式對本地晶振進行頻率調整。理想情況下，32.768 K的晶振在1 s間隔內其計數值為32 768，通過秒間計數器計數值判斷將本地晶體振蕩器的頻率進行調高或者調低。如果計數值小于32 768，則可認為頻率過慢，適當增加晶體振蕩器頻率，反之則增加晶體振蕩器頻率，采用動態頻率調節方法可有效的將本地晶振頻率控制在有限的誤差范圍內。

圖6 本地校時過程

考慮到GPS信號不穩可能導致的1 PPS信號失效的情況，采用了本地鎖相環技術，本地鎖相環在1 PPS信號的丟失情況下一定時間內產生高精度的1 PPS信號，使本地時鐘校準能繼續進行，有效保證各個節點的時鐘同步精度。數字鎖相環芯片AD9548為GPS 1 PPS脈沖信號進行同步，PLL能減少與外部基準有關的輸入時間抖動或者相位噪聲，在工作環境穩定的情況下可有效的工作至少6個小時以上。

5 地震數據硬件時間戳標記

在分布式地震數據采集中如何給分布式地震數據打上精準的時間標記成為了分布式地震數據同步采集中研究的關鍵問題。

系統工作時，MCU首先對外部GPS接收信號進行解析，在確認GPS將本地時鐘同步完成之后，整個時鐘標記系統開始運行。系統運行時，標記時間由GPS接收機以1秒的標準間隔輸出秒級的時間信息，為了得到更加精確的微秒級信息，在每次1 PPS脈沖信號到來時觸發MCU內部32位計數器對外部壓控晶振輸出的10 MHz脈沖信號下降沿進行計數，每個脈沖換算成時間單位即為0.1 μs，在外部設備需要進行時間標記時將發出觸發信號，此時時間標記系統立即鎖定計數器數值N及GPS輸出的秒級時間信息。

圖7 時間標記系統圖

6 系統測試

系統對兩個節點的1 PPS信號以及處理器中斷處理延時進行了實際測試，具體結果如圖8、圖9所示。

兩個GPS接收機在接收信號良好的情況下，對兩個產生的1 PPS脈沖進行測量，通過測量結果可以看出，兩個GPS接收機之間產生的1 PPS信號存在30 ns左右的時間延遲。

同時對處理器引腳的響應時間進行了測試，在上升沿觸發中斷的情況下，其響應時間在0.13 μs左右，這個時間相對比較固定，可以在后面的軟件處理中進行補償。

如表1所示，采用8組采集節點輸入同一個脈沖信號，在輸入時對此時刻的鎖存住此時計數器值，并輸出GPS秒事件信息，通過秒時間信息與計數器值進行組合得到最終的時間結果，其測試結果如下表所示，測試結果表明各個節點在同一時

圖8 處理器中斷響應延時圖9 GPS接收機1PPS延時

刻輸入信號的情況下，由于存在相互之間的時間平均誤差水平在0.1μs以內。

表1 多節點時鐘時鐘測試

7 結束語

綜上所述，采用GPS授時技術在地震數據采集同步中具有較高的精度，相比于傳統的網絡授時方法使各個節點的同步精度提高了一個數量級。通過這樣的采集同步方式，可降低在分布式多道、高分辨率地震數據采集系統中數據實時傳輸的壓力，為分布式無線地震數據采集中節點增多及數據無線傳輸延時導致的同步精度不高的問題提供了一種有效的解決方案。

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Study of Synchronization Technology of Distributed Wireless Seismic Data Acquisition

Rong Wenzheng1,2, Shen Tong1,2, Lv Zhongyun1,2, Jiang Shan1,2, Guo Lei1,2

(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, China; 2.Fundamental Science on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory,Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

Low synchronization precision of data acquisition is an annoying problem in distributed wireless seismic data acquisition due to the increasing of the acquisition nodes and wireless transmission delay. In order to solve this problem, what is put forward is that a scheme of synchronized timing to each node for the synchronous acquisition of the distributed wireless data and accurate time tagging on data packets. In this scheme, GPS (Global Positioning System) timing technology is utilized to issue the real time to the clock on each node for data acquisition, and GPS precise second pulse is also used to correct frequency error of local voltage controlled crystal oscillator so as to suppress the cumulative errors caused by non-synchronization between the nodes. By adding the time stamp information accurately in the seismic data acquisition, ensure that each node between the time synchronization error is limited within 0.1 μs. Even if the GPS signal loss, voltage controlled crystal oscillator and a counter joint action can ensure each node synchronous acquisition stable work 6 hours.

distributed seismic data acquisition;GPS clock timing; voltage controlled constant temperature crystal oscillator;synchronization acquisition; precise time stamp

2016-08-24；

2016-10-13。

獲得國家自然科學基金重大科研儀器設備研制專項(41227802)；四川省科技支撐計劃(2014JY0221)。

榮文鉦(1991-)，男，在讀碩士研究生，主要從事地球物理勘探儀器設備的開發。

1671-4598(2017)02-0134-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.037

TP18

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