北斗授时在地震观测技术中的应用

李 江 薛 兵 崔仁胜 林 湛刘明辉 周银兴 高尚华

（中国北京100036中国地震局地震预测研究所地震预测重点实验室）

北斗授时在地震观测技术中的应用

李 江 薛 兵 崔仁胜 林 湛刘明辉 周银兴 高尚华

（中国北京100036中国地震局地震预测研究所地震预测重点实验室）

中国正在实施的北斗卫星导航系统，已经覆盖亚太地区，可以为用户提供高质量的定位、导航和授时服务。本文介绍如何在地震数据采集器中引入北斗授时，并对比分析使用北斗授时和GPS授时的地震数据采集器的数据时间精度，结果发现，绝对精度均优于1 ms，可以利用该授时系统来提高地震观测台站时间服务的可靠性。

地震数据采集器；北斗；时钟精度；授时

0 引言

“十五”期间实施的中国数字地震观测网络工程，建成中国数字测震台网、中国地震前兆台网、中国数字强震动台网。目前，大约有1 000个测震观测台站、300多个前兆观测台站。地震观测台站（包括流动地震观测台站）在运行时均需要时间服务，即需要授时。

从模拟地震观测到数字地震观测，地震事件的时间标识一直是地震观测中的关键技术之一（王翠芳等，2010）。时间同步是测震台站运行、产出有效观测数据的重要保障。在测震台站观测中，一般要求测震台站时钟与UTC标准时间的误差小于10 ms，最好控制在1 ms之内。现行测震台站由地震计（传感器）、数据采集器及网络通信设备等构成，为了提高数据采集的时间精度，在数据采集器内部实现一个高精度的基于温度补偿的高稳定晶体振荡器的本地时钟，用于控制模拟数字转换过程中的采样。数据采集器通过接收GPS接收机提供的授时信号实现与UTC时间同步。

中国测震台网数字化过程中一直使用GPS授时技术。尽管GPS授时的精度能够达到亚微秒级，但实际上地震数据采样率不高，“九五”期间建设的测震台站，采样率为50次每秒，“十五”期间，将微震观测采样率提高到100次每秒（中国地震局监测预报司，2007），强震观测采样率为200次每秒，因此，测震台站授时精度达到毫秒级即可满足要求。大部分用于测震观测的地震数据采集器，将GPS时间同步精度设计在1 ms量级。可见，GPS授时精度能满足地震观测需要。但是，在测震台网运行中，往往发现个别测震台站的时间偏差较大，常达到秒级。主要反映在应用时间偏差较大的台站数据参与地震事件定位时，其残差很大，去掉该台站后，则定位残差立即减小到合理水平。造成地震观测台站时间偏差大的原因较为复杂，可能是设备原因，也可能是GPS信号受到干扰，或者GPS信号接收不良等。

从系统设计可靠性来说，台站观测依赖于单一授时源，无法保证其长期可靠性，在地震观测台站运行中已经反映出来。为了提高地震观测台站时间服务的可靠性，有必要建立冗余授时机制。随着中国北斗授时系统的发展，可以利用该授时系统来提高地震观测台站时间服务的可靠性。

1 北斗授时概况

目前，北斗卫星导航系统已经覆盖亚太地区，具备定位、导航、授时及短报文通信服务能力，为用户提供高质量的定位、导航和授时服务。北斗一号卫星导航系统（简称北斗系统）中卫星主要作为一个转发器使用（谭述森，2007），卫星接收地面站发送的信号，再转发给用户，因此用户接收到的信号在扣除时延后与地面站是一致的。卫星信号是基于地面站原子钟产生的时标，通过每一帧起始信息向用户传送该帧时标的时间（日、时、分）。每一帧信号的时间基准与原子钟产生的时标保持严格的时间关系。用户解出信息中传送的各种时间码，扣除信号传输的时间，修正伪钟差，从而得到精确的协调世界时。信号传输时延的计算是影响北斗授时精度的关键。根据时延的计算方法可分为单向授时和双向授时。单向授时通常应用于已知位置的授时，双向授时利用地面站计算传输时延，再发送给用户机，该方法是有源授时方法，受到用户数量的限制。通过理论分析和实际测量的数据指出，双向授时精度小于20 ns，而单向授时的精度则受到更多因数的影响（马煦等，2007）。在单向授时模式下，用户只需接收北斗广播电文信号，自主获得本地时间与北斗标准时间的钟差，实现时间同步。其中单向授时的精度可以达到100 ns，而且单向授时不用反向传输数据，因此授时装置更简单。另外，单向授时的精度能够满足地震观测要求，更容易得到应用。在定位方面，北斗系统的民用定位精度可达10 m，能够满足一般地震台站对观测点坐标定位的要求。

2 地震数据采集器北斗授时

2.1 北斗授时方案

地震数据采集器的授时系统通常由授时模块和驯服时钟系统组成，授时模块为采集器提供标准的UTC时间信息、位置信息，使得采集器能够获得精确的年、月、日、时、分、秒信息，授时模块还提供一个脉冲信号，可以是秒脉冲也可以是毫秒脉冲信号，主要特点是，每两个脉冲沿之间的时间间隔是精确固定的1 s或者1 ms，地震数据采集器利用此脉冲信号对采集器内部的振荡器进行牵引，消除采集器毫秒级别的误差，并使得地震数据采集器采集的数据和绝对时钟能够精确同步起来。

目前，大部分地震数据采集器采用GPS模块作为授时模块，该授时结构为引入北斗授时带来一些便利，只要北斗授时模块具有输出绝对UTC时间信息和输出精确脉冲信号的这两个功能，就能够为地震数据采集器所用。

以北京港震公司生产的EDAS-24GN地震数据采集器为研究对象，利用北斗授时系统给地震数据采集器提供精确的时间信息，并使得地震数据采集器的内部时钟精度优于1 ms。

2.2 北斗授时模块

随着北斗系统的发展，出现许多专业研制生产北斗授时导航模块的厂家。北斗导航

模块包括单模和多模，单模模块只支持北斗BD2 B1或者其他频点，双模模块同时支持BD B1、GPS L1频点，既可以接收北斗卫星信号，也可以接收GPS卫星信号。

本研究选用和芯星通公司研制生产的UM220 双系统高性能GNSS 模块，该模块能够同时支持BD2 B1、GPS L1频点。UM220 外形尺寸紧凑，采用SMT 表面贴装方式焊接，支持标准取放及回流焊接全自动化集成，适用于规模化生产应用。

2.3 EDAS-24GN地震数据采集器授时系统

EDAS-24GN地震数据采集器授时系统由IRIG-B码授时模块（外置）、IRIG-B码解码单元（内置）和驯服时钟系统（内置）组成。地震数据采集器时钟系统模型见图1（李江等，2013）。其中，IRIG-B码授时模块集成GPS天线、模块和IRIG-B码发生器，IRIG-B码授时模块接收GPS模块输出的时间信息，将其编码为IRIG-B格式的时间信号并输出。IRIG-B格式时间码（简称B码）为国际通用时间格式码，用于时间同步。它是每秒一帧的时间串码，每个码元宽度为10 ms，一个周期包括100个码元，为脉宽编码。码元的“准时”参考点是其脉冲前沿，每帧参考标志由一个位置识别标志和相邻的参考码元组成，宽度为8 ms；每10个码元有一个位置识别标志，均为8 ms宽度。

图1 地震数据采集器时钟系统模型Fig.1 Clock system model of seismic digizer

EDAS-24GN地震数据采集器内置的IRIG-B码解码单元还原IRIG-B码中的时间信息、GPS位置信息和其他自定义信息，并将信息传输给EDAS-24GN地震数据采集器处理器，由处理器进行处理；驯服时钟系统利用IRIG-B码的脉冲标志对时钟振荡器进行调节，达到校准EDAS-24GN地震数据采集器内部振荡器的目的。

根据EDAS-2GN地震数据采集器的授时模型可以看出，EDAS-24GN的授时源是GPS模块，如果使用北斗授时，只需改变该授时源，即可将EDAS-24GN授时模式从GPS改变为北斗授时方式，在硬件设计上容易实现。

2.4 北斗授时模块与GPS授时模块通讯协议对比

GPS接收机通用的数据传输协议是NMEA-0183协议，NMEA-0183是（National Marine Electronics Association ）为海用电子设备制定的标准数据通讯格式，是一套定义接收机输出信息的标准格式，最常用的信息格式有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等，每种均为独立相关的ASCⅡ码信息，每句信息包括长度从30至100个字符不等的数据流，不同数据流用逗号隔开，包含定位时间、经度、纬度、高程、定位所用卫星数、DOP值、差分状态和校正时段等。 NMEA协议已成为GPS接收机通用数据输出格式，同时被用于GPS接收机接口的大多数软件，并用于大部分采用GPS授时的地震观测仪器。

北斗授时模块为了适应用户需求，继续采用NMEA协议或者以NMEA协议为基础来设计自身通讯协议。以和芯星通公司研制的北斗授时模块为例，该公司研制的U220系列授时模块使用的通讯协议是在NMEA 3.0 基础上扩展的北斗导航、授时相关语句版本。

表1中列举几种NMEA协议的主要信息格式，U220系列北斗授时模块的通讯协议保持在每类信息中的数据流格式与NMEA协议一致，只是对数据格式的头两个字符做了

扩展，当字符串“$—”是“$GP”时，表示GPS 系统单独定位，该信息是与GPS卫星同步；当字符串“$—”为“$BD”时，表示北斗系统单独定位，该信息是与北斗卫星同步；当字符串“$—”为“$GN”时，表示GPS 与北斗系统混合定位，该信息由GPS和北斗卫星联合提供。

表1 北斗授时模块与GPS授时模块通讯协议对比Table 1 The difference of the communication protocol between model of Beidou timing and GPS model

通过对北斗授时模块、GPS接收机以及EDAS-24GN地震数据采集器软硬件分析，将EDAS-24GN的授时装置由GPS授时升级到北斗授时或北斗、GPS双模授时在技术上并不复杂，由此，改造EDAS-24GN用于授时的外置IRIG-B码授时模块，对其编码程序进行修改，对相应授时策略进行调整，而EDAS-24GN地震数据采集器自身不用改造。

2.5 北斗授时试验分析

为了测试北斗授时对于地震数据采集器时钟精度的影响，研制基于北斗授时的IEIG-B码模块，为EDAS-24GN地震数据采集器提供授时信号。为进一步测试授时精度，选用2台EDAS-24GN地震数据采集器进行比测，连接示意见图2。

由图2可见，采集器A使用GPS授时，采集器B使用北斗授时，对同一个标准时间信号（带有时间标志的信号，如原子钟发出的分脉冲信号、秒脉冲信号）进行采集，并对采集波形进行对比，比较采集器使用不同授时模块时的时钟精度差异，分脉冲信号见图3。由图3可见：6路数据为2个三通道地震数据采集器（EDAS-24GN）采集的数据波形，上部3道为采集器A采集的波形，下部3道为采集器B采集的波形，横轴表示波形时间长度为2 s。

图2 使用北斗、GPS授时的地震数据采集器时钟精度测试示意Fig.2 Diagram of timing accuracy test between Beidou and GPS using in seismic digitizer

图3 地震数据采集器采集的分脉冲信号Fig.3 Acquisition of minute signal by seismic digizer

在2台采集器记录的波形中任意选择一个分脉冲信号进行比对，比对结果见图3，两台采集器整分时刻采集的分脉冲信号准确，均为15时10分0秒。反之，对原始500

点数据进行分析，对同一个分脉冲信号的整分时刻，2台采集器所对应的采样点未发现时间偏差，可见单台绝对时间和相对时间精度上均优于1 ms。为了进一步验证实验结果，把采集器A和采集器B授时模块互相交换，即采集器A使用北斗授时，采集器B使用GPS授时，进行相同实验，发现实验结果一致。

为了考察授时的可靠性，对2台测试仪器进行长期工作实验，不间断工作超过30天，并对观测数据进行对比，发现GPS授时和北斗授时的仪器在时间上处于同步状态，对同一个原子钟输出的脉冲信号在500点采样的数据中未发现样点偏差。

3 结束语

通过对2台EDAS-24GN地震数据采集器连接不同授时源的对比实验，发现使用GPS授时和北斗授时，授时绝对精度均优于1 ms，对时间精度无实质性影响。因此，可以把北斗授时作为地震数据采集器的授时源使用。北斗双模授时可以接收GPS信号及北斗卫星信号，有助于提高地震观测台网的授时可靠性。总之，对于地震观测仪器，北斗授时既可以作为单独的授时源使用，也可以作为GPS授时的补充，能够很大程度地提高授时可靠性。

本研究得到北京港震机电技术有限公司大力支持，在此表示感谢。

李江，薛兵，等.地震数据采集器关键技术研究 [J].地震地磁观测与研究，2013，34(3/4)：73-76.

马煦，瞿稳科，韩玉宏，等.卫星导航系统授时精度分析与评估[J].电讯技术，2007，47（2）：112-115.

谭述森.卫星导航定位工程[M].北京：国防工业出版社，2007.

王翠芳，杨晓源，等.地震数据采集器中的GPS授时技术和校时技术[J].地震地磁观测与研究，2010，31（1）：57-61.

中国地震局监测预报司.数字地震观测技术[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，高级工程师，主要从事地震观测技术研究工作

国家科技支撑计划专题（编号2012BAF14B12-04）；青年科学基金项目（编号41404142）

本文收到日期：2015-11-26