国际监测系统(IMS)地震台站技术系统*

叶 青 钟卫星

(上海市地震局佘山地震台， 上海201602)



国际监测系统(IMS)地震台站技术系统*

叶 青※钟卫星

(上海市地震局佘山地震台， 上海201602)

介绍构建IMS台网系统地震台站的技术要求， 及其数据传输的通讯协议与通讯系统， 该通讯系统能根据在全球不同区域内对地震数据的不同传输通讯方式， 及时可靠准确地传送地震数据和数据公报。

国际监测系统(IMS)； 地震台站； 通讯协议

引言

为确保《全面禁止核试验条约》得到遵守， 《全面禁止核试验条约组织(Comprehensive Test Ban Treaty Organiztion, CTBTO)筹备委员会临时技术秘书处》建立以国际监测系统(International Monitoring System,IMS)、 磋商与澄清、 现场视察及建立信任措施为主体的国际核查机制[1]。 国际监测系统由地震、 水声、 放射性核素等全球监测网络组成； 建立信任措施主要是指缔约国对大规模化学爆炸进行自愿申报； 磋商与澄清是指缔约国澄清并解决就遵约问题产生的怀疑； 现场视察是指对发生可疑事件的现场进行核查来澄清是否发生了违约核爆炸。

1 IMS地震台站技术要求

1.1 台站仪器要求

国际监测系统(IMS)的三分向地震台站要求从3个正交方向记录宽带地面运动。 这类记录可以使用同时覆盖长周期和短周期频率范围的单个三分向宽带地震仪进行， 也可以分别使用长周期地震仪和短周期地震仪进行。

IMS的地震台阵台站由多个短周期地震仪和三分向宽带仪器组成。 新台阵至少应包括9 个垂直短周期单元和至少1个三分向宽带单元(图1)。

图1 小孔径地震台阵的布局和仪器设备

宽带单元可使用单个宽带仪器， 也可以用一个三分向长周期仪器与一个三分向短周期仪器配合使用。

表1表示了海拉尔台阵(PS12)所用地震仪器列表。 海拉尔台阵的仪器配置也是IMS地震台阵的标准配置， 但海拉尔地震台阵是井下台阵， 仪器为井下摆， 海拉尔台阵分布示意图如图2所示[2]。 地震台站的技术系统如图3所示， 基本和辅助台站技术指标的最低要求如表2所示。 同时观测点基本满足CTBTO/IMS建议的标准， 在5 Hz处垂直向加速度(m/s)2的地噪声功率谱小于-135 dB[3]。 地震仪和数据采集系统设备的噪声指标如图4所示。

表1 海拉尔小孔径地震台阵所用地震计与数据采集器

图2 海拉尔台阵分布示意图

1.2 IMS地震台站设备和基础设施

台阵中台站设备主要由地震计地震波形， 通过数据采集器采集数据， 数据通过通讯设备(主要是台阵内部通讯网络光纤， VHF/UHF 无线， 扩频无线和专用线等)传输， 通过网桥多路复用器传输到局域网数据设备记录中心， 记录中心通过SUN工作站进行浏览波形并存储数据。 另外， 记录中心通过NDC路由器把数据传输到国家数据中心(National Data Center, NDC)， 通过光电扫描器、 IDC路由器和卫星把数据传输到国际数据中心(International Data Center, IDC)。 数据既可以通过NDC传输到IDC，也可直接传输。

图3 IMS地震台站工作原理

图4 地震仪和数据采集系统设备的噪声指标

特性最低限度要求传感器类型地震仪台站类型三分向或台阵(相对于地平面)位置井穴或地穴三分向台站通带a短周期：0．5～16Hz，加上长周期0．02～1Hz或宽带：0．02～16Hz台阵台站通带(短周期：0．5～16Hz，长周期：0．02～1Hz)b新台阵传感器数目c9个短周期(单分向)加上1个短周期(三分向)加上1个长周期(三分向)地震仪噪声≤通带内站址最低地面噪声减10dB标定d通带内振幅5%以内，相对5度以内采样率e≥每秒40次采样e，长周期：≥每秒4次采样系统噪声≤通带内地震仪噪声减10dB分辨率比最低当地地震噪声低18dB动态范围≥120dB绝对计时精度≤10ms相对计时精度阵列单元之间≤1ms工作温度-10℃～+45℃f设备状态拟传输至国际数据中心的状态：时钟、标定、地穴和(或)井穴状态、遥测向国际数据中心传输的延时≤5min数据帧长度短周期：≤10s；长周期：≤30s在台站或国家数据中心的缓冲存储g≥7天数据提供率≥98%数据及时提供率≥97%有工作能力的台站≥80%的单元应能运行

续表2

注： a----现有全球远震台网台站需进一步考虑升级； b----远震台阵的单向分站的上限为8 Hz； c----站址有噪声或需增加工作能力的可增加传感器数目； d----可为此使用单个宽带仪器； e----这适用于三分向和区域台阵， 对于现有远震台阵的三分向传感器需每秒采样40次， 其他传感器每秒采样20次即为合适； f----温度范围应针对某些特定站址进行调整； g----国际监测系统作业手册中应给出确保数据损失和单点故障减至最低限度的缓冲程序。

2 组网

2.1 通讯协议(CD-1.1)

国际上第一个数字交换协议是1995年定义的国际网络协议， 它为GSETT-3(科学专家组第三次技术试验)设计， 并沿用至今。 最初， 它被叫做"alpha"协议， 这在以往的文件中出现过， 并嵌入到很多软件名称中。 现在这个协议叫做CD-1， 由于安装基础好， CD-1被很好地安装并应用数年。

为了适应运行经验和需求的改变， 需要对CD-1进行改善。 为此， 1998年2月12～13日， 在监测研究中心(Center of Monitoring and Research, CMR)召开了非正式的连续数据协议的技术讨论会。 会议报告在1998年8月B组工作会议的第七个议题展示， 随后， 被发布在PTS的ECS网站上以供讨论和建议， CD-1.1格式就是采纳了从网站和其他渠道获得的建议而设计的。

CD-1.1是一种新的数据传输协议， 主要用于从IMS台站传输连续时间数字序列到IDC， 再从IDC传送数据到各国家的NDC。 这个协议被设计用来支持多点传输， 以适应更复杂的数据流格式。

目前， 已经开发出能运行CD-1.1格式的软件， 并于2000年12月发送到IDC。

数据提供者可向数据用户的地址或者端口发送连接请求， 来启动一个连接， 连接请求的接收通过发送地址和端口信息来回复这个连接。 经过第一次握手， 数据提供者开始以帧的方式向指定地点或端口传输连续数据。

2.2 台阵内部通讯协议

实际IMS地震台站运行时， 记录到的数据首先存储到本地工作站的缓冲区， 然后由数据发送程序读取缓冲区中的数据并发送到指定的数据接收方。 数据通过Nanometrics协议RS232到通信设备， 然后到网桥， 而后通过Nanometrics协议的UDP/IP协议把数据传输到局域网的hub， 再由hub通过UDP/IP协议传输到采集计算机， 并由GCI路由器以TCP/IP协议传输到IDC， 以UDP/IP协议传输到NDC[4]。 系统全过程如图5所示。

3 IMS台网通讯系统

IDC的通信设施为位于赤道上方36000 km高处的6个通信卫星， 如图6所示。 各个NDC通过全球通讯基础设施(Global Communication Infrastructure， GCI )， 把数据传送到IDC。

GCI大部分用地面链路和NDC联络， 用MPLS传输协议。 各国的传输方式不一样， 按照条约规定， 辅助台站是按需传输， 而实际上很多辅助台站已经实时传输。 IMS台站与GSN台站有52个重叠台站。 目前84%的IMS基本地震台站和83%的IMS辅助地震台站已经完成认证并临时试运行[5]。

图5 台阵内部通讯协议

图6 全球通信卫星设施示意

以监测数据和分析报告作为它的核心， CTBTO设计的全球警报系统基于一个功能良好的通讯系统， 该通讯系统可以及时、 可靠、 准确地传送数据和数据公报。 GCI就是为了达到这个目的而开发的。

GCI是一个具有全球特征的通讯系统， 它联系着位于维也纳的CTBTO筹备委员会和分布在全球各地的地震台站， 还有所有的CTBT成员国。

GCI 是用来确保IMS系统337个设施的数据准实时传输到位于维也纳的IDC。 在IDC， 数据被处理与分析。 GCI还被用来向成员国发布IMS台站的原始数据和IDC的数据公报。 这些非常详细的信息以使成员国能够确认他们对条约的权利和责任。

3.1 卫星基础技术

GCI是第一个基于甚小孔径天线(VSAT)技术的全球卫星通信网络， 它包含一个地球站、 一个蝶形天线和一个PC界面。 建在地球上的VSAT被称作地球站， 它通过卫星进行通讯。 它采用了一个蝶形天线传送并接收信号， 一个接入PC的接口。

至今已经建立了210多个VSAT链路用以保障IMS监测系统和国家数据中心的通讯。 随着IMS台站的不断建立， 这个数量还在增加。 每个台站需要配置这些通讯设施使它们能够向维也纳的IDC发送数据进行分析。 当几个IMS监测台站联合定位后， 为了所有台站的通讯联系， 它们需要一个VSAT设置。

VSATS联系着在赤道36000 km高上空的6个通讯卫星。 这些通讯卫星与地球的相对位置是不变的， 也就是， 它们绕着地球同步转动。 3个卫星覆盖了大西洋、 太平洋和印度洋地区。 其他3个卫星在北美、 欧洲和北太平洋地区， 用以为北半球提供更有效的覆盖面积。

数据传送是从卫星到地上的三个集线器， 通过卫星地面链路把数据送往维也纳的CTBTO。 其中， 2个集线器在美国， 1个在挪威。

在美国西海岸的集线器传送来自覆盖太平洋、 美国和北太平洋卫星的数据。 位于美国东海岸的集线器传送覆盖大西洋地区卫星的数据， 在挪威的集线器传送覆盖欧洲和印度洋地区卫星的数据。

几个拥有IMS台站的国家首先在他们的领土上通过独立的子网， 把数据从台站传送到国家通讯节点。 从那里， 信息通过平常的卫星和卫星地面链路接通GCI网络。

3.2 基于非卫星系统的数据传送

虽然基于卫星设备的通讯用来传送大量的数据， 但有几种可以替换的通讯方法。 2003年， CTBTO首先检测并开始利用实际私人网络(VPN)技术。 VPN利用公共电信基础设施， 比如互联网， 进行外部用户和机构网络的互联。 应用特殊设计的加密方法维持所需的安全水平， 并阻挡未授权信息的通过。

目前通过VPN连接到GCI网络的大约有30个连接。 位于太平洋和印度洋地区的海啸预警中心用这种配置直接从IMS监测台站接收数据。

3.3 连接遥远的监测台站

一些台站过于遥远， 以至于6个卫星中没有一个可以联络到。 这适用于接近极地地区的台站。

位于南极的辅助地震台站AS114， 就是几个例外中的一个。 台站极端的地理位置(位于南纬90°)不能连接赤道上方任何一个卫星， 因为这些卫星在这个地区的上方是看不见的。

几个可替代的卫星被用来连接这个台站到GCI。 两个环地球卫星位于赤道上方的倾斜轨道上， 一个绕地卫星位于从南极到北极的轨道上。 这三个卫星在遥远的监测台站和GCI网络之间轮流充当中间人角色。

3.4 新服务提供者

为建设、 运行和维护全部的GCI网络， CTBTO委托了一家公司专门负责全球通讯。 前10年的通讯服务合同的有效期到2008年， 新的通讯服务合同目前已经签订。

机构正在把全部的GCI网络基础设施迁移到新的服务商网络中。 这包括换卫星， 把VSAT天线接到新卫星上， 并且在世界各地更多的地方(额外那210个VSAT)安装新的通讯设备。 为新建监测台站的通讯设置已经被植入新网络。

就像以前的台网， 新的GCI台网既要应用地面链路， 又要利用卫星连接。 联合不同成员国独立的子网， 新网络要接通大约100个国家的IMS台站和NDC。

每天通过GCI传送的从监测台站到IDC 和从IDC到成员国的数据卷稳定地增长， 预期能够达到每天26 GB。

3.5 不断增长的数据卷

由于更多的监测台站和NDC加入了全球预警系统， 每天由GCI传送的数据卷稳定地增长。 目前每天由GCI传送的数据卷有16 GB左右。 其中， 7 GB的数据来自监测台站， 向成员国发出去的数据卷包括7 GB。 通过GCI传送的数据卷很快就可达到每天26 GB。

3.6 信息安全

GCI每天的任务是保持世界范围内的联通性， 我们在每一个方面观察到的一个关键的原则是信息安全。 在GCI网络结构中的每个单元都需要达到高标准的数据可用率、 置信度和可靠性。 新的GCI网络包含了高水平的网络安全， 来保障需求的数据完整性和数据可用率， 并提供必要的数据密匙和鉴定。

在监测网络连接的状态时， CTBTO的运行中心是GCI的一个重要的伙伴。 一个特别设计的描绘所谓数据流的网页接口可以到达运行中心。 这个工具显示GCI通讯网络是如何实际工作的。 中断和连接失败可以被确认并被快速确认地址。

4 结束语

国际监测系统(IMS)是在联合国CTBTO组织管理之下， 所有监测设施由这种设施所在国或以其他方式对这种设施负责的国家， 根据议定书的规定拥有和操作。

[1] CTBTO. Comprehensive Nuclear Test-Ban-Treaty (CTBT). (2016-09-27)[2016-10-21]. http:∥www.ctbto.org

[2] 郝春月， 郑重， 郭燕平， 等. 中国数字地震台网(CDSN)和IMS/PS台阵的监测定位能力评估. 地震地磁观测与研究， 2006， 27(2): 56-65

[3] 郑重， 徐智强. 海拉尔兰州核查地震台阵的勘址和地动噪声功率谱的计算. 地震地磁观测与研究， 2000， 21(6): 11-18

[4] 王海军， 王洪， 王娟， 等. IMS地震台站数据模拟发送系统. 核电子学与探测技术， 2005， 25(2): 177-180

[5] 王媛， 石绍柱， 李靓， 等. CTBT国家数据中心概述. 地球物理学进展， 2016(1): 98-102

Technical system of IMS network

Ye Qing, Zhong Weixing

(Sheshan Seismic Station, Earthquake Administration of Shanghai Municipality, Shanghai 201602, China)

The technical requirements on the construction of IMS network system, communication protocol and communication system and its data transmission are introduced in this paper. According to different communications of the data transmission from the regions of the world, the international monitoring system should be established so that the data and data bulletins can be timely and accurately transferred.

International Monitoring System(IMS); seismostation; Global Communication Infrastructure(GCI)

2016-09-28； 采用日期： 2016-10-10。

※通讯作者： 叶青， e-mail: 241698296@qq.com。 基金项目： 地震行业科研专项“中国全球地震台网建设预研(201508007)”资助。

P315；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.11.008

中国全球地震台网建设预研