北斗/GPS雙模分體式地震觀測授時終端的研制

瞿 旻 張 揚 宮 杰 張 敏

1 江蘇省地震局，南京市衛(wèi)崗3號，210014

自中國地震局“十五”項目開展以來，地震觀測儀器已基本實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，并具有各自的時間校正技術(shù)。由于測震觀測儀器對時間精度的要求非常高，因此都配備了GPS授時終端[1-2]；前兆儀器對時間精度要求較低，基本沒有配備實時授時終端，而以時鐘服務(wù)器(NTP)校時或人工設(shè)置為主。隨著地震觀測儀器的不斷發(fā)展、美國在芯片領(lǐng)域的壟斷威脅加大以及北斗系統(tǒng)的不斷完善，將北斗系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)逐步應(yīng)用于我國地震觀測技術(shù)系統(tǒng)是今后的發(fā)展趨勢[3]。

1 地震觀測授時技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)地震臺站配備的測震儀器以北京港震公司、珠海泰德公司和英國Guralp公司的觀測儀器為主，均以GPS系統(tǒng)授時。Guralp公司的測震數(shù)據(jù)采集器型號為CMG-DM24，其授時終端是將陶瓷天線與授時模塊和電路集成在一個外置天線殼內(nèi)，授時終端通過連接線將串口ASCⅡ碼及PPS信號傳輸給數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器對天線信號進(jìn)行解析并與本地時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，以實現(xiàn)校時功能。港震公司當(dāng)前主流數(shù)據(jù)采集器型號是EDAS-24GN，其授時終端亦采取了將授時天線與授時電路集成在一個外置殼內(nèi)的方式，區(qū)別在于通過編碼后將IRIG-B授時信息傳輸給數(shù)據(jù)采集器。這種方式的優(yōu)點在于授時終端和數(shù)采的集成化程度高，避免授時模塊維護(hù)時影響數(shù)據(jù)采集器運行，但對外置授時終端工藝及線路布設(shè)防護(hù)有較高要求。

以江蘇省測震臺網(wǎng)為例，“十五”項目主要配備英國Guralp公司的測震觀測儀器。在日常運維中分析發(fā)現(xiàn)，外置的GPS授時終端故障較多，主要有3種：1)水汽侵蝕導(dǎo)致的故障；2)雷擊故障；3)老型號GPS芯片停產(chǎn)禁用以及時鐘反轉(zhuǎn)風(fēng)險。由于GPS授時終端長期放置在室外，風(fēng)吹日曬并承受酷暑嚴(yán)寒，而電路和模塊對溫濕度要求較高，因此對天線外殼的質(zhì)量和密閉效果有較高要求。根據(jù)江蘇測震臺網(wǎng)運維結(jié)果統(tǒng)計，CMG-DM24數(shù)采的授時終端在室外運行達(dá)3～5 a后，每年有約16.7%(即1/6)的授時終端會出現(xiàn)故障，主要為天線內(nèi)部有積水，導(dǎo)致電路板腐蝕、授時模塊損壞、短路等，短路嚴(yán)重時造成反向損壞數(shù)據(jù)采集器。其主要原因在于,授時終端的外殼出現(xiàn)許多細(xì)小裂縫，日常的溫差變化引起熱脹冷縮，加劇了內(nèi)部的水汽聚集；水汽侵蝕后，GPS授時終端基本不可再用，只有更換，但維護(hù)成本高、周期長。

由于GPS授時終端必須安裝在室外的無遮擋處，以往的安裝方式以固定在地震臺屋頂甚至避雷帶上，由于地震臺所處位置的特殊性，當(dāng)雷雨天氣時，授時終端極易遭雷擊損壞甚至造成數(shù)據(jù)采集器損壞[4]。為避免雷擊，可在室內(nèi)數(shù)采端安裝信號避雷器，因不同廠家儀器的接口定義不同，信號避雷器必須定制，因此市場上可供選擇的產(chǎn)品較少且價格高。進(jìn)口數(shù)采的授時終端單價昂貴、運維成本高，在一定程度上影響了省級地震臺網(wǎng)的自主配備推廣。如采用分體式設(shè)計，在天線與授時模塊之間串聯(lián)通用饋線避雷器，授時終端和避雷器的運維成本將降至十分之一。

2019年因美國GPS系統(tǒng)時鐘反轉(zhuǎn)造成江蘇測震臺網(wǎng)CMG-DM24數(shù)據(jù)采集器時鐘全部為1999年，嚴(yán)重影響了正常觀測。隨后發(fā)現(xiàn)，以往配備的備用授時終端因GPS芯片型號老舊被美國淘汰，實用中一直無法提供正常校時，只有購買新型號芯片的授時終端進(jìn)行替換。出現(xiàn)時鐘反轉(zhuǎn)是因為GPS在設(shè)計時只用10 bit來表征周計數(shù)(WN)，使得WN在0～1 023間循環(huán)，當(dāng)WN由0變?yōu)? 023時將會發(fā)生GPS時鐘反轉(zhuǎn)，周期約為19.7 d；而北斗系統(tǒng)的周計數(shù)(WN)用13 bit表示，反轉(zhuǎn)周期為8 192周(約160 d)，有效規(guī)避了這個問題[5]。可以發(fā)現(xiàn)，使用基于GPS的授時系統(tǒng)需要不斷更新固件或使用新的芯片，受美國控制影響較大，成本也較高。因此，無論是從保障儀器正常運行還是信息安全角度，發(fā)展北斗授時[6]的設(shè)備以提供備選方案都是必要的。

2 授時原理與數(shù)據(jù)協(xié)議

GPS授時模塊通過接收天線同時接收到4顆以上衛(wèi)星信號后，對接收的信息進(jìn)行編碼，提供串口輸出的UTC時間和間隔為1 s的PPS脈沖信號，PPS脈沖前沿與UCT的同步誤差不超過1 ns。北斗授時與GPS授時的原理類似，北斗二代授時模塊PPS精度達(dá)到10 ns，能夠滿足地震觀測的要求，區(qū)別在于天線的接收頻點不同以及輸出信號數(shù)據(jù)的字符擴展不同。GPS L1頻點為1 575±5 mHz，北斗二代B1頻點為1 561±4 mHz。GPS授時模塊輸出的串口時間信息為NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)格式[7]，它定義了接收機輸出的標(biāo)準(zhǔn)信息，分為4種不同格式，均為獨立相關(guān)的ASCⅡ格式，數(shù)據(jù)流通過逗點隔開，數(shù)據(jù)流長度為30～100字符不等，包括定位時間、授時終端經(jīng)緯度、高程、定位所用的衛(wèi)星數(shù)、DOP值、差分狀態(tài)和校正時段、速度、跟蹤日期等，常用的(或者說兼容性最廣的)語句有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等；北斗授時模塊輸出的串口時間信息格式與NMEA-0183一致，區(qū)別在于字符串以“$BD”替代“$GP”。

以CMG-DM24數(shù)采的授時終端為例，其向數(shù)采傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要包含GPGGA(衛(wèi)星定位信息)、GPGSA(衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)信息)、GPGSV(可視衛(wèi)星信息)、GPZDA(UTC時間和日期信息)4種，這些格式數(shù)據(jù)的輸出均可以通過調(diào)試軟件進(jìn)行配置，但這4種格式數(shù)據(jù)對CMG-DM24數(shù)采缺一不可，缺乏任何一種格式數(shù)據(jù)都將引起數(shù)采授時故障或運行故障。這是因為，廠家在數(shù)采生產(chǎn)時已將解析授時數(shù)據(jù)的程序燒寫在數(shù)采工控板上，解析程序嚴(yán)格對照授時終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式進(jìn)行才能使數(shù)采時鐘正確對時。由于不同廠家數(shù)采的授時方式及使用的數(shù)據(jù)格式不盡相同，因此需要將授時終端輸出的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行調(diào)整后方可供對應(yīng)的數(shù)采使用，換言之，如對各廠家數(shù)采的授時數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化要求，即可使用通用的授時終端，但需要進(jìn)一步驗證其可行性。

3 硬件設(shè)計實現(xiàn)

結(jié)合實際經(jīng)驗，采取“天線+電路”的分體式設(shè)計(圖1)。該方式的優(yōu)點是：1)由于外置天線沒有集成電路，不會因微量的水汽聚集造成授時模塊損壞及短路等故障，有較好的防水效果；2)只需在外置天線與機柜內(nèi)的電路裝置之間串聯(lián)接入通用的射頻避雷器，即可起到配置專業(yè)信號避雷器的效果，其技術(shù)實現(xiàn)難度及價格都遠(yuǎn)低于配置專業(yè)的授時避雷器，具備廣泛適用性；3)采用基于北斗/GPS雙模授時模塊[8]，可輸出多種數(shù)據(jù)格式的時間信息。

圖1 授時終端“天線+電路”的分體式設(shè)計Fig.1 Antenna & circuit’s split design of the timing device

CMG-DM24數(shù)據(jù)采集器授時終端的授時模塊為美國天寶公司的Trimble LsaaenlQ-GPS-46240，本設(shè)計使用了國產(chǎn)UM220-ⅢN雙模模塊，除功耗較高外，其他性能指標(biāo)均與LsaaenlQ-GPS-46240處于同一水平或更優(yōu)。授時終端的電路圍繞UM220-ⅢN芯片搭建(圖2)，DC/DC模塊向芯片提供12 V轉(zhuǎn)3.3 V直流電、芯片輸出串口數(shù)據(jù)及PPS信號。

圖2 UM220-ⅢN芯片的電路設(shè)計Fig.2 Circuit design for the chip of UM220-ⅢN

影響外置天線信號質(zhì)量的參數(shù)是增益、駐波比和噪聲系數(shù)，因此應(yīng)選擇增益大、駐波比高、噪聲系數(shù)低的外置天線，以及接口插損小的天饋線避雷器，以滿足UM220-ⅢN模天線增益大于15 dB的要求。本設(shè)計使用的雙模天線噪聲系數(shù)小于等于1.5 dB、駐波比大于等于1.5、放大器增益大于等于38 dB，在使用高質(zhì)量50-3饋線時線損為0.2 dB/m，實際饋線長度可超過30 m，滿足絕大多數(shù)地震臺站布線需求。

對UM220-ⅢN雙模模塊的輸出進(jìn)行配置，串口波特率為4 800，設(shè)置輸出的數(shù)據(jù)語句類型為$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPZDA，PPS信號為TTL電平，其設(shè)置語句格式為“$CFGMSG, msgClass, msgID, rate”，其中msgClass為消息類別，msgID為消息ID，rate為消息頻度，如表1所示。

表1 NMEA消息參數(shù)配置Tab.1 Parameter configuration of NMEA messages

將配置后的授時終端與數(shù)采對接，在Scream軟件的消息窗口中可見到“GPS received”提示符，表明已接收到授時信號。運行40 s左右會出現(xiàn)“XXXsecs error”的提示，為當(dāng)前數(shù)據(jù)采集器的本地時鐘與衛(wèi)星時間的鐘差，再過約1 min后消息窗口提示“Clock sync’d to Reference =>> XXXX XX XX X:XX:XX”的字句時，數(shù)據(jù)采集器的時鐘成功校正為衛(wèi)星授時。

4 IRIG-B碼通信測試

與目前市面上其他型號數(shù)采不同，港震公司EDAS-24G數(shù)采的授時終端提供IRIG-B編碼格式的授時信息[9-10]，由于EDAS-24GN數(shù)采的授時終端性價比高、維護(hù)成本低，且其授時信息中的P5～P7為港震公司自定義段,涉及知識產(chǎn)權(quán)，因此港震公司授權(quán)后只進(jìn)行了編碼調(diào)試，未加入PPS信號與數(shù)采進(jìn)行對接測試。

在之前設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用單片機可將解析出的時間信息按IRIG-B協(xié)議進(jìn)行編碼測試，IRIG時間碼編碼波形見圖3，采用不同占空比的方波來表示“0”或“1”，每一幀可以傳送10個8 bit(或9 bit)的數(shù)，包括BCD編碼的d、h、min、s編碼，1 d內(nèi)二進(jìn)制s計數(shù)值，以及控制bit。每幀由兩個高電平占空比為80%的方波組成，其中第二個方波的上升沿為整秒時刻。

圖3 IRIG-B時間碼波形Fig.3 Time code wave of IRIG-B

數(shù)據(jù)解析后的處理流程如圖4所示,部分?jǐn)?shù)據(jù)判斷程序如下。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Data processing flow

if((G_ccouter < 7) &&(G_cregister == gprmc[G_ccouter]) )G_ccouter++;

else if((G_ccouter >= 7) &&(G_ccouter < 13) )

{ if((G_ccouter == 7) &&(G_cregister == 0x2c) ) G_ccouter=0;

displaybuf[G_ccouter-7] = G_cregister & 0x0f;

G_ccouter++;}

else if((G_ccouter >= 13) &&(G_ccouter < 17) )

G_ccouter++;

else if((G_ccouter == 17) &&(G_cregister == 0x2c) )G_ccouter++;

else if(G_ccouter == 18)

{ G_cantflag = G_cregister;

G_ccouter++;}

5 測試及試運行

將授時終端安裝在南京基準(zhǔn)地震臺，替換原數(shù)采GPS進(jìn)行測試，并在授時終端與外置天線之間串聯(lián)了射頻信號避雷器。測試自2017-02-20開始，安裝不久后記錄到2017-02-24 19：26在江蘇省淮安市金湖縣(33.16°N，119.2°E)發(fā)生的M1.5地震。根據(jù)江蘇測震臺網(wǎng)地震事件編目的結(jié)果，南京臺t-res為-0.3，在合理范圍內(nèi)。表2為2018年期間南京基準(zhǔn)地震臺部分近震編目結(jié)果中Pg與Sg的t-res值，篩除了部分震相不清楚的地震事件。

表2 部分地震編目測試結(jié)果Tab.2 Partial test results of seismic cataloguing

可以看出，除南黃海區(qū)域地震外，其他的t-res值基本在±0.8以內(nèi)，符合觀測要求。而南黃海地震編目結(jié)果中，除南京臺外，其他附近區(qū)域臺站(如江寧、溧水、金壇)的t-res值均偏大，可能與發(fā)震位置、地下構(gòu)造以及定位方法選取有關(guān)。

6 結(jié) 語

基于北斗/GPS雙模的分體式授時終端在設(shè)計上規(guī)避了當(dāng)前地震觀測儀器授時終端存在的缺點，核心部件的選型參照當(dāng)前主流測震觀測儀器的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，通過合理的選型和調(diào)試，可根據(jù)數(shù)采端對授時語句的識別需求進(jìn)行輸出配置，向地震觀測儀器提供精準(zhǔn)的授時信息，還可以向部分地震前兆觀測儀器(如SWY-Ⅱ、SZW-Ⅱ、RTP-Ⅱ，GM4等)提供授時，亦可為將來的前兆通用數(shù)據(jù)采集器提供設(shè)計借鑒。但需要注意的是，盡管授時終端可以提供包括北斗在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)格式輸出，但要完全使用北斗格式進(jìn)行替代，仍需要將數(shù)采端的解析程序進(jìn)行對應(yīng)的修改。此外，本設(shè)計在借鑒現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，理論上授時精度能夠滿足地震觀測需求，但由于測試條件所限，只在固定臺站進(jìn)行了地震事件的震相分析來進(jìn)行驗證，未使用時鐘方波[11]對同型號數(shù)采不同授時終端進(jìn)行對比測試，這也是今后需要進(jìn)一步驗證和檢驗的。