2021, Vol. 41
自中国地震局“十五”项目开展以来，地震观测仪器已基本实现数字化、网络化，并具有各自的时间校正技术。由于测震观测仪器对时间精度的要求非常高，因此都配备了GPS授时终端[1-2]；前兆仪器对时间精度要求较低，基本没有配备实时授时终端，而以时钟服务器(NTP)校时或人工设置为主。随着地震观测仪器的不断发展、美国在芯片领域的垄断威胁加大以及北斗系统的不断完善，将北斗系统相关技术逐步应用于我国地震观测技术系统是今后的发展趋势[3]。
1 地震观测授时技术现状目前国内地震台站配备的测震仪器以北京港震公司、珠海泰德公司和英国Guralp公司的观测仪器为主，均以GPS系统授时。Guralp公司的测震数据采集器型号为CMG-DM24，其授时终端是将陶瓷天线与授时模块和电路集成在一个外置天线壳内，授时终端通过连接线将串口ASCⅡ码及PPS信号传输给数据采集器，数据采集器对天线信号进行解析并与本地时钟进行校准，以实现校时功能。港震公司当前主流数据采集器型号是EDAS-24GN，其授时终端亦采取了将授时天线与授时电路集成在一个外置壳内的方式，区别在于通过编码后将IRIG-B授时信息传输给数据采集器。这种方式的优点在于授时终端和数采的集成化程度高，避免授时模块维护时影响数据采集器运行，但对外置授时终端工艺及线路布设防护有较高要求。
以江苏省测震台网为例，“十五”项目主要配备英国Guralp公司的测震观测仪器。在日常运维中分析发现，外置的GPS授时终端故障较多，主要有3种：1)水汽侵蚀导致的故障；2)雷击故障；3)老型号GPS芯片停产禁用以及时钟反转风险。由于GPS授时终端长期放置在室外，风吹日晒并承受酷暑严寒，而电路和模块对温湿度要求较高，因此对天线外壳的质量和密闭效果有较高要求。根据江苏测震台网运维结果统计，CMG-DM24数采的授时终端在室外运行达3~5 a后，每年有约16.7%(即1/6)的授时终端会出现故障，主要为天线内部有积水，导致电路板腐蚀、授时模块损坏、短路等，短路严重时造成反向损坏数据采集器。其主要原因在于, 授时终端的外壳出现许多细小裂缝，日常的温差变化引起热胀冷缩，加剧了内部的水汽聚集；水汽侵蚀后，GPS授时终端基本不可再用，只有更换，但维护成本高、周期长。
由于GPS授时终端必须安装在室外的无遮挡处，以往的安装方式以固定在地震台屋顶甚至避雷带上，由于地震台所处位置的特殊性，当雷雨天气时，授时终端极易遭雷击损坏甚至造成数据采集器损坏[4]。为避免雷击，可在室内数采端安装信号避雷器，因不同厂家仪器的接口定义不同，信号避雷器必须定制，因此市场上可供选择的产品较少且价格高。进口数采的授时终端单价昂贵、运维成本高，在一定程度上影响了省级地震台网的自主配备推广。如采用分体式设计，在天线与授时模块之间串联通用馈线避雷器，授时终端和避雷器的运维成本将降至十分之一。
2019年因美国GPS系统时钟反转造成江苏测震台网CMG-DM24数据采集器时钟全部为1999年，严重影响了正常观测。随后发现，以往配备的备用授时终端因GPS芯片型号老旧被美国淘汰，实用中一直无法提供正常校时，只有购买新型号芯片的授时终端进行替换。出现时钟反转是因为GPS在设计时只用10 bit来表征周计数(WN)，使得WN在0~1 023间循环，当WN由0变为1 023时将会发生GPS时钟反转，周期约为19.7 d；而北斗系统的周计数(WN)用13 bit表示，反转周期为8 192周(约160 d)，有效规避了这个问题[5]。可以发现，使用基于GPS的授时系统需要不断更新固件或使用新的芯片，受美国控制影响较大，成本也较高。因此，无论是从保障仪器正常运行还是信息安全角度，发展北斗授时[6]的设备以提供备选方案都是必要的。
2 授时原理与数据协议GPS授时模块通过接收天线同时接收到4颗以上卫星信号后，对接收的信息进行编码，提供串口输出的UTC时间和间隔为1 s的PPS脉冲信号，PPS脉冲前沿与UCT的同步误差不超过1 ns。北斗授时与GPS授时的原理类似，北斗二代授时模块PPS精度达到10 ns，能够满足地震观测的要求，区别在于天线的接收频点不同以及输出信号数据的字符扩展不同。GPS L1频点为1 575±5 mHz，北斗二代B1频点为1 561±4 mHz。GPS授时模块输出的串口时间信息为NMEA-0183标准格式[7]，它定义了接收机输出的标准信息，分为4种不同格式，均为独立相关的ASCⅡ格式，数据流通过逗点隔开，数据流长度为30~100字符不等，包括定位时间、授时终端经纬度、高程、定位所用的卫星数、DOP值、差分状态和校正时段、速度、跟踪日期等，常用的(或者说兼容性最广的)语句有＄GPGGA、＄GPGSA、＄GPGSV、＄GPRMC、＄GPVTG、＄GPGLL等；北斗授时模块输出的串口时间信息格式与NMEA-0183一致，区别在于字符串以“＄BD”替代“＄GP”。
以CMG-DM24数采的授时终端为例，其向数采传输的数据主要包含GPGGA(卫星定位信息)、GPGSA(卫星PRN数据信息)、GPGSV(可视卫星信息)、GPZDA(UTC时间和日期信息)4种，这些格式数据的输出均可以通过调试软件进行配置，但这4种格式数据对CMG-DM24数采缺一不可，缺乏任何一种格式数据都将引起数采授时故障或运行故障。这是因为，厂家在数采生产时已将解析授时数据的程序烧写在数采工控板上，解析程序严格对照授时终端传输的数据格式进行才能使数采时钟正确对时。由于不同厂家数采的授时方式及使用的数据格式不尽相同，因此需要将授时终端输出的数据格式进行调整后方可供对应的数采使用，换言之，如对各厂家数采的授时数据进行标准化要求，即可使用通用的授时终端，但需要进一步验证其可行性。
3 硬件设计实现结合实际经验，采取“天线+电路”的分体式设计(图 1)。该方式的优点是：1)由于外置天线没有集成电路，不会因微量的水汽聚集造成授时模块损坏及短路等故障，有较好的防水效果；2)只需在外置天线与机柜内的电路装置之间串联接入通用的射频避雷器，即可起到配置专业信号避雷器的效果，其技术实现难度及价格都远低于配置专业的授时避雷器，具备广泛适用性；3)采用基于北斗/GPS双模授时模块[8]，可输出多种数据格式的时间信息。
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图 1 授时终端“天线+电路”的分体式设计 Fig. 1 Antenna & circuit's split design of the timing device |
CMG-DM24数据采集器授时终端的授时模块为美国天宝公司的Trimble LsaaenlQ-GPS-46240，本设计使用了国产UM220-ⅢN双模模块，除功耗较高外，其他性能指标均与LsaaenlQ-GPS-46240处于同一水平或更优。授时终端的电路围绕UM220-ⅢN芯片搭建(图 2)，DC/DC模块向芯片提供12 V转3.3 V直流电、芯片输出串口数据及PPS信号。
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图 2 UM220-ⅢN芯片的电路设计 Fig. 2 Circuit design for the chip of UM220-ⅢN |
影响外置天线信号质量的参数是增益、驻波比和噪声系数，因此应选择增益大、驻波比高、噪声系数低的外置天线，以及接口插损小的天馈线避雷器，以满足UM220-ⅢN模天线增益大于15 dB的要求。本设计使用的双模天线噪声系数小于等于1.5 dB、驻波比大于等于1.5、放大器增益大于等于38 dB，在使用高质量50-3馈线时线损为0.2 dB/m，实际馈线长度可超过30 m，满足绝大多数地震台站布线需求。
对UM220-ⅢN双模模块的输出进行配置，串口波特率为4 800，设置输出的数据语句类型为＄GPGGA、＄GPGSA、＄GPGSV、＄GPZDA，PPS信号为TTL电平，其设置语句格式为“＄CFGMSG, msgClass, msgID, rate”，其中msgClass为消息类别，msgID为消息ID，rate为消息频度，如表 1所示。
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表 1 NMEA消息参数配置 Tab. 1 Parameter configuration of NMEA messages |
将配置后的授时终端与数采对接，在Scream软件的消息窗口中可见到“GPS received”提示符，表明已接收到授时信号。运行40 s左右会出现“XXXsecs error”的提示，为当前数据采集器的本地时钟与卫星时间的钟差，再过约1 min后消息窗口提示“Clock sync’d to Reference =>> XXXX XX XX X:XX:XX”的字句时，数据采集器的时钟成功校正为卫星授时。
4 IRIG-B码通信测试与目前市面上其他型号数采不同，港震公司EDAS-24G数采的授时终端提供IRIG-B编码格式的授时信息[9-10]，由于EDAS-24GN数采的授时终端性价比高、维护成本低，且其授时信息中的P5~P7为港震公司自定义段, 涉及知识产权，因此港震公司授权后只进行了编码调试，未加入PPS信号与数采进行对接测试。
在之前设计的基础上，利用单片机可将解析出的时间信息按IRIG-B协议进行编码测试，IRIG时间码编码波形见图 3，采用不同占空比的方波来表示“0”或“1”，每一帧可以传送10个8 bit(或9 bit)的数，包括BCD编码的d、h、min、s编码，1 d内二进制s计数值，以及控制bit。每帧由两个高电平占空比为80%的方波组成，其中第二个方波的上升沿为整秒时刻。
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图 3 IRIG-B时间码波形 Fig. 3 Time code wave of IRIG-B |
数据解析后的处理流程如图 4所示, 部分数据判断程序如下。
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图 4 数据处理流程 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 测试及试运行将授时终端安装在南京基准地震台，替换原数采GPS进行测试，并在授时终端与外置天线之间串联了射频信号避雷器。测试自2017-02-20开始，安装不久后记录到2017-02-24 19：26在江苏省淮安市金湖县(33.16°N，119.2°E)发生的M1.5地震。根据江苏测震台网地震事件编目的结果，南京台t-res为-0.3，在合理范围内。表 2为2018年期间南京基准地震台部分近震编目结果中Pg与Sg的t-res值，筛除了部分震相不清楚的地震事件。
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表 2 部分地震编目测试结果 Tab. 2 Partial test results of seismic cataloguing |
可以看出，除南黄海区域地震外，其他的t-res值基本在±0.8以内，符合观测要求。而南黄海地震编目结果中，除南京台外，其他附近区域台站(如江宁、溧水、金坛)的t-res值均偏大，可能与发震位置、地下构造以及定位方法选取有关。
6 结语基于北斗/GPS双模的分体式授时终端在设计上规避了当前地震观测仪器授时终端存在的缺点，核心部件的选型参照当前主流测震观测仪器的标准执行，通过合理的选型和调试，可根据数采端对授时语句的识别需求进行输出配置，向地震观测仪器提供精准的授时信息，还可以向部分地震前兆观测仪器(如SWY-Ⅱ、SZW-Ⅱ、RTP-Ⅱ，GM4等)提供授时，亦可为将来的前兆通用数据采集器提供设计借鉴。但需要注意的是，尽管授时终端可以提供包括北斗在内的多种数据格式输出，但要完全使用北斗格式进行替代，仍需要将数采端的解析程序进行对应的修改。此外，本设计在借鉴现有技术的基础上进行了改进，理论上授时精度能够满足地震观测需求，但由于测试条件所限，只在固定台站进行了地震事件的震相分析来进行验证，未使用时钟方波[11]对同型号数采不同授时终端进行对比测试，这也是今后需要进一步验证和检验的。
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