2017, Vol. 38
中国进入21世纪以来已发生2次8级以上巨震，其中2008年汶川8.0级地震，造成巨大的人员伤亡和经济损失。当时由于对地震的破坏程度和空间分布不了解，导致许多重灾区错过地震救援的最佳时间（张晁军等，2010）。中国地震局监测预报司在全国地震烈度速报及预警技术专题研讨会议上，提出把中强以上地震、尤其是巨灾大震的烈度速报作为重点问题进行研究。目前中国强地震动观测台网布设的部分强震动观测仪已经具有计算地震烈度的功能，并可以通过远程通讯系统，在1—2 min内将仪器烈度发送回监控中心（徐扬，2007；吴华灯等，2008）。但是从汶川8.0级和青海玉树7.2级等地震经验可知，在破坏性地震发生后，常规通讯设施受地震作用损毁或当地人员集中使用等因素，会发生信息传输中断或不畅现象，进而导致地震烈度速报结果不能及时传输到抗震应急部门，影响地震救援行动的开展（周挚等，2005）。而在地面通信网络数据传输不畅时，卫星通信具有的在覆盖区域内无通信盲区、不受距离和地形的限制、不依赖地面通信条件等独特优势，可确保在任何情况下及时、快速、可靠、稳定地实现数据通信。本文将探讨卫星通信在地震烈度速报系统中的应用方式。
1 卫星通信系统选取由于卫星通信使用成本较高，所以作为地震烈度速报数据传输常规通信手段中断后的应急手段，其特点是数据量小，但需一直占用卫星信道资源。目前中国开展使用的卫星通信系统分别有：①铱卫星系统：由围绕地球运作的66个通信卫星组成，一种利用低轨道卫星群实现全球卫星移动通信的方案（Iridium Satellite LLC，2007）；②北斗卫星系统：中国独立发展、自主运行的全球卫星导航系统，既具备GPS和伽利略系统功能，又具备短报文通信功能；③海事卫星系统：使用DAMA系统，利用34 MHz带宽频率资源，提供通信终端服务业务，是一个成功的商用DAMA同步卫星通信系统；④VSAT卫星系统：甚小口径终端（VSAT），是一种微型地面站，使用卫星通信领域的新研究成果，让用户接入稳定的卫星通信。
根据地震烈度速报数据传输特点和各系统参数性能、建设投入对比（表 1），本文选择铱星的短消息模式和海事卫星的数据流模式作为实验系统通讯方式。
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表 1 系统参数特性及建设投入对比 Tab.1 Comparison of system parameter characteristics and construction investment |
将国产强震仪通过路由器与通信系统相连组成简易实验系统，实验系统示意见图 1。通讯系统由选定卫星调制解调器模块及3G无线通信模块组成，卫星网络同3G网络互备，3G链路为主通道，优先级较高，在网络发生故障时，路由器内部启动设定检测机制，如果当前ping包延时较大或丢包率较高，则主动切换至卫星网络，保障传输通道正常运行。当3G网络恢复正常时，设备会自动切换回3G通道，高带宽保障数据的稳定传输。
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图 1 系统示意 Fig.1 Schematic diagram of the system |
目前卫星链路、3G链路网络IP地址规划均不同，为了保障地震数采设备数据同中心端数据的交互，采用L2TP隧道技术，将2种网络均拨入指挥中心Cisco路由器，获得统一地址段，并通过RIP（路由自动学习）协议，及时更新两侧路由。路由器同步更新见图 2。在设备端利用强震仪串口与路由器同步信息进行交互，串口交互见图 3。
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图 2 路由器更新 Fig.2 Router update |
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图 3 强震仪串口交互信息 Fig.3 Serial communication information of strong motion recorder |
强震仪记录事件读取流程如下。路由器通过串口，每隔1 s向强震仪发出FE指令，读取强震仪内存中的文件列表，获取最新记录的摘要信息，并把摘要信息（三通道峰值、仪器号等）通过卫星模块上发至指定网络地址。通讯模块读取事件记录信息流程见图 4。
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图 4 通讯模块读取事件记录信息流程 Fig.4 Communication module reads event recording information flow |
根据地震烈度速报数据传输特点，选取铱星的短消息模式和海事卫星的数据流模式进行测试。测试过程如下：假定常规通讯信号中断，将卫星终端通过路由器与数字强震仪RS232接口相连接形成交互；在外部模拟一个地震，使强震仪记录到一个事件；路由器发送FE命令调取强震仪内存中的文件列表，检查是否有新的事件文件产生，并将新记录事件中地震信息形成一个文本，由卫星终端发送至指定服务器。
（1）短消息方式，选取铱星系统进行测试。借助铱星通信网络，强震仪将产生的文件通过铱星短信息模块（SBD模块）发送到互联网，经互联网推送消息给指定用户。
在服务器端，检查是否有新的推送消息。如果有新消息，那么读取并得到消息内容，示例见图 5。
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图 5 消息格式 Fig.5 Message format |
每个卫星模块拥有唯一设备号，可以通过该设备号识别新消息中的3通道最大值、烈度值等信息。
（2）数据流方式，选取海事卫星系统进行测试。通过海事卫星系统将强震仪系统数据流通过路由器接入互联网，中心端使用软件平台登录互联网接收数据信息，回收的数据信息见图 6。
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图 6 数据信息 Fig.6 Data information |
本文通过对卫星通信调研，选取铱星和海事卫星的2种不同通讯方式进行数字强震动记录信息的数据传输实验。通过测试，短消息和数据流数据传输方式均能实现烈度速报通讯模块的数据传输功能，但数据流模式具有易受网络影响、较大数据延迟及使用成本高昂等缺点；而短消息模式具有网络影响小、费用较低等优势，适宜作为地震烈度速报通讯信道使用。随着中国地震烈度速报台网的大规模建设，基于卫星信道的地震烈度速报数据传输系统，必将在破坏性地震发生时发挥更大作用。
根据回收数据显示，相关信息准确，基于卫星通信的烈度速报系统的可行性得以验证。
| 张晁军, 李卫东, 等. 有关地震烈度速报信息化发展的思考[J]. 国际地震动态, 2010, 4: 23-31. DOI:10.3969/j.issn.0253-4975.2010.04.006 | |
| 徐扬. ETNA和K2数字强震仪电话拨号通讯中的若干问题[J]. 地震地磁观测与研究, 2007, 28(6): 105-108. | |
| 吴华灯, 叶春明. 基于GPRS/CDMA的强震无线数据传输终端的设计与实现[J]. 华南地震, 2008, 28(2): 95-102. | |
| 周挚, 山秀明, 崔建文, 等. 基于Internet的强震仪监测网络系统的设计[J]. 云南民族大学学报(自然科学版), 2005, 14(1): 61-63. | |
| Iridium Satellite LLC. Iridium Short Burst Data Service Developers Guide[S]. 2007. |