CN101995582A - 一种基于卫星通信的地震实时监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于卫星通信的地震实时监测系统，该系统包括控制中心子系统、监测中心子系统、位移传感子系统、太阳能供电子系统、卫星GPS高精度定位子系统、卫星GPS精确授时子系统和VSAT卫星通信子系统；利用位移传感器技术，实现对地震波的水平和垂直方向进行三维测量；利用太阳能实现对各个监测点设备供电；利用GPS高精度定位技术，实现对监测点的三维导航与定位能力，具有良好的抗干扰；利用GPS精确授时系统，实现了控制中心与各个监测点具有同频同相的同步时钟信号；利用VSAT卫星通信技术，实现全国范围对该监测系统的无缝覆盖和联网。

Description

一种基于卫星通信的地震实时监测系统

技术领域

本发明属于位移测量、几何位置测量、太阳能供电技术、GPS高精度定位技术、GPS精确授时系统、VSAT卫星通信技术领域。利用位移传感器技术，实现对地震波的水平和垂直方向进行三维测量；利用太阳能实现对各个监测点设备供电；利用GPS高精度定位技术，实现对监测点的三维导航与定位能力，具有良好的抗干扰；利用GPS精确授时系统，实现了控制中心与各个监测点具有同频同相的同步时钟信号；利用VSAT卫星通信技术，实现全国范围对该监测系统的无缝覆盖和联网。

背景技术

2008年5月12日汶川地震和2010年4月14日玉树地震给灾区人民的生命和财产造成了巨大损失。突如其来的强震大规模摧毁了现有的基础通信设施，中断了灾区与外界的通信联络，严重阻碍了抗震救灾工作的及时、全面开展；在抗震救灾现场，指挥及救援人员迫切盼望将现场的图像、语音以及相关的重要数据信息等实时传至指挥中心，使指挥决策人员提高决策的准确性和及时性，以增强对抗震救灾的快速反应能力。

目前，我国使用的地震监测设备均由国外进口，价格昂贵，传输方式有限，对于电网所不能达到的地方无法实现监测。本系统测量精度高，成本低，利用太阳能供电设备解决了边远山区监测点供电问题，利用卫星通信技术，进行数据的传输，不受任何时间和地点的影响，便于大规模普及应用。

我国面积辽阔，现有的监测设备无法对所有的区域进行统一的监测，资源不能实现共享。为了解决这些问题，我们可以将全国版图按照一定的距离分成若干个小正方形，距离越短监测的建筑数目越多，精度就越高，每个小正方形四个点都安装本发明监测装置，这样全国就有无数个监测点覆盖，可以覆盖全国范围。

发明内容

本发明的目的是对现有的监测设备进行替换使用位移传感器，同时对设备的供电和信息传输进行改进，使用太阳能供电和VSAT卫星通信进行信息的传输，利用GPS进行高精度定位和精确授时。提供一种结构合理、使用方便、成本低廉、覆盖范围广、定位准确、通信先进的监测设备和信息传输链路。

本发明专利采用以下技术：

该系统由控制中心、监测中心、位移传感子系统、太阳能供电系统、卫星GPS高精度定位技术、卫星GPS精确授时系统和VSAT卫星通信子系统组成。位移传感系统实现对监测点的水平、垂直三维立体空间的监测，将收集到的数据保存在数据处理中心。GPS高精度定位技术确保了监测点的位置。GPS授时系统是保证了接受和发射方具有同频同相的同步时钟信号。太阳能供电系统具有极高的自动化水平，可实施无人值守，能满足设备日常供电问题，有效解决了市电不能达到监测点的供电。VSAT卫星通信子系统是利用卫星链路将数据处理中心测试结果传送到控制中心，控制中心可以同时对全国多个目标进行实时的监控。系统整体框图如图1所示。

附图说明

图1基于卫星通信的地震实时监测系统原理框图。

图2 位移传感子系统原理图。

图3 VSAT卫星通信子系统原理框图。

图4太阳能供电系统原理图。

具体实施方式

首先太阳能供电装置启动，为设备持续提供电源，控制中心利用卫星GPS定位和授时系统将全国各个监测点的收发子系统都全部精确定位并接到GPS卫星时钟源上。利用卫星链路发出信号通知整个系统开始工作。当整个系统开始工作时，每个监测点的位移传感对监测点进行水平和垂直三维空间的监测。当有震动发生时，监测点的传感器会产生位移，同时报警，并通过安装在监测点的卫星传输系统将信息传回控制中心。

地震波是以弧形方式向外扩撒，接近弧形中心的先产生位移和报警，控制中心根据震动点的位置通知其他监测中心，做好预防和撤离准备。

本发明专利中每个子系统设计如下：

1、位移传感子系统

每个监测点采用三个传感器，安装在监测点的水平方向和垂直方向，水平方向分为X轴和Y轴两个方向，垂直方向为Z轴，分别获得水平震动和垂直震动的信号。其原理图如图2所示，当有位移发生时，传感器采集到来水平X轴、水平Y轴和垂直方向Z轴的信号，传感器将输出的信号通过1KHz的低通滤波器，滤除参杂在信号中的高频干扰；然后将滤波后的信号传送给放大器，放大器将输入的信号放大到1V_pp，送到ARM板进行转换，由于采集到的信号为模拟信号，此时，ARM上的AD转换功能，将模型信号转换成数字信号，并传送给数据处理中心，同时，安装在ARM板上的LED灯光报警装置和蜂鸣器声音报警装置同时工作，产生报警功能。

2、GPS定位和授时系统

为了使卫星和地面控制中心、位移监测点能够精确定位并具有同频同相的同步时钟信号，本发明中采用GPS定位和授时系统。该系统是一个高精度、低成本、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。

利用GPS系统所制造的GPS授时系统，以GPS卫星为时间源，组合了现代计算机技术和GPS卫星接受技术，可实现精确授时，从而实现远距离设备的精确同步。

本发明装置所采用的GPS授时系统频率可以为20MHz、40MHz、60MHz 、80MHz，所使用的频率越高，则精度越高。

3、VSAT卫星系统

VSAT卫星通信子系统由一个主站（控制中心）、卫星和1到k个VSAT终端（位移监测点）三部分组成，VSAT卫星通信子系统原理框图如图3所示。

VSAT卫星通信子系统工作原理：

㈠信号流程

信号发送：网络交换设备将接入的业务信息（包括数据、语音和图像），通过IP接入控制器送入路由器；路由器将数字信号送入调制解调器；经调制解调器的基带处理和调制处理后转换为中频信号，经射频子系统送入天线子系统发向卫星。

信号接收：通过天线子系统接收到的由卫星转发来信号，经射频子系统分路处理后，分别送入各调制解调器。经调制解调器解调、基带处理后，转换为数据信号送入路由器，经过路由器送入IP接入控制器，然后送入网络交换设备。

㈡通信业务流程

本发明中采用的VSAT卫星系统可以为用户提供电话通信、传真收发、数据传输和图像传输等业务。

㈢电话/传真业务：通过语音网关，转换成IP数据，接入卫星网络，通过卫星网络连接，实现控制中心与位移监测点之间电话/传真业务的传输；

监测到的数据直接接入卫星终端，通过卫星网络传输通道，实现控制中心与位移监测点之间数据业务的传输；

音视频信号经过音视频切换器切换选择，接入图像编解码器，通过图像编解码器对所接入的视音频信号进行量化、压缩、编码等处理，送入业务传输通道发向卫星，实现控制中心与位移监测点之间图像业务的传输，可以观察到现场所发生的情况，为控制中心提供有效的指挥依据。

主站（监测中心）：

主站（监测中心），它是VSAT卫星通信子系统的心脏。主站使用较大型的天线，其天线直径一般为9m（Ku波段）或13m（C波段），并配有高功率放大器（HPA）、低噪声放大器（LNA）、上/下变频器、调制解调器及数据接口设备等。主站通常与计算机放在一起或通过其它（地面或卫星）线路与主计算机连接。

为了对全网进行监测、管理、控制和维护，在主站内设有一个网络控制软件，对全网运行状况进行监控和管理，如实时监测、诊断各小站及主站本身的工作状况，测试信道质量，负责信道分配，统计等。操作员可在控制台使用键盘进行操作，通过屏幕显示并打印输出结果。

小站（VSAT终端）：

VSAT小站由小口径天线、室外单元和室内单元组成。VSAT天线有正馈和偏馈两种形式，正馈天线尺寸较大，而偏馈天线尺寸小、性能好（效率高、旁瓣小），且结构上不易积雪，因此采用偏馈式VSAT天线。室外单元主要包括GaAsFET固态功放、低噪声场效应管放大器、上/下变频器和相应的监测电路等。整个单元可以装在一个小金属盒子内，直接挂在天线反射器背面。室内单元主要包括调制解调器、编译码器和数据接口设备等。室内外两单元之间以同轴电缆连接。传送中频信号和供电电源。整套设备结构紧凑、造价低廉、全固态化、安装方便、环境要求低，可直接与位移传感子系统相连，不需要地面中继线路。

4、太阳能供电设备

太阳能供电设备由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池等三大部分组成。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或直接推动负载工作。太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，控制器还具备温度补偿的功能。蓄电池为铅酸电池，解决了电能贮存问题：蓄电池将日照充足时系统发出的多余电能，保留在夜间或无风的阴雨天使用，解决了发电与用电时间不一致的问题。

该设备工作原理是，在白天有日照的时候，太阳能电池板负责接收太阳光，把光能转换成电能，经过电池充放电保护芯片后送入DC-DC转换芯片给地震监测设备供电，同时把用不完的电能送给蓄电池蓄电。在夜晚或阴雨天等没有日照或日照很少时，蓄电池把存储的电能通过电池保护芯片送入DC-DC转换芯片给地震监测设备供电。原理图如图4。

电路中电池保护芯片负责实时监控太阳能电池板及蓄电池的工作电压，同时监控负载电流，在出现异常时（过充电、过放电及负载短路），切断太阳能电池板、蓄电池及负载之间的通路，保护各电路部件安全，待异常现象消失时，再恢复之间的连接。

Claims (10)

1.一种基于卫星通信的地震实时监测系统，其特征在于：该系统包括控制中心子系统、监测中心子系统、位移传感子系统、太阳能供电子系统、卫星GPS高精度定位子系统、卫星GPS精确授时子系统和VSAT卫星通信子系统。

2.根据权利要求1所述的基于卫星通信的地震实时监测系统，其特征在于：所述位移传感子系统中的每个监测点采用三个传感器，安装在该监测点的水平方向和垂直方向，水平方向分为X轴和Y轴两个方向，垂直方向为Z轴，分别获得水平震动和垂直震动的信号。

3.根据权利要求2所述的基于卫星通信的地震实时监测系统，其特征在于：当有位移发生时，所述传感器采集到来水平X轴、水平Y轴和垂直方向Z轴的信号，传感器将输出的信号通过1KHz的低通滤波器，滤除参杂在信号中的高频干扰；然后将滤波后的信号传送给放大器，该放大器将输入的信号放大到1Vpp，送到ARM板进行转换，此时，ARM上的AD转换功能，将模型信号转换成数字信号，并传送给数据处理中心，同时，安装在ARM板上的LED灯光报警装置和蜂鸣器声音报警装置同时工作，产生报警功能。

4.根据权利要求1所述的基于卫星通信的地震实时监测系统，其特征在于：所述卫星GPS高精度定位子系统，以GPS卫星为时间源，精确授时，从而对远距离设备精确同步。

5.根据权利要求1所述的基于卫星通信的地震实时监测系统，其特征在于：所述VSAT卫星通信子系统由一个主站即控制中心、卫星和1到k个VSAT终端即位移监测点三部分组成。

6.根据权利要求5所述的基于卫星通信的地震实时监测系统，其特征在于：所述VSAT卫星通信子系统的信号流程如下：

信号发送：网络交换设备将接入的包括数据、语音和图像的业务信息，通过IP接入控制器送入路由器；路由器将数字信号送入调制解调器；经调制解调器的基带处理和调制处理后转换为中频信号，经射频子系统送入天线子系统发向卫星；

信号接收：通过天线子系统接收到的由卫星转发来信号，经射频子系统分路处理后，分别送入各调制解调器，经调制解调器解调、基带处理后，转换为数据信号送入路由器，经过路由器送入IP接入控制器，然后送入网络交换设备。

7.根据权利要求5所述的基于卫星通信的地震实时监测系统，其特征在于：所述VSAT卫星通信子系统的通信业务流程如下：

电话/传真业务通过语音网关，转换成IP数据，接入卫星网络，通过卫星网络连接，实现控制中心与位移监测点之间电话/传真业务的传输；

数据业务通过将监测到的数据直接接入卫星终端，通过卫星网络传输通道，实现控制中心与位移监测点之间数据业务的传输；

图像业务通过将音视频信号经过音视频切换器切换选择，接入图像编解码器，通过图像编解码器对所接入的视音频信号进行量化、压缩、编码等处理，送入业务传输通道发向卫星，实现控制中心与位移监测点之间图像业务的传输。

8.根据权利要求5所述的基于卫星通信的地震实时监测系统，其特征在于：所述主站包括大型天线直径为对于Ku波段的9m或对于C波段的13m，并配有高功率放大器HPA、低噪声放大器LNA、上/下变频器、调制解调器及数据接口设备；该主站与计算机放在一起或通过其它地面或卫星线路与主计算机连接，该主站内设有一个网络控制软件，对全网运行状况进行监控和管理；所述VSAT终端即位移监测点由小口径天线、室外单元和室内单元组成，所述天线天线有正馈和偏馈两种形式；所述室外单元包括GaAsFET固态功放、低噪声场效应管放大器、上/下变频器和相应的监测电路；所述室内单元包括调制解调器、编译码器和数据接口设备。

9.根据权利要求1所述的基于卫星通信的地震实时监测系统，其特征在于：所述太阳能供电子系统中的太阳能供电设备由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池等三大部分组成。

10.根据权利要求9所述的基于卫星通信的地震实时监测系统，其特征在于：所述太阳能电池板将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或直接推动负载工作；所述将太阳的辐射能力转换为电能的过程是：经过电池充放电保护芯片后送入DC-DC转换芯片给地震监测设备供电，同时把用不完的电能送给蓄电池蓄电；电路中电池保护芯片实时监控太阳能电池板及蓄电池的工作电压，同时监控负载电流，在出现异常时包括过充电、过放电及负载短路时，切断太阳能电池板、蓄电池及负载之间的通路，保护各电路部件安全，待异常现象消失时，再恢复之间的连接。

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