CN108897210A

CN108897210A - 一种地震勘探数据无线采集和gps时间同步方法

Info

Publication number: CN108897210A
Application number: CN201810754825.0A
Authority: CN
Inventors: 高鹏; 汪澎; 程鹏
Original assignee: Chengdu Love Beth Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Love Beth Technology Co Ltd
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2018-11-27

Abstract

本发明提供了一种地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法，属于节点站时间管理领域。本发明中，每个节点站均采用压控温补晶振，使得每个节点的系统时钟频率可调，该时钟同步供给MCU、采样芯片和GPS模块，保证MCU中的系统时间与采样时间严格同步，一旦将MCU通过GPS授时与UTC时间对齐，即自然完成了采样时间与UTC时间对齐，采用此方法进行时间管理，通过硬件实现各节点站时钟对齐，则在数据融合阶段，无论多少个节点，对每一炮只需计算一次放炮时间与采样时间的延时，计算出同一组分数延时滤波器系数后，即可对每一节点的相应数据段应用同样的数字滤波器，获取该炮的每道采样数据，大大缩减后期融合处理的时间。

Description

一种地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法

技术领域

本发明属于节点站时间管理领域，特别涉及一种地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法。

背景技术

与有线节点系统不同，无线系统中各节点站之间没有办法进行本地同步，因此目前无线节点站普遍采用卫星导航授时来实现系统时间同步。而在数据融合阶段，需要依据每一炮的UTC时间去重组每一节点采样数据，使每道数据均与放炮时间对齐。

为保证在数据融合阶段对每个节点站采集的数据能够准确地进行重采样，目前主流的方式是各节点站按照自己的时钟进行采样，并按一定的间隔标记采样数据对应的UTC时间，在后期的数据融合阶段利用标记的时间戳进行重采样以统一到单一的系统时间。但据我们分析，该方法有以下缺点：

1)各节点站时钟之间存在频率偏差，考虑到普遍采用的温补晶振的频率稳定特性和老化特性，该偏差可能达到数个ppm。按照普遍单炮取用10秒数据计算，即便对齐采样的开始时间到系统时间标准，采样结束的时间仍会相对于系统时间标准偏差数十微秒。这就要求在数据融合阶段，不仅需要对相位偏差进行重采样，还须对频率偏差进行修正。此修正一般可采用两种方法进行：一种是先对该段数据进行频率重采样，然后进行分数延时；另一种是将该段数据分成更短的子段，对每个子段独立计算偏差时间并进行分数延时。无论采用哪种方法，都因频率不对齐而耗费相当的处理时间。

2)进一步的，由于每个节点站时钟均不对齐，在后期数据融合过程中，对每一节点站的每一段数据，都需要单独计算延时并各自进行重采样。随着勘探密度的提升，节点站数量增大，数据融合的计算量将急剧增长。

据此两点可以看出，目前采用的时间管理办法虽然在节点站上处理简单，但造成后期数据融合计算量的极大压力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法，克服了后期数据融合困难的问题。

一种地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法，应用于无线节点站系统，所述无线节点站系统包括数个节点站、MCU、采样芯片及GPS模块，每个节点站采用压控温补晶振以调整所述系统的系统时钟频率，所述方法包括以下步骤：

步骤1，GPS模块搜索可用卫星并下载星历，通过TP引脚传输TP信号至所述MCU，所述MCU获取所述TP信号的UTC时间信息，与所述MCU内Systick计时器对比，对所述节点站内的压控温补晶振进行反馈调整以控制电压，同步系统时间与UTC时间；

步骤2，系统时间与UTC时间同步后，进行数据采集，所述MCU通过所述采样芯片的SYNC引脚实现AD采样同步，同步采样时间和系统时间，同步采样时间和UTC时间；

步骤3，采样时间与UTC时间同步后，保存数据及对应的采样时间。

进一步地，所述步骤1包括以下流程：

节点站上电，各模块初始化，GPS模块可用卫星并下载星历，当时间和定位有效时，发送下一个TP到来的时间信息，第一个TP信号传输至所述MCU时，开启Systick计时器，并保存当前GPS模块的时间戳；

每次TP信号传输至所述MCU，保存当前系统中的Systick时间和TP信号的时间戳，根据上一次的TP信号所保存的时间记录，计算出两个TP信号之间系统的时间偏差，为压控温补晶振的频偏；

利用所述压控温补晶振的压控输入端，调节外部晶振，修正频偏电压和相差电压。

进一步地，所述步骤2包括以下流程：

系统时间与UTC时间同步后，进行数据采集，所述MCU通过所述采样芯片的SYNC引脚实现AD采样同步；

所述采样芯片的采样时间与SYNC置位时间的延时关系确定，所述系统根据采样频率、滤波设置参数计算出SYNC引脚需提前的时间，通过所述MCU的计时器在指定时间点置位SYNV引脚，同步采样时间和系统时间，同步采样时间和UTC时间。

进一步地，所述步骤3包括以下流程：

采样时间与UTC时间同步后，保存数据及对应的采样时间；

每一个采样数据都与相对应的UTC时间同步，只需记录一段采样数据的开始时间，即可根据其后任一采样数据的序号计算出其对应的UTC时间。

进一步地，所述GPS模块为Ubolx MAX-M8Q模块。

进一步地，所述采样芯片为ADS1282芯片。

本发明的有益效果：本发明提供了一种地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法，每个节点站均采用压控温补晶振，使得每个节点的系统时钟频率可调，该时钟同步供给MCU、采样芯片和GPS模块，保证MCU中的系统时间与采样时间严格同步，一旦将MCU通过GPS授时与UTC时间对齐，即自然完成了采样时间与UTC时间对齐，采用此方法进行时间管理，通过硬件实现各节点站时钟对齐，则在数据融合阶段，无论多少个节点，对每一炮只需计算一次放炮时间与采样时间的延时，计算出同一组分数延时滤波器系数后，即可对每一节点的相应数据段应用同样的数字滤波器，获取该炮的每道采样数据，大大缩减后期融合处理的时间。

附图说明

图1为本发明实施例的无线节点站系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的流程图。

图中：10-无线节点站系统；110-MCU；120-GPS模块；130-采样芯片；140-节点站。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

本发明提出的一种地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法，应用于无线节点站系统10，请参阅图1，无线节点站系统10包括数个节点站140、MCU110、采样芯片130及GPS模块120，每个节点站140采用压控温补晶振以调整所述系统的系统时钟频率，请参阅图2，本发明通过以下步骤实现：

步骤1，GPS模块120搜索可用卫星并下载星历，通过TP引脚传输TP信号至所述MCU110，所述MCU110获取所述TP信号的UTC时间信息，与所述MCU110内Systick计时器对比，对所述节点站140内的压控温补晶振进行反馈调整以控制电压，同步系统时间与UTC时间。

本实施例中，节点站140上电，各模块初始化，GPS模块120处于卫星搜索和捕获状态，搜索可用卫星并下载星历的时间大约为一分钟到几分钟。当时间和定位有效时，GPS模块120发送下一个TP(TIMEPULSE)到来的时间信息(TP信号全部为GPS整秒时间，误差10ns左右)，TP信号全部为GPS整秒时间，误差10ns左右，第一个TP信号传输至所述MCU110时，开启Systick计时器(精确到1us，由外部温补晶振频率决定)，并保存当前GPS模块120的时间戳，此为UTC时间。

此后，每次TP信号传输至所述MCU110，保存当前系统中的Systick时间和TP信号的时间戳，根据上一次的TP信号所保存的时间记录(由于Systick开启对准整秒，所以不保存上次Systick)，计算出两个TP信号之间系统的时间偏差，即为压控温补晶振的频偏。比如，Systick为1024000倒计时器，计时到0为1秒，如果前后两个TP信号的UTC时间相差50秒，第二个TP计时到1023995，则频偏为-5，即0.1ppm。此时，就需要进行温补晶振的频率修正，即修正系统时间。

利用所述压控温补晶振的压控输入端，调节外部晶振，修正频偏电压和相差电压。利用压控温补晶振的压控输入端，可以实现外部晶振调节。压控的输入依靠中控内部12位DAC控制器，调节范围0～3300mV，精度为1mV。利用压控温补晶振的线性调节性能可设置具体的电压值，即150mV对应1ppm。调节过程分为两步，首先，频偏电压修正，即设置固定时间内(此时间相对于TP间隔，不能太短，否则电压跳变剧烈对修正有影响)把系统时间调回到它标准周期；其次，相差电压修正，即在一个固定TP时间间隔，相差修正能够尽量降低晶振的频率漂移。

根据需要，节点站140上电以后，为了加快时间的对齐，首先进行快速修正，大约两秒修正一次，大约一分钟之后，频偏和修正电压在一个很小范围波动之后变为慢速修正，大约1分钟一次，从而可以有效的降低功耗。

本发明的优选实施例中，选择Ubolx MAX-M8Q模块作为GPS模块120，该模块可提供精度达数十纳秒的授时信号通过TP引脚输出，MCU110通过串口获取该TP信号的UTC时间信息，通过与MCU110内部Systick计时器对比，进而反馈调整压控温补晶振控制电压，实现系统时间与UTC时间对齐。

步骤2，系统时间与UTC时间同步后，进行数据采集，所述MCU110通过所述采样芯片130的SYNC引脚实现AD采样同步，同步采样时间和系统时间，同步采样时间和UTC时间。

本实施例中，系统时间与UTC时间同步后，进行数据采集，所述MCU110通过所述采样芯片130的SYNC引脚实现AD采样同步；

采样芯片130的采样时间与SYNC置位时间的延时关系确定，决定于芯片内采用的一系列sinc和FIR滤波器。系统根据采样频率、滤波设置等参数计算出SYNC引脚需提前的时间，通过所述MCU110的计时器在指定时间点置位SYNV引脚，同步采样时间和系统时间，同步采样时间和UTC时间。

在连续采样过程中，将不断地监控DRDY电平触发时间(亦即监控采样时间)，如果出现不可知的异常情况造成采样时间与系统时间不同步，将重新初始化采样。

本发明的优选实施例中，选择ADS1282芯片作为采样芯片130。

本实施例中，实现采样时间与UTC时间同步之后，即可开始保存数据及对应的采样时间。因为每一个采样数据都对齐到了相应的UTC时间，且系统时钟持续地与UTC时间进行对齐，在不丢失GPS信号的前提下，不存在采样时间与UTC时间误差因积分误差逐渐增大的情况。所以，只需要记录一段采样数据的开始时间，即可根据其后任一采样数据的序号计算出其对应的确切UTC时间。

因此，节点站140在SD/TF存储卡上创建Data目录，其下根据每一天创建日期目录(如20170305)，在每一天的日期目录中保存数据文件，文件名中记录该文件中第一个采样数据对应的UTC时间的时分秒。用户可配置文件的记录长度，当某一正在记录文件达到长度阈值后，系统关闭该文件并新建另一文件继续记录，新建文件的文件名采用同样的规则记录该文件第一个数据的UTC时分秒。为简化处理，每个文件均记录采样率的整数倍个数据，保证数据时钟整秒开始。

由于无线节点站系统10由可能会出现GPS信号丢失而无法同步到UTC时间的问题，因此需要采用相应的异常处理机制。系统会设定两个可配置的时间阈值，分别对应时间可信度较差和极差两种情况，当系统在第一个时间阈值内都无法通过GPS授时后，认为目前系统时间可信度较差，此时关闭当前文件并打开新文件记录下其后的采样数据；当达到第二个时间阈值前都无法重新获取授时，系统关闭该文件并进入停止采样状态。无论是在第二个时间阈值前或系统处于停止采样状态中，一旦重新获得GPS授时，系统重新开始采样。采用这种异常处理机制，所记录的文件将会呈现两个类别，一类记录的是正常的数据，一类记录的是时间可信度差的数据，在文件名中利用时分秒的后一位标识。如2103250.dat表示该文件为21时3分25秒开始的可信数据文件，0722311.dat表示该文件为7时22分31秒开始的不可信数据文件。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法，应用于无线节点站系统，其特征在于，所述无线节点站系统包括数个节点站、MCU、采样芯片及GPS模块，每个节点站采用压控温补晶振以调整所述系统的系统时钟频率，所述方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法，其特征在于，所述步骤1包括以下流程：

3.如权利要求1所述的地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法，其特征在于，所述步骤2包括以下流程：

4.如权利要求1所述的地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法，其特征在于，所述步骤3包括以下流程：

采样时间与UTC时间同步后，保存数据及对应的采样时间；

5.如权利要求1所述的地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法，其特征在于，所述GPS模块为Ubolx MAX-M8Q模块。

6.如权利要求1所述的地震勘探数据无线采集和GPS时间同步方法，其特征在于，所述采样芯片为ADS1282芯片。