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1、基于GPRS和GPS授时的远程分布式地震同步采集系统第一章引言1.1论文的研究背景随着高分辨地震勘探的广泛使用，对地震数据采集的精度要求越来越高,也对地震仪器 系统提出了更高的要求。目前广泛使用的地震仪器系统是一个空间分布式数据采集系统，在 高精度地震勘探中，分布式系统同步采集的时间精度愈来愈受到关注；同时地震采集系统多 在野外环境，由于地形复杂等多方面的原因，给线路铺设带来困难，所以采集数据的无线传 输也同样受到极大关注。地震数据采集系统包括控制激发的源同步系统和控制数据采集的记录系统，其同步包括 激发同步和记录同步两部分。目前的同步方式采用的是爆炸机同步码同步和仪器指令同步两 种方式，同步
2、的时间精度和环境适应能力低于基于GPS授时的同步方式。本文对基于GPS授时 的地震采集系统同步方法进行了探讨,对基于GPS授时的同步电路和软件进行了设计和实现。1. 1 激发同步激发同步是指地震波的激发时刻和仪器触发采集时刻的同步。地震勘探时，震源与记录 仪器分处两地，系统利用遥爆系统，采用无线电台发射“同步码”的方式实现同步。同步码调 制在VHF频段上进行通讯,一方面，通讯距离受限制，在川东北等山地工区尤为明显,如果采 用中继方式，则会加大通讯传输延迟;另一方面,VHF频段易受干扰，影响同步的稳定性。目前 使用的此类遥爆系统有BOOM BOX, Shot Pro、SHOOTING SYSTE
3、M等，同步精度为儿十个微秒。 1. 2记录同步记录同步是指野外布设的采集站记录时刻的同步。地震仪器系统是一个空间分布式系统, 数据采集的过程是在布设于地面的采集站内完成的，目前各采集站的同步是通过接收地震仪 器的采集指令实现的。系统内各个采集站与主机的相对位置不同，导致实际信号通讯传输的 时间不同，电信号的有线传播速度为200 m/ii s ,传输时间中还包括中继和解码时间，因此接 收到主机发送的采集命令的时刻不一致，也就是说系统内各个数据道启动采集的时刻存在着 差异。采用指令同步的方式，野外的各采集站很难做到同步采集。对于一套地震仪器采集系统而言，多次覆盖中各单炮激发、采集的同步精度、遥爆系
4、统 中各爆炸机的稳定性、一致性和环境适应能力，都会影响地震数据最终的处理结果，影响地质 构造的定位和识别。计算机与通信技术的不断发展，极大地促进了工业领域及其他领域的信息化的发展。以 前在工业领域大多采用由单片机构成的数据处理系统和PC机通过串行口构成的微机系统，主 要是针对生产过程分布范围不大，相距不远的场合，这些系统大多采用RS-232, RS-485或有 线MODEM的通信方式痕，虽然经济实用，但是采用有线的数据传输方式，在很大程度上限 制了应用场合的拓展。电力、铁路、采矿和石油等部门要对相距遥远的生产过程进行数据传 输，如果还是沿用有线的传输方式，则在技术上和经济上都是不足取的。显然，
5、必须采用专 门的措施来克服相距遥远造成的困难，所以采用无线的方式来进行数据传输的需求就日益突 出了。当今世界己进入了飞速发展的信息时代，信息产业己成为国民经济的主导产业，通信则 成为信息产业中发展最为迅速,进步最快的彳亍业。GPRS (General Packet Radio Service) 即通用分组无线业务，是在现有GSM (Global System for Mobile Communications)即全 球移动通讯系统网络上开通的一种新型的数据传输技术，GPRS采用分组交换方式，仅在实 际传送和接收数据时才占用无线资源。GPRS理论上可提供高达171.2kbit/s的传输速率，这
6、意味着通过便携式电脑，GPRS用户能快速地上网浏览。除了速度上的优势外，还有“永远在 线”的特点，即用户可随时与网络保持联系。另外分组交换接入时间的缩短，能提供快速即 时的连接，可大幅度提高一些事务的效率。利用现有的GPRS网络资源，发挥网络覆盖率高、 永远在线等优势，为现有数据传输系统提供一种便捷的无线传输方式。1.2论文的研究目的1.3论文的主要研究内容在远程分布式同步采集传输系统中，如何让远程采集设备同步工作及将采集数据进行传 送是我们要解决的问题。现代GPS技术、计算机技术、网络技术和通信技术的发展，为我 们提供了很好的解决途径。将GPS技术和GPRS通信技术应用到地震数据采集系统中，
7、采集 到的数据有很高的同步性，数据的传输有较好的实时性和可靠性，而实现的成本较低。本文 的结构安排如下：第一章的工作是概述本课题研究的背景以及远程分布式同步采集传输技术现状并进行 了分析。第二章对GPS技术和GPRS技术的基本原理进行了详细介绍并分析相关的同步方式及组 网方式，进行比较之后做出了本方案的选择。第三章详细研究了 GPS技术的授时原理和GPRS技术的无线数据传输原理。第四章研究了远程分布式同步采集传输终端的硬件系统的设计和实现。包括FPGA主控 芯片的选型，GPRS模块的选择，具休单元电路的设计分析等。第五章的内容是远程分布式同步采集传输终端的软件系统的设计,其中包括软件设计流程和
8、功能的软件设计。第六章作为全文的结论部分，是对当前工作的总结，针对不足之处提出有待改进的地方 和今后进一步做研究的展望。第二章GPRS和GPS的基本原理2.1 GPRS的基本原理2.1.1 GPRS的网络结构GPRS系统通过在原有的GSM系统中引入分组数据单元来提供无线系统上的数据业务。 作为承载网络，GPRS系统本身采用IP网络结构，并对用户分配独立地址（如IP或X.121地 址），将用户作为独立的数据用户，从而实现了从网络到移动用户端到端的数据应用。GPRS 系统网络结构如图2-2所示。BSC: Base Station Controller,基站控制器SGSHplMSCNTFBTS: B
9、ase Transceiver System,基站收发系统PCU： Packet Control System, (GPRS)包控制单元DHCP： Dynamic Host Configuration Protocol,动态主机配置协议DNS: Domain Name Server,域名服务器Radius： Remote Authentication Dial User Service,远程授权拨入用户服务NTP: Network Timer Protocol,网络时间协议 1、PCUPCU是分组数据处理单元，它与BSC协同工作，提供无线数据的处理功能，如逻辑链 路与物理链路的映射、数据包的拆
10、封、数据包的确认、无线数据信道的分配等。PCU可作 为模块单元插入BSC中，或者作为独立于的BSC单元存在，它与BSC之间的接口方式规 范未给出定义。PCU与SGSN之间Gb接口采用帧中继协议。PCU具有Gb接口管理的功能。2、SGSNSGSN通过Gb接口提供与无线分组控制器PCU的连接，进行移动数据的管理，如用户 身份识别、加密、压缩等；通过接口与HLR （Home Location Register,注册地信息注册器）， 相连，进行用户数据库的访问及接入控制：通过Gn接口与GGSN相连，提供IP数据包到 无线单元的传输通路和协议变换等功能；SGSN还可以提供与MSC的Gs接口连接，以及与
11、SMSC （Short Message Service Center,短消息服务中心）的Gd接口连接,用以支持数据业 务和电路业务的协同工作和短信收发等。3、GGSNGGSN负责GPRS网络与外部数据网的连接，提供GPRS与外部数据网之间的传输通路， 进行移动用户与外部数据网之间的数据传送。GGSN起到路由器的作用，它与其他相关网络 单元如PIX, DNS, DHCP, Radius等设备协同时间数据业务的接入和传送等功能。GGSN 与SGSN之间的接口为Gn接口，采用GTP协议类型；GGSN与外部数据网之间的接口为 Gi接口，采用IP协议类型。对于网络发起的数据单元传送业务，GGSN需要通过
12、Gc接口 到HLR查询用户相关信息；对于计费信息的传送工作，GGSN通过Ga接口完成。2.1.2组网的方案选择由于GPRS无线数据终端与其他无线数据传输模块的使用不同，它是基于TCP/IP协议 进行数据传输，并且上位机（数据中心）通常是连接在公网（Internet）上的一台普通计算 机，具有动态的或固定的公网IP地址，或者是利用GPRS Modem接入GPRS网络或从中国 移动中获取的数据专线接入，而具有动态的或固定的移动子网（通常称为“移动梦网”）IP 地址。根据用户的不同需要，及采用的组网技术方案的不同，产生了以下几种常用的组网方 案：1、组网方案使用固定IP地址或向中国移动申请数据专线作
13、为上位机（数据中心），实现多点对一点 的数据，如图2-3所示。数据采集设备与GPRS终端通过RS485或RS232相连，GPRS终端 自动拨号登陆GPRS网络,获得移动子网IP地址后，主动与接入Internet的上位机建立socket 连接并保持，然后将GPRS终端的ID号及子网IP地址通过TCP/IP协议发送至上位机。这 样上位机在Socket连接保持的情况下，就可以实现与GPRS终端，也就是数据采集设备的 通信。该方案具有组网简单，性能稳定，可靠性高，用户的使用难度低，使用的灵活性强等优点，适合大用户使用。附2-3 枕用扑Internet上位 fl権入血珞，“ -a RSIBSSUB采銀迎
14、為RSU5 厂1： u 竄網令etGPRSMcKkm但是该方案的缺点和不足是上位机（数据中心）必须拥有固定IP地址，或公网IP地址 或移动子网IP地址（数据专线）。2、组网方案二DNSHU4t.W8092-4 砒DNS的网络拓於该方案是GPRS终端通过使用域名解析（DNS, Domain Name Services）的方法获取上位机（数据中心）IP地址，从而与上位机（数据中心）建立连接并互相传输数 据。该方案的优点在于其上位机（数据中心）不必拥有固定IP地址，而是通过域 名解析服务提供商获取域名，GPRS终端通过域名解析得到上位机（数据中心）的IP地址，从而与上位机建立连接。其网络拓扑结构如图
15、2-3所示。根据以上分析和实际应用考虑，我们选择与固定通信（方案一）作为组网方案，利用WAVECOM的Q24Plus GPRS无线CPU作为核心设计了数据传送终端。2.1.3数据终端协议介绍移动数据接入终端是采用IP OverPPP实现移动数据终端的Internet接入的。所以我们的移动接入终端所采用的协议必须采用TCP/IP和PPP协议，具体如下图3-1所示nnt . InrTCF .ICP.城I IP. A9T,CGMPTCP/IP是一个允许不同软硬件结构的计算机进行通信的协议族。一般情况下，一个协 议族有不同的层次所组成。TCP/IP通常分为四个层次，从上到下分别是应用层、传输层、 网络
16、层和网络接口层。TCP/IP协议模型如图3-4所示：数据链路层或称网络接口层(Network Interface Layer)这是TCP/IP协议的最低层， 它负责接收IP数据报，并把数据报发送到指定的网络上，网络接口层可能是一个设备驱动 程序，也可能是一个复杂的子系统，这个子系统使用自己的数据链路协议。E HTTP DNSIWntt SMTPTCP (JDPIP ICMPAPF IGNiPEthernet ATM ISDN PPP093 2 TCP/IP协议槽呈 网络层(Internet Layer)网络层解决了机器之间的通信问题。它接收传输层的请求, 把来自传输层的报文分组封装在一个数据报中，并加上
