北斗卫星导航系统在地震监测中的应用研究

吴清荣 杨泽寒 付建华

（1.河南职业技术学院，河南 郑州 450046；2.中国铁塔股份有限公司周口市分公司，河南 周口 466000；3.河南省地震局，河南 郑州 450016）

1 北斗卫星导航系统概况

1.1 发展进程

我国的北斗卫星导航系统经历三个阶段的建设发展进程：第一阶段，从1994年启动，到2000年初步建成了北斗卫星导航试验系统，即“北斗一号”有源区域卫星导航系统，简称“北斗一号”系统，形成中国及周边部分地区的区域性服务能力，使得中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家；第二阶段，从2004年启动了北斗卫星导航系统建设，到2012年，首先建成了北斗卫星导航区域系统，即“北斗二号”无源区域卫星导航系统，简称“北斗二号”系统，也称为“北斗二号”系统一期工程，形成区域覆盖能力，为中国及周边亚太地区提供无源定位、导航和授时等服务；第三阶段，从2013年持续扩展北斗卫星导航区域系统，到2020年左右全面建成北斗卫星导航系统，也称为“北斗二号”系统二期工程，具备全球范围无源定位、导航和授时服务能力。

目前，北斗卫星全球组网工作已全面展开，仅2015年一年内就要发射5 颗北斗卫星，经过组网试验验证正常后，从2016年至2020年将完成全球组网工作。

1.2 主要功能

定位功能，“北斗一号”系统的二维水平定位精度在设标校站区域为20m，在不设标校站区域为100m，“北斗二号”系统平面定位精度为10m，高程精度为10m；

授时功能，“北斗一号”系统的双向授时精度20ns，单向授时精度100ns，“北斗二号”系统的单向授时精度为50ns；

通信功能，“北斗一号”系统具有用户之间、用户与地面控制中心之间的双向短报文通信能力，每次通信容量是120个汉字，“北斗二号”系统兼容该通信功能。

1.3 应用概况

目前，中国正在各个领域加速推进北斗定位导航系统的应用。例如，北斗定位技术结合物联网技术、移动互联网应用、构架端+云系统平台，服务于移动互联网用户，并且智能手机和平板电脑中内置的定位导航服务逐渐取代专业导航设备［1］。又如，在智慧城市建设中，能够利用更加精准的北斗定位服务，协助用户做到防盗告警、车辆管理，以及为售后服务提供数据等。但是，由于当前“北斗二号”一期工程已完成，二期工程正处于全面组网试验阶段，很多应用领域还是以“北斗一号”系统应用为主，而“北斗一号”系统在定位时效性、精度、容量等方面存在不足，限制了北斗定位导航系统的应用。但随着“北斗二号”系统加速建设，相关领域的应用研究必须同步跟进，否则将会失去市场先机［2］。

2 地震监测的主要特点

2.1 地域分布广

地震监测需要将各种传感器设置在不同的地域，既可以组成部分区域的地震监测网，也可以组成省级和全国范围内的地震监测网。由于我国疆土广阔，而很多地区属于沙漠、森林、岛屿等无人区，对这些地方的监测需要能够实现无人值守，这为通过卫星通信，包括VSAT站、北斗的短报文通信等来实现地震监测数据的自动化远程传输提供了应用需求。

2.2 通信时效强

地震监测无论是震前、震中还是震后监测，都需要将各类传感器感知的监测数据及时采集、存储和传输，通过各种通信方式将数据汇集到数据中心，这对通信的时效性和可靠性要求很高。这是因为，只有获得准确实时的监测数据才能为数据分析提供最新数据来源，从而对震情的监测、跟踪和预报才更加可靠，有利于采取相应的救援措施。

2.3 信息采集多

地震监测涉及对地表电场、磁偏角、地下水位、重力加速度、次声波、气象等多种监测要素的信息采集。这种信息采集既有短时间内的突发信息采集，例如，地震发生时段的信息采集，还有长时间范围内跟踪信息采集。这些采集的信息数据既可以作为实时灾情预报的依据，也可以作为长期观测的历史数据积累，因此必须对采集的大量信息数据做好收集整理工作，不断提取有价值数据。

2.4 智能处理高

大数据分析已经融入到对地震监测数据的分析中，基于数据挖掘和人工智能的处理方法是提高对地震监测数据分析智能化水平的重要手段。将云计算方法应用到分布式的地震监测网中，从地震监测数据分析中不断优化分析数学模型，提高提取有价值震情情报的精准性，这些代表了地震监测数据分析的发展方向。

3 应用方案设计

如图1 所示，将北斗导航系统应用到地震监测的方式主要有：一是将北斗定位终端与分布在各地的地震监测仪器直接相连，可以准确获得地震仪器所在的位置信息和时间信息；二是利用北斗有源定位可以进行短报文通信的功能，将地震监测数据进行远程传输到监测中心。这种应用方式的优点在于：一是利用我国的北斗导航系统进行定位和授时，增强了使用的可靠性，可以避免美国GPS 服务的不确定性因素影响；二是利用北斗的通信功能，能够解决地域覆盖问题，在一些无人值守的地域也能设置监测站。当然，由于北斗通信能力有限，将北斗系统应用到地震监测中时，以其定位和授时功能为主，通信功能为辅，可以进一步结合VSAT 卫星基站，利用信道较宽的卫星通信传输监测数据将是更好的选择［3］。

图1 北斗在地震监测中应用示意图

4 展望

我国是地震多发的国家，特别是近些年出现了较多震级较大的地震，破坏力极大。搞好地震监测有利于防灾减灾，因此对地震监测的需求越来越大，特别是在我国中东部地区和西部地区都需要较多的监测台站，这为北斗系统的定位、授时及通信应用提供了机遇。同时，随着我国“一路一带”战略的实施，在我们周边国家和地区利用北斗系统进行地震监测有利于提供境外服务，保障我国在“一路一带”沿线地区的安全。并且，我国的北斗系统正处于建设的关键时期，国家正在大力推动北斗系统的应用，这为北斗在地震监测领域中的产业应用提供了最佳机遇。

［1］唐金元.北斗卫星导航区域系统发展应用综述［J］.全球定位系统，2013（5）：41-43.

［2］张更新，张杭.卫星移动通信系统［M］.北京：人民邮电出版社，2001.

［3］毛彩霞.浅析地震监测预报体系［J］.江西建材，2014（22）：222.