一種基於衛星通信的地震實時監測系統的製作方法
2023-06-01 16:35:01
專利名稱：一種基於衛星通信的地震實時監測系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於位移測量、幾何位置測量、太陽能供電技術、GPS高精度定位技術、GPS 精確授時系統、VSAT衛星通信技術領域。利用位移傳感器技術，實現對地震波的水平和垂 直方向進行三維測量；利用太陽能實現對各個監測點設備供電；利用GPS高精度定位技術， 實現對監測點的三維導航與定位能力，具有良好的抗幹擾；利用GPS精確授時系統，實現了 控制中心與各個監測點具有同頻同相的同步時鐘信號；利用VSAT衛星通信技術，實現全國 範圍對該監測系統的無縫覆蓋和聯網。
背景技術：
2008年5月12日汶川地震和2010年4月14日玉樹地震給災區人民的生命和財 產造成了巨大損失。突如其來的強震大規模摧毀了現有的基礎通信設施，中斷了災區與外 界的通信聯絡，嚴重阻礙了抗震救災工作的及時、全面開展；在抗震救災現場，指揮及救援 人員迫切盼望將現場的圖像、語音以及相關的重要數據信息等實時傳至指揮中心，使指揮 決策人員提高決策的準確性和及時性，以增強對抗震救災的快速反應能力。目前，我國使用的地震監測設備均由國外進口，價格昂貴，傳輸方式有限，對於電 網所不能達到的地方無法實現監測。本系統測量精度高，成本低，利用太陽能供電設備解決 了邊遠山區監測點供電問題，利用衛星通信技術，進行數據的傳輸，不受任何時間和地點的 影響，便於大規模普及應用。我國面積遼闊，現有的監測設備無法對所有的區域進行統一的監測，資源不能實 現共享。為了解決這些問題，我們可以將全國版圖按照一定的距離分成若干個小正方形，距 離越短監測的建築數目越多，精度就越高，每個小正方形四個點都安裝本發明監測裝置，這 樣全國就有無數個監測點覆蓋，可以覆蓋全國範圍。
發明內容
本發明的目的是對現有的監測設備進行替換使用位移傳感器，同時對設備的供電 和信息傳輸進行改進，使用太陽能供電和VSAT衛星通信進行信息的傳輸，利用GPS進行高 精度定位和精確授時。提供一種結構合理、使用方便、成本低廉、覆蓋範圍廣、定位準確、通 信先進的監測設備和信息傳輸鏈路。本發明專利採用以下技術
該系統由控制中心、監測中心、位移傳感子系統、太陽能供電系統、衛星GPS高精度定 位技術、衛星GPS精確授時系統和VSAT衛星通信子系統組成。位移傳感系統實現對監測點 的水平、垂直三維立體空間的監測，將收集到的數據保存在數據處理中心。GPS高精度定位 技術確保了監測點的位置。GPS授時系統是保證了接受和發射方具有同頻同相的同步時鐘 信號。太陽能供電系統具有極高的自動化水平，可實施無人值守，能滿足設備日常供電問 題，有效解決了市電不能達到監測點的供電。VSAT衛星通信子系統是利用衛星鏈路將數據 處理中心測試結果傳送到控制中心，控制中心可以同時對全國多個目標進行實時的監控。系統整體框圖如圖1所示。
圖1基於衛星通信的地震實時監測系統原理框圖。圖2位移傳感子系統原理圖。圖3 VSAT衛星通信子系統原理框圖。圖4太陽能供電系統原理圖。
具體實施例方式首先太陽能供電裝置啟動，為設備持續提供電源，控制中心利用衛星GPS定位和 授時系統將全國各個監測點的收發子系統都全部精確定位並接到GPS衛星時鐘源上。利用 衛星鏈路發出信號通知整個系統開始工作。當整個系統開始工作時，每個監測點的位移傳 感對監測點進行水平和垂直三維空間的監測。當有震動發生時，監測點的傳感器會產生位 移，同時報警，並通過安裝在監測點的衛星傳輸系統將信息傳回控制中心。地震波是以弧形方式向外擴撒，接近弧形中心的先產生位移和報警，控制中心根 據震動點的位置通知其他監測中心，做好預防和撤離準備。本發明專利中每個子系統設計如下 1、位移傳感子系統
每個監測點採用三個傳感器，安裝在監測點的水平方向和垂直方向，水平方向分為X 軸和Y軸兩個方向，垂直方向為Z軸，分別獲得水平震動和垂直震動的信號。其原理圖如圖 2所示，當有位移發生時，傳感器採集到來水平X軸、水平Y軸和垂直方向Z軸的信號，傳感 器將輸出的信號通過IKHz的低通濾波器，濾除參雜在信號中的高頻幹擾；然後將濾波後的 信號傳送給放大器，放大器將輸入的信號放大到IVpp,送到ARM板進行轉換，由於採集到的 信號為模擬信號，此時，ARM上的AD轉換功能，將模型信號轉換成數位訊號，並傳送給數據 處理中心，同時，安裝在ARM板上的LED燈光報警裝置和蜂鳴器聲音報警裝置同時工作，產 生報警功能。2、GPS定位和授時系統
為了使衛星和地面控制中心、位移監測點能夠精確定位並具有同頻同相的同步時鐘信 號，本發明中採用GPS定位和授時系統。該系統是一個高精度、低成本、全天候和全球性的 無線電導航、定位和定時的多功能系統。GPS技術已經發展成為多領域、多模式、多用途、多 機型的國際性高新技術產業。利用GPS系統所製造的GPS授時系統，以GPS衛星為時間源，組合了現代計算機技 術和GPS衛星接受技術，可實現精確授時，從而實現遠距離設備的精確同步。本發明裝置所採用的GPS授時系統頻率可以為20MHz、40MHz、60MHz、80MHz，所使 用的頻率越高，則精度越高。3、VSAT衛星系統
VSAT衛星通信子系統由一個主站(控制中心)、衛星和1到k個VSAT終端(位移監測點) 三部分組成，VSAT衛星通信子系統原理框圖如圖3所示。VSAT衛星通信子系統工作原理㈠信號流程
信號發送網絡交換設備將接入的業務信息(包括數據、語音和圖像)，通過IP接入控 制器送入路由器；路由器將數位訊號送入數據機；經數據機的基帶處理和調製處 理後轉換為中頻信號，經射頻子系統送入天線子系統發向衛星。信號接收通過天線子系統接收到的由衛星轉發來信號，經射頻子系統分路處理 後，分別送入各數據機。經數據機解調、基帶處理後，轉換為數據信號送入路由器， 經過路由器送入IP接入控制器，然後送入網絡交換設備。㈡通信業務流程
本發明中採用的VSAT衛星系統可以為用戶提供電話通信、傳真收發、數據傳輸和圖像 傳輸等業務。㈢電話/傳真業務通過語音網關，轉換成IP數據，接入衛星網絡，通過衛星網絡 連接，實現控制中心與位移監測點之間電話/傳真業務的傳輸；
監測到的數據直接接入衛星終端，通過衛星網絡傳輸通道，實現控制中心與位移監測 點之間數據業務的傳輸；
音視頻信號經過音視頻切換器切換選擇，接入圖像編解碼器，通過圖像編解碼器對所 接入的視音頻信號進行量化、壓縮、編碼等處理，送入業務傳輸通道發向衛星，實現控制中 心與位移監測點之間圖像業務的傳輸，可以觀察到現場所發生的情況，為控制中心提供有 效的指揮依據。主站(監測中心)
主站(監測中心)，它是VSAT衛星通信子系統的心臟。主站使用較大型的天線，其天線直 徑一般為9m (Ku波段)或13m (C波段)，並配有高功率放大器(ΗΡΑ)、低噪聲放大器(LNA)、 上/下變頻器、數據機及數據接口設備等。主站通常與計算機放在一起或通過其它(地 面或衛星)線路與主計算機連接。為了對全網進行監測、管理、控制和維護，在主站內設有一個網絡控制軟體，對全 網運行狀況進行監控和管理，如實時監測、診斷各小站及主站本身的工作狀況，測試信道質 量，負責信道分配，統計等。操作員可在控制臺使用鍵盤進行操作，通過屏幕顯示並列印輸 出結果ο小站(VSAT終端)
VSAT小站由小口徑天線、室外單元和室內單元組成。VSAT天線有正饋和偏饋兩種形 式，正饋天線尺寸較大，而偏饋天線尺寸小、性能好(效率高、旁瓣小)，且結構上不易積雪， 因此採用偏饋式VSAT天線。室外單元主要包括GaAsFET固態功放、低噪聲場效應管放大 器、上/下變頻器和相應的監測電路等。整個單元可以裝在一個小金屬盒子內，直接掛在天 線反射器背面。室內單元主要包括數據機、編解碼器和數據接口設備等。室內外兩單 元之間以同軸電纜連接。傳送中頻信號和供電電源。整套設備結構緊湊、造價低廉、全固態 化、安裝方便、環境要求低，可直接與位移傳感子系統相連，不需要地面中繼線路。4、太陽能供電設備
太陽能供電設備由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池等三大部分組成。太陽能電池 板是太陽能發電系統中的核心部分，其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電 池中存儲起來，或直接推動負載工作。太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，並對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，控制器還具備溫度補償 的功能。蓄電池為鉛酸電池，解決了電能貯存問題蓄電池將日照充足時系統發出的多餘電 能，保留在夜間或無風的陰雨天使用，解決了發電與用電時間不一致的問題。該設備工作原理是，在白天有日照的時候，太陽能電池板負責接收太陽光，把光能 轉換成電能，經過電池充放電保護晶片後送入DC-DC轉換晶片給地震監測設備供電，同時 把用不完的電能送給蓄電池蓄電。在夜晚或陰雨天等沒有日照或日照很少時，蓄電池把存 儲的電能通過電池保護晶片送入DC-DC轉換晶片給地震監測設備供電。原理圖如圖4。電路中電池保護晶片負責實時監控太陽能電池板及蓄電池的工作電壓，同時監控 負載電流，在出現異常時(過充電、過放電及負載短路)，切斷太陽能電池板、蓄電池及負載 之間的通路，保護各電路部件安全，待異常現象消失時，再恢復之間的連接。
權利要求
一種基於衛星通信的地震實時監測系統，其特徵在於該系統包括控制中心子系統、監測中心子系統、位移傳感子系統、太陽能供電子系統、衛星GPS高精度定位子系統、衛星GPS精確授時子系統和VSAT衛星通信子系統。
2.根據權利要求1所述的基於衛星通信的地震實時監測系統，其特徵在於所述位移 傳感子系統中的每個監測點採用三個傳感器，安裝在該監測點的水平方向和垂直方向，水 平方向分為X軸和Y軸兩個方向，垂直方向為Z軸，分別獲得水平震動和垂直震動的信號。
3.根據權利要求2所述的基於衛星通信的地震實時監測系統，其特徵在於當有位移 發生時，所述傳感器採集到來水平X軸、水平Y軸和垂直方向Z軸的信號，傳感器將輸出的 信號通過IKHz的低通濾波器，濾除參雜在信號中的高頻幹擾；然後將濾波後的信號傳送給 放大器，該放大器將輸入的信號放大到lVpp，送到ARM板進行轉換，此時，ARM上的AD轉換 功能，將模型信號轉換成數位訊號，並傳送給數據處理中心，同時，安裝在ARM板上的LED燈 光報警裝置和蜂鳴器聲音報警裝置同時工作，產生報警功能。
4.根據權利要求1所述的基於衛星通信的地震實時監測系統，其特徵在於所述衛星 GPS高精度定位子系統，以GPS衛星為時間源，精確授時，從而對遠距離設備精確同步。
5.根據權利要求1所述的基於衛星通信的地震實時監測系統，其特徵在於所述VSAT 衛星通信子系統由一個主站即控制中心、衛星和1到k個VSAT終端即位移監測點三部分組 成。
6.根據權利要求5所述的基於衛星通信的地震實時監測系統，其特徵在於所述VSAT 衛星通信子系統的信號流程如下信號發送網絡交換設備將接入的包括數據、語音和圖像的業務信息，通過IP接入控 制器送入路由器；路由器將數位訊號送入數據機；經數據機的基帶處理和調製處 理後轉換為中頻信號，經射頻子系統送入天線子系統發向衛星；信號接收通過天線子系統接收到的由衛星轉發來信號，經射頻子系統分路處理後，分 別送入各數據機，經數據機解調、基帶處理後，轉換為數據信號送入路由器，經過 路由器送入IP接入控制器，然後送入網絡交換設備。
7.根據權利要求5所述的基於衛星通信的地震實時監測系統，其特徵在於所述VSAT 衛星通信子系統的通信業務流程如下電話/傳真業務通過語音網關，轉換成IP數據，接入衛星網絡，通過衛星網絡連接，實 現控制中心與位移監測點之間電話/傳真業務的傳輸；數據業務通過將監測到的數據直接接入衛星終端，通過衛星網絡傳輸通道，實現控制 中心與位移監測點之間數據業務的傳輸；圖像業務通過將音視頻信號經過音視頻切換器切換選擇，接入圖像編解碼器，通過圖 像編解碼器對所接入的視音頻信號進行量化、壓縮、編碼等處理，送入業務傳輸通道發向衛 星，實現控制中心與位移監測點之間圖像業務的傳輸。
8.根據權利要求5所述的基於衛星通信的地震實時監測系統，其特徵在於所述主站 包括大型天線直徑為對於Ku波段的9m或對於C波段的13m，並配有高功率放大器ΗΡΑ、低 噪聲放大器LNA、上/下變頻器、數據機及數據接口設備；該主站與計算機放在一起或 通過其它地面或衛星線路與主計算機連接，該主站內設有一個網絡控制軟體，對全網運行 狀況進行監控和管理；所述VSAT終端即位移監測點由小口徑天線、室外單元和室內單元組成，所述天線天線有正饋和偏饋兩種形式；所述室外單元包括GaAsFET固態功放、低噪聲場 效應管放大器、上/下變頻器和相應的監測電路；所述室內單元包括數據機、編解碼器 和數據接口設備。
9.根據權利要求1所述的基於衛星通信的地震實時監測系統，其特徵在於所述太陽 能供電子系統中的太陽能供電設備由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池等三大部分組 成。
10.根據權利要求9所述的基於衛星通信的地震實時監測系統，其特徵在於所述太陽 能電池板將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或直接推動負載工作； 所述將太陽的輻射能力轉換為電能的過程是經過電池充放電保護晶片後送入DC-DC轉換 晶片給地震監測設備供電，同時把用不完的電能送給蓄電池蓄電；電路中電池保護晶片實 時監控太陽能電池板及蓄電池的工作電壓，同時監控負載電流，在出現異常時包括過充電、 過放電及負載短路時，切斷太陽能電池板、蓄電池及負載之間的通路，保護各電路部件安 全，待異常現象消失時，再恢復之間的連接。
全文摘要
一種基於衛星通信的地震實時監測系統，該系統包括控制中心子系統、監測中心子系統、位移傳感子系統、太陽能供電子系統、衛星GPS高精度定位子系統、衛星GPS精確授時子系統和VSAT衛星通信子系統；利用位移傳感器技術，實現對地震波的水平和垂直方向進行三維測量；利用太陽能實現對各個監測點設備供電；利用GPS高精度定位技術，實現對監測點的三維導航與定位能力，具有良好的抗幹擾；利用GPS精確授時系統，實現了控制中心與各個監測點具有同頻同相的同步時鐘信號；利用VSAT衛星通信技術，實現全國範圍對該監測系統的無縫覆蓋和聯網。
文檔編號H02N6/00GK101995582SQ20101026806
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者何戎遼, 倪國超, 吳偉林, 張龍, 潘寧波, 王勇, 王維軍 申請人:成都林海電子有限責任公司