一种基于北斗短报文通信的地震数据采集方法及地震仪器与流程

1.本发明涉及地球物理勘探技术领域，特别涉及油气地震勘探中实施地震数据采集的地震仪器技术。


背景技术：

2.近几十年的地下矿物发现和探明手段证明，地震勘探是寻找地下矿藏特别是油气资源的最有效方法。所以，油气地震勘探技术得到了长足的发展，目前正在蓬勃兴起的是高精度、高密度、宽频带地震勘探技术。
3.地震仪器是实现地震波传感、采集和记录的核心装备，也是决定油气地震勘探综合成效的关键因素。所以，近百年来不断根据物探技术发展需求和电子工程科学发展成果研发一代比一代更先进的地震仪器，就成为满足精细化油气地震勘探的必然选择。当前，地震仪器技术发展进入新的时期，广泛应用最新科学技术的发展成就，研发高度自动化、智能化的新型地震仪器已经成为油气地震勘探技术发展的新常态。
4.为了适应高精度、高密度、宽频带地震勘探技术发展需求，近些年研发推出了大量的节点式地震仪器，目前节点式地震仪器已经成为满足复杂地表高精度、高密度、高效率地震勘探的首选。虽然时下的节点式地震仪器对于满足低成本、高效率、绿色环保油气勘探有着不可替代的优势，但就高度的自动化、智能化需求而言仍有许多不足。例如，因为通信能力问题当下的节点式地震仪器没有任何一款可以实时向控制中心报告工作状态，致使出现致命问题(如电池电量过低)时，无法得到及时解决而损失地震数据；因为卫星定位高程测量精度等问题当下的节点式地震仪器没有任何一款可以实现真正意义上的无桩号施工；因为不能自主补充电能在电量耗尽后，无法发出位置信息和应答搜寻指令而造成设备丢失；因为充电或数据下载回路都通过站体上的裸露触点构成，触点容易磨损或污染导进而致接触不良；等等。
5.在已公开的专利文件中，以北斗卫星系统作为通信平台的地震仪器有多种，其中cn104793531a“无缆地震仪远程监控系统及方法和野外工作方法”，就是典型的代表。cn104793531a提供的方法是,由地面控制中心的上位机经uart、北斗指挥机和北斗卫星与父节点位置地震仪通信，父节点位置地震仪通过wifi与采集站构成无线组网。但是cn104793531a提供的方法和技术，因为采用wifi技术作为采集站组网通信的基础，而且是通过卫星实现远程交互式双向通信，需要开销大量的时间、信道、电源等资源，在地震道足够多时(万道以上)，无法满足低功耗、全实时、低成本、全自动等的需求。因此，如果能发明一种可实现低功耗、全实时、低成本、全自动的卫星通信地震仪器，解决现有技术固有的不足，便为高效率、低成本地震勘探提供新的支撑。
6.在已有的位置坐标高精度定位技术中，都是采用参考点与定位点一对一的工作模式，或参考点与定位点通过电台通信模式，或通过星际差分模式来实现，这就要求有足够多的通信信道或足够多的参考站或足够多的经济投入，对于万道以上的地震测网，这些技术缺乏实用性和经济性。如果能发明一个参考站能同步为万道级的地震道提供实时动态差分
定位技术，实现节点单元位置坐标的高精度定位，便为地震勘探无桩号施工提供可能。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种基于北斗短报文通信的地震数据采集方法及地震仪器，解决当前节点式地震仪器不能实时反馈影响地震数据采集质量的工作状态、不能满足无桩号施工、不能自主充电、不能无线非接触式下载数据、不能借助rfid进行身份识别等技术问题，进而为满足复杂地表高精度、高密度、宽频带地震勘探技术的发展需求提供装备保障。
8.为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
9.一种基于北斗短报文通信的地震数据采集方法，包括节点单元应急状态实时自主检测、判定、编码、接力传送步骤，节点单元位置坐标集群同步高精度定位、失踪节点单元自主播报位置和身份步骤；以“lora”无线通信技术为基础，结合“zigbee”无线通信技术的通信协议，形成自组网接力传输通信平台，实现任意节点单元之间双向低功耗通信；节点单元的工作状态采用二进制编码，当自主检测到致命性错误时，这些错误包括工作电压过低、存储容量过少、质控指标超限、工作温度超限等，编码相应状态为1，其他情况的编码总是为0，并在设定的下一个交互周期内自动将状态码1经通信基站以短报文形式传输到中央控制系统，进而实现远程实时质量控制；参考站按设计的时间窗口同步向关联的节点单元广播定位修正量，节点单元据此实现高精度的坐标定位；当节点单元进入失踪状态时，在计时器触发下利用太阳能自主报告位置坐标和身份码，减少因失踪而丢失节点单元；双向通信的信息交互也支持利用公网通信平台，对于有公网的环境可用手机通信取代短报文通信和基准参考站。
10.节点单元内有工作状态实时监测电路，一旦检测到危害采集数据质量的应急状态，立刻自主启动编码传送机制，将应急状态和身份按设计规则编码，应急状态采用二进制编码，即“0”表示正常，“1”表示事件发生，用32位编码事件状态，前20位是前缀和节点单元id号，后12位是事件状态和校验码。应急状态码按关联好的方向经节点单元无线接力传输到北斗卫星通信基站，由此转换为短报文格式上传到北斗卫星系统，再经由北斗卫星系统或公网将应急状态码送到任意远的地震仪器控制中心。
11.所述的节点单元位置坐标集群同步高精度定位步骤是gnss全球卫星导航系统参考站与北斗卫星通信基站在物理结构上是一体的，参考站按设计的时间窗口接收相应星系的坐标定位信息，并根据参考站已知量求取修正量，然后以无线接力方式将修正量实时广播到相关联的所有节点单元，节点单元据此完成高精度定位。参考站的覆盖半径不能超过25km，如果作业工区足够大，就需要设置多个参考站，确保工区内的所有节点单元到全球卫星导航系统参考站的距离都在25km内；在平坦的地表环境，参考站与首个节点单元之间的通信距离大于2km，为解决排列线之间的通信，在山地、丛林、沟壑复杂环境，可以借助静音节点单元充当中继站，实现任意距离首个节点单元与参考站的通信；单个参考站最多可管理节点单元4万个。
12.所述的失踪节点单元自主播报位置和身份步骤是节点单元内有访问间隔计时器，如果在设定的时间内无任何信息交互，就自动判定为失踪单元。此时，节点单元自动进入失踪工作模式，在太阳能支持下一方面按设计的时间窗口广播所在位置和站号，另一方面又随时接收任何可能的查寻访问指令，并按要求报告状态，实现失踪单元的自动查找。
13.节点单元采用结构分层，依次顶层为电路层、中层为电池层、底层传感层和尾锥四个部分；如果选择mems数字传感时省略传感层；在电路层中主要包括采集电路、状态监控与测试电路、无线数据下载接口、控制电路与固件程序、卫星信号接收电路、时钟与授时电路、坐标定位电路、无线充电控制接口、电源电路、输入输出电路、编码和译码电路、太阳能充电控制电路等；电池层集成有18650锂电池组；传感层，仅选择模拟传感器时需要内置自然频率≤5hz、灵敏度≥100v/m/s、失真度≤0.1％的检波器芯体；节点单元外形采用适合耦合和机械化收放的流线型设计，顶面中心有三色灯、卫星信号接收天线、微波通信天线，顶面外围是太阳能板；中层和底层采用一体化设计，顶层和中层之间有防水密封圈并采用若干螺丝固定；电池层正面是rfid标签，标签内有id号等信息。
14.一种基于北斗短报文通信的地震数据采集方法实现的地震仪器，包括实现无触点的电池充电和数据下载的无线数据下载接口、无线充电控制接口；还包括镶嵌的太阳能板支持太阳能辅助充电；节点单元上固化的rfid电子标签，有唯一的id号等身份信息，实现节点单元的自动化识别和现场位置id号关联；支持选择mems数字传感器或模拟检波器，选择模拟检波器时具有自然频率≤5hz、灵敏度≥100v/m/s、失真度≤0.1％的属性。
15.本发明与现有方法和技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：
16.1、本发明创造的基于北斗短报文通信的地震仪器，具有国际先进地震仪器的一般属性，能宽频、大动态、高精度地采集地震数据，为高精度、高密度、高效率、低成本油气地震勘探提供一套全新的节点式地震数据采集装备。相对以往的节点式地震仪器，本发明提供的地震仪器具有高精度位置坐标定位、节点单元关键工作状态实时传输，并兼有太阳能充电、非接触式充电和通信、rfid身份识别、失联时自主播报位置、节点单元工作状态三色灯显示、适合耦合和机械化操作外形等独特技术和性能。
17.2、以往的节点式地震仪器自主定位坐标精度不能满足油气地震勘探的技术需求，自然不能实现无桩号施工。本发明提供的位置坐标高精度定位技术，支持现有的四个全球卫星导航系统bds、gps、glonass、galileo，实现的方式是由基准参考站按设计时间点生成实时坐标定位需要的修正量，此修正量借助节点单元实时顺序接力通信管道同步传递到所覆盖的每一个节点单元，使得同一时刻所管辖全部节点单元同步完成定位坐标修正，由此实现节点单元位置坐标的高精度定位。能够使节点单元的自主定位坐标精度完全满足油气地震勘探的技术需求，为实现真正意义上的无桩号施工提供可能，进而在减少施工工序，提高施工速度的同时还节约了投入成本。
18.3、以往的节点式地震仪器无法实时向控制中心报告节点单元随机出现的突发事件，只能去现场才能掌握节点单元工作状态，这样不仅费工费时，更可怕的是不能及时解决节点单元随机出现的问题，进而导致地震数据缺失或损失，严重影响地震数据品质。本发明提供的基于北斗短报文通信功能实现节点单元随机出现的突发事件及时报告技术，能够在地震仪器控制中心实时发现节点单元的异常工作状态，进行远程实时质量控制，为第一时间解决问题提供机会，这样既减少现场的巡视工作，又能及时发现和解决节点单元随机出现的突发故障，保障了地震数据品质。
19.4、本发明提供的通信方法，以成熟的“lora”无线通信技术为基础，同时结合“zigbee”无线通信技术的通信协议，开发注入自有的专用技术，形成独特的自组网有序接力传输低功耗无线通信技术，以野外实际部署测线(一般二维是一条测线、三维是多条测
线)为基本链路，节点单元之间按摆放顺序接力通信，不同测线之间通过桥接器(静默状态的节点单元)实现互联互通，以此达到节点单元之间长距离、低功耗、双方向、全实时、全自动通信。
20.5、本发明提供的通信方法需要卫星传输的内容主体仅仅是节点单元的异常状态，信息量很少，按8万个节点单元配置(目前最大配置7万)的测网计算，正常情况下(不出现山洪爆发、地震、火灾等不可抗力事件)日产生的信息量不大于40kb，两张终身分钟卡便可轻松完成这一任务。通常，两张终身分钟卡的费用在10000圆左右，折合日费用不足10圆，以此达到低成本效果。
21.6、现行的节点式地震仪器没有太阳能充电功能，完全靠内置蓄电池供电，一旦电量耗尽工作便停止，遇到遗失等特殊情况无法通过无线查寻方式找回。本发明提供的太阳能充电节点单元，不仅可以适当延长工作时间，更重要的是无论遗失多久，只要有太阳能就有机会通过无线查寻方式确认失联单元的位置，由此找回失联任意时间的单元，进而减少设备和数据的损失。
22.7、本发明提供的非接触式(无线)充电和数据下载技术，使得节点单元外部没有任何金属触点，不仅减少了硬件接触性故障，还简化了节点单元的充电和数据下载操作流程。
23.8、本发明提供的rfid技术，非常方便设备的出入库管理，不仅提高设备统计管理的效率和准确性，而且简化了设备出入库管理和现场位置id号关联的操作，实现了设备运移的自动化识别。
24.9、本发明提供的流线型外观设计，一方面为机械化收放操作提供便利，另一方面还为其与大地耦合良好提供条件，进而为保障地震数据品质和实现自动化收放提供基础前提。
25.10、本发明提供的节点单元状态公网传输技术，在公网信号覆盖地区，可以借助公网将节点单元随机出现的突发事件以短信形式报告给地震仪器控制中心，使得控制中心能实时发现节点单元的异常工作状态，进行远程实时质量控制，为第一时间解决问题提供机会，这样既减少现场的巡视工作，又能及时发现和解决节点单元随机出现的突发故障，将以往的完全盲目采集转变为可实时质控的监管采集，为保障地震数据品质提供条件。
26.11、本发明提供的节点单元支持选择mems数字传感器或模拟检波器，选择模拟检波器时具有宽频(自然频率≤5hz)、高灵敏度(灵敏度≥100v/m/s)、高精度(失真度≤0.1％)的属性，选择mems数字传感器时具有响应一致性强、无相位失真、低频丰富、不怕环境电磁信号干扰等。
附图说明
27.图1是本发明所述一种基于北斗短报文通信的地震仪器实现方法原理示意图。
28.图2是本发明所述一种基于北斗短报文通信的节点单元结构示意图。
29.图3是本发明所述一种基于北斗短报文通信的节点单元电路框图。
30.图4是本发明所述一种基于北斗短报文通信的地震仪器示意工作流程。
31.图中编号：01-内置三色灯，02-内置北斗天线，03-内置接力天线，04-太阳能电池板，05-内置无线充电端口，06-内置无线下载端口，07-上下壳体固定螺丝，08-内置电路板层，09-内置锂电池，10-rfid电子标签。
具体实施方式
32.本发明是以北斗卫星系统特有的短报文通信功能为基础，以无线(非接触式)充电和数据下载技术为支撑，以太阳能充电技术为辅助，通过融合和借鉴现有节点式地震仪器的先进技术，设计一款既能实时报告关键质控数据又能真正实现无桩号施工，并兼有太阳能充电、非接触式充电和通信、rfid技术、适合耦合和机械化操作外形等的新型节点式地震仪器。本发明不仅解决了传统节点式地震仪器及现有技术的既有问题，而且提高了施工作业的效率和质量，为高精度、高密度、高效率、低成本地震勘探提供了全新的装备支撑。本发明较好的解决了包括节点单元之间无线接力通信机制的设计与实现，桥接节点集合和北斗卫星的通信基站设计与实现，适合耦合和机械化操作的外形设计与实现，无触点充电和信息传递技术的应用与实现，太阳能充电技术的应用与实现，rfid技术的应用与实现，国际先进节点式地震仪器相关技术的融合借鉴与集成等技术难题。
33.下面结合附图，对本发明的技术方案的实施例详细说明：
34.本部分内容结合图1和图2对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
35.如图1所示，一种基于北斗短报文通信的地震仪器，以北斗卫星的短报文通信功能为依托，以国际先进的节点式地震仪器技术为基础，借助成熟的低功耗双向接力无线通信技术，位置坐标高精度差分定位技术，无线充电和数据传输技术等，实现节点单元突发事件状态实时报告控制中心，采集点位置坐标高精度定位等独创技术。一种基于北斗短报文通信的地震仪器主要有五大部分的实现组织，其特征在于：用来满足定位、授时、短报文通信的北斗卫星群10，用来完成地震数据采集等工作的节点单元20，充当北斗卫星与节点单元通信桥梁的坐标定位参考站和短报文集成收发通信基站站30，通过北斗卫星管控通信基站和收发短报文的指挥机40，与指挥机40直接通信且完成节点单元充电、数据下载、质量控制等任务的地震仪器控制中心50。
36.所述满足定位、授时、短报文通信的北斗卫星群10是保障地震仪器节点单元精确授时、准确定位、远程通信的外部支撑。它不是本发明所提供地震仪器系统的组成部分，是本发明所提供节点单元实现无桩号施工和质量状态信息远程实时传输的充分必要条件。
37.所述节点单元20用于采集地震数据。它是地震仪器的基础单元，也是完成地震数据采集、数据存储、卫星授时、卫星定位、信息交互、自主测试、状态监测等工作的核心部件。本节点单元的基本功能与国际同类先进产品相当，特殊之处是增加差分定位功能和无线接力通信功能。
38.所述卫星通信基站(参考站)30，是实现短报文通信和精确定位的桥梁。它以网关方式联接地震排列中的节点单元，一方面按设定的机制向节点单元广播坐标精确定位所需要的修正量(差分信号)，另一方面在指挥机管控下接收来自节点单元的紧急事件状态码，并按设定的规则以短报文形式向北斗卫星广播。在公网信号覆盖地区，卫星通信基站便通过公网直接将节点单元的紧急事件状态码传输到地震仪器控制中心。
39.所述北斗卫星短报文指挥机40，是接收来自北斗卫星(带有地址指向)的短报文，并解调译码出节点单元紧急事件状态码供控制中心使用。另一方面，指挥机也以短报文方式管控配套的卫星通信基站。
40.所述地震仪器控制中心50，等同常规节点式地震仪器的基地保障系统。主要负责
节点单元的地震数据下载、参数设置、性能测试、电池充电、数据切分合成、数据显示、质量控制等任务，同时作为控制中心接收北斗卫星短报文指挥机来的短报文译码信号，并在排列布设图上实时显示节点单元状态。
41.如图2所示，一种基于北斗短报文通信的节点单元，是实施地震数据采集的基本部件。节点单元集成和融合了国际先进同类型产品的基本功能和技术，同时特别引入了无线充电、无线下载、rfid电子标签、太阳能充电、低功耗双向接力通信、差分定位技术等，并具有适合机械化操作和大地耦合的外形设计，能满足低成本、高精度、宽频带油气地震勘探的需求。一种基于北斗短报文通信的节点单元主要有12个基本组织和功能模块，其特征在于：位于上壳体中心透明塑料内部的三色灯01；位于上壳体中央右侧(三色灯外围)钢化塑料内部的北斗卫星信号接收天线02；位于上壳体中央左侧(三色灯外围)钢化塑料内部的节点单元双向接力通信天线03；供锂电池辅助充电的太阳能面板04；内置无线充电端口05，为锂电池充电提供输入接口；内置无线下载端口06，是节点单元与控制中心信息交互的接口；固定螺丝07；内置电路板组08；内置锂电池组09；rfid电子标签10；内置检波器芯体11；金属尾锥12。
42.所述三色灯01是节点单元运行状态指示器，共有红、黄、绿3种颜色，红色表示工作状态异常(如工作电压过低、存储容量过少、质控指标超限、工作温度超限等，此时不能采集地震数据)、黄色表示正在初始化(如内部测试、搜星、启动等)、绿色表示工作状态正常(指示正在采集地震数据)。
43.所述节点单元北斗卫星信号接收天线02，所处的中央右侧位置略高于太阳能板(保证通信效果)。北斗卫星信号接收天线用来接收北斗卫星信号，为节点单元授时和坐标定位服务，授时和定位按设计的时间周期进行。
44.所述节点单元双向接力通信天线03，所处的中央左侧位置也略高于太阳能板(保证通信效果)。节点单元双向接力通信天线为节点单元间接力传输状态信息、指令信号、坐标精确定位所需差分信号等服务，节点单元的紧急事件状态码按设计的规则编排和传送。
45.所述太阳能面板04，在光照充足时为锂电池组补充电能，正常模式下通过补充锂电池组电能以便延长续航时间，失踪模式下为节点单元自主或应答广播坐标和id号提供必要的支持能源。
46.所述内置无线充电端口05，通过此口和相应的内置电路将电磁能转换为直流电给锂电池组充电。
47.所述内置无线下载端口06，是wifi通信端口，一方面通过此口下载节点单元的地震数据、测试数据或状态信息，另一方面通过此口完成节点单元工作参数设置、固件升级、性能测试。
48.所述固定螺丝07，共有4个固定螺丝用来密封固定上下壳体，固定螺丝位置同时还是提拉绳安装点。
49.所述内置电路板组08，是节点单元的核心组织，主要包括采集电路、存储电路、mens数字传感电路(可选)、授时电路、坐标定位电路、充电电路、测试电路、输入输出电路、控制电路、编译码电路等，这些电路在相应固件和参数支持下，协调完成驯钟、定位、测试、监听、收发、采集、存储等工作。节点单元的技术指标、主要功能等都体现在电路板上，整体上节点单元的性能与国际同类先进产品相当。
50.所述内置锂电池组09，以18650规格锂电池芯为基础，组合成4.8v标准电压，续航时间不少于30天的节点单元工作电源。
51.所述rfid电子标签10，是标准化的产品，安装在特定的位置，一方面为节点单元的出入库管理和现场位置id号关联提供自动数字识别机制，另一方面它还是节点单元在充电下载柜上正确安放的定位参考(面向rfid电子标签)。
52.所述内置检波器芯体11(选择mems数字传感器时省略本部分)，是实施地震信号传感部件，由他将震动信号转换为等同属性的电信号。检波器芯体具有宽频(自然频率≤5hz)、高灵敏度(灵敏度≥100v/m/s)、高精度(失真度≤0.1％)属性，保证地震波传感质量。
53.所述合金材料尾锥12，是节点单元与大地紧密耦合的地下部件，对于沙土地区实际操作时，除上壳体外整个下壳体都应埋入地下。
54.如图3所示，一种基于北斗短报文通信的节点单元电路，是实现本发明方案的核心所在。相比传统的节点单元，其中的创新主要体现在状态监控与测试电路、高精度坐标定位电路、编码和译码电路、控制电路、无线数据下载接口、无线充电接口、太阳能充电电路等。这些电路在特定固件程序支持下，协同完成地震数据采集、存储，以及高精度坐标定位和工作状态实时自主监控等功能。一种基于北斗短报文通信的节点单元电路主要包括14个基本功能组织，其特征在于：采集电路100、卫星信号接收电路101、状态监控与测试电路102、时钟与授时电路103、坐标定位电路104、存储电路105、控制电路和固件程序106、无线充电控制接口107、无线数据下载接口108、电源电路109、锂电池组110、太阳能充电电路111、输入与输出电路112、编码和译码电路。
55.所述采集电路100，包括内置传感器(检波器)、输入滤波、前置放大、模数转换、数字滤波、处理器等器件，用它完成地震波的传感、低通滤波、放大、数字化、去假频滤波等本质功能。
56.所述卫星信号接收电路101，包括内置卫星接收天线、接收模块等器件，是保障节点单元持续有效工作和精确定位的基础，由它接收全球导航卫星(gnns)信号，并按设计的时间点为后续电路提供授时秒脉冲和坐标定位信号。
57.所述状态监控与测试电路102，包括测试信号源、测试器件、测试开关、比较器、传感器、寄存器、检测器、处理器、触发器、三色指示灯等器件，在固件程序控制下，完成采集通道电气特性(噪声、电阻、畸变、倾角等)的检测，并对存储容量、电池电压、卫星信号状态、单元体温度、采集通道状态(噪声、电阻、畸变、倾角等)进行实时监测和显示，一旦监测到异常便自主触发异常状态编码传输机制。
58.所述时钟与授时电路103，主要有晶体振荡器、分频器、寄存器、锁相环、驱动器等组成，在卫星授时秒脉冲的支持下，为采集电路和存储电路等提供精确的时钟信号，确保不同节点单元的采集样点同步。
59.所述坐标定位电路104，是实现高精度定位的核心，包括寄存器、运算器、存储器、比较器等器件，按设计的时间窗口，在卫星定位信号和来自参考站对应差分信号的支持下完成高精度的坐标定位。
60.所述存储电路105，主要由读写电路和大容量存储芯片等组成，用来永久性存储地震数据和测试数据。
61.所述控制电路和固件程序106，包括中央处理器、现场可编程阵列、存储器、寄存器
等，由他协调管控所有电路按设计的参数和方式有序工作。
62.所述无线充电控制接口107，包括内置耦合感应线圈、电磁能转换器、充电电路、监测电路等，在机柜上通过它对锂电池组进行无接触充电。
63.所述无线数据下载接口108，包括内置通信线圈、驱动器、调制解调器、缓冲器等，在机柜上通过它完成地震数据、测试数据的下载，以及实现工作参数上传、固件升级等。
64.所述电源电路109，主要由脉冲调制器、电感线圈、整流器、稳压器等组成，由他产生5v、3v、
±
2.5v、1.8v、1.2v，为所有工作电路提供电源。
65.所述锂电池组110，由标准的18650锂电池芯通过组合形成7.2v输出的锂电池组，为电源电路提供工作电源。
66.所述太阳能充电控制电路111，包括外置太阳能面板1111、充电电路等，在阳光充足时由他持续为锂电池组充电。
67.所述输入与输出电路112，包括内置接力通信天线、驱动器、调制解调器、缓冲器等，由他实现节点单元之间无线接力通信。
68.所述编码和译码电路113，包括微处理器、缓冲器、编码器、译码器等器件，当出现异常状态或收到坐标定位修正量时，由他负责编码状态信息或解码坐标定位修正量供坐标定位电路用。
69.如图4所示，一种基于北斗短报文通信的地震仪器基本工作流程，是实现节点单元异常状态自主报告、位置坐标高精度测量、失联时自主报告位置和站号的基本算法。布设到野外排列前，所有的节点单元集中进行参数配置，然后按设计的观测系统放置。开机时进行自检并通过卫星定位匹配物理点，然后按设计时间点进入动态监测和正常工作(连续采集和存储地震数据)状态。当到达差分定位窗口时，接收参考站广播的坐标修正量，进行高精度定位(已经完成高精度定位的忽略此步骤)。当监测到异常状态(如倾角超限)时，立刻启动异常状态编码传输机制，并在设计的时间点(可设计为任何时间点或当下)连同id号和状态码以无线接力方式传输到北斗基站。北斗基站收到编码信息后，按短报文格式编排信息，并在设计条件(收集15条或计时周期到)达到时向北斗卫星广播相应的短报文。地面控制中心收到北斗卫星转发的短报文时，进行译码和校验并在显示屏上按关联的位置展示相应节点单元的异常状态类型，以便及时解决出现异常节点单元的问题。如果期间出现失联节点单元(在规定的时间内没有收到任何信息)，自主进入失踪工作模式，随时接收查询访问指令，并定时播报位置信息和id号。按此流程持续工作，直到关机或人为终止。
70.一种基于北斗短报文通信的地震仪器的工作流程，包括下述实施步骤：
71.步骤1：借鉴以往成熟节点式地震仪器的相关技术，按照设计的实施方案开发基于北斗短报文通信的节点单元。
72.步骤2：借鉴以往成熟节点单元固件技术，按照设计的实施方案和技术要求开发适合北斗短报文通信节点单元的各种固件。
73.步骤3：借鉴以往成熟节点式地震仪器的数据集成管理技术等，按照设计的实施方案和技术要求开发配套基于北斗短报文通信节点单元的数据下载、切分、合成、排列管理的服务器和参数设置、性能测试、电池充电机柜。
74.步骤4：借鉴以往成熟节点式地震仪器的数据集成管理软件技术等，按照设计的实施方案和技术要求开发用于数据下载、切分、合成、排列管理服务器和节点单元参数设置、
软件升级、性能测试、电池充电等的应用软件。
75.步骤5：按照设计的实施方案和技术要求与第三方(北斗卫星服务商)联合开发北斗短报文通信系统(卫星通信基站和指挥机)。
76.步骤6：按照设计的实施方案和技术要求与第三方联合开发节点单元坐标定位标准参考站(硬件和软件)。
77.步骤7：按照设计的实施方案和技术要求，将坐标定位标准参考站和北斗短报文通信执行机集成为卫星通信基站，同时将公网通信功能置入其中。
78.步骤8：按照设计的需要，从机柜上为节点单元设置工作参数(特别设置好坐标定位时间窗口、紧急事件状态码生成机制等)、性能测试、固件升级、电池充电等，确保节点单元完好。
79.步骤9：按照设计的需要，对北斗星短报文通信系统(卫星通信基站和指挥机)进行工作参数设置。
80.步骤10：根据野外施工作业区域的分布情况，结合卫星通信基站的管理能力，选择卫星通信基站的布设位置，并完成选定(参考站)位置坐标的精确测量，确保卫星通信基站工作正常。
81.步骤11：按照理论设计的观测点位置图，借助卫星导航定位系统完成节点单元的野外布设和启动。
82.步骤12：根据选定的坐标位置布设卫星通信基站(视工区面积可以布设多个不同编号的卫星通信基站)，确保卫星通信基站工作正常。
83.步骤13：根据实际工作环境，在后勤基地完成北斗指挥机和地震仪器控制中心安装调试。
84.步骤14：开启整个地震仪器系统的工作电源，自动完成初始化测试，一切正常后进行自主工作模式。
85.步骤15：标准参考站按设定的时间窗口向所服务的节点单元提供精确定位需要的修正量，节点单元在同一时间窗口完成精确定位并保存坐标。
86.步骤16：当节点单元出现紧急事件时(如电池电压过低)，启动应急管理机制，节点单元按设计的流程将紧急事件对应的状态码以接力通信方式传送到卫星通信基站，卫星通信基站按设计的流程以短报文方式发送状态码(如果是公网信号覆盖区域便由公网发送状态码)。
87.步骤17：北斗指挥机在收到短报文状态码后，按约定的规则解码和解调短报文状态码为节点单元状态，并输出到地震仪器控制中心。
88.步骤18：地震仪器控制中心显示器以地理信息、sps文件和qc数据为背景，形象地展示野外节点单元的物理位置关系。当收到北斗指挥机来的节点单元紧急状态码时，立即在图上相应节点单元位置变成红色，并有相应提示。
89.步骤19：控制中心工作人员根据节点单元显示的具体问题，通过手机(公网信号覆盖地区)或电台(无公网信号地区)向施工现场传递整改指令。
90.步骤20：施工现场按控制中心提示整改相应节点单元的故障，进而完成北斗短报文通信的全部关联业务。

技术特征：
1.一种基于北斗短报文通信的地震数据采集方法，包括节点单元应急状态实时自主检测、判定、编码、接力传送步骤，节点单元位置坐标集群同步高精度定位、失踪节点单元自主播报位置和身份步骤；其特征在于，以“lora”无线通信技术为基础，结合“zigbee”无线通信技术的通信协议，形成自组网接力传输通信平台，实现任意节点单元之间双向低功耗通信；节点单元的工作状态采用二进制编码，当自主检测到致命性错误时，这些错误包括工作电压过低、存储容量过少、质控指标超限、工作温度超限等，编码相应状态为1，其他情况的编码总是为0，并在设定的下一个交互周期内自动将状态码1经通信基站以短报文形式传输到中央控制系统，进而实现远程实时质量控制；参考站按设计的时间窗口同步向关联的节点单元广播定位修正量，节点单元据此实现高精度的坐标定位；当节点单元进入失踪状态时，在计时器触发下利用太阳能自主报告位置坐标和身份码，减少因失踪而丢失节点单元；双向通信的信息交互也支持利用公网通信平台，对于有公网的环境可用手机通信取代短报文通信和基准参考站。2.根据权利要求1所述的一种基于北斗短报文通信的地震数据采集方法，其特征在于，节点单元内有工作状态实时监测电路，一旦检测到危害采集数据质量的应急状态，立刻自主启动编码传送机制，将应急状态和身份按设计规则编码，应急状态采用二进制编码，即“0”表示正常，“1”表示事件发生，用32位编码事件状态，前20位是前缀和节点单元id号，后12位是事件状态和校验码。应急状态码按关联好的方向经节点单元无线接力传输到北斗卫星通信基站，由此转换为短报文格式上传到北斗卫星系统，再经由北斗卫星系统或公网将应急状态码送到任意远的地震仪器控制中心。3.根据权利要求1所述的一种基于北斗短报文通信的地震数据采集方法，其特征在于，所述的节点单元位置坐标集群同步高精度定位步骤是gnss全球卫星导航系统参考站与北斗卫星通信基站在物理结构上是一体的，参考站按设计的时间窗口接收相应星系的坐标定位信息，并根据参考站已知量求取修正量，然后以无线接力方式将修正量实时广播到相关联的所有节点单元，节点单元据此完成高精度定位。参考站的覆盖半径不能超过25km，如果作业工区足够大，就需要设置多个参考站，确保工区内的所有节点单元到全球卫星导航系统参考站的距离都在25km内；在平坦的地表环境，参考站与首个节点单元之间的通信距离大于2km，为解决排列线之间的通信，在山地、丛林、沟壑复杂环境，可以借助静音节点单元充当中继站，实现任意距离首个节点单元与参考站的通信；单个参考站最多可管理节点单元4万个。4.根据权利要求1所述的一种基于北斗短报文通信的地震数据采集方法，其特征在于，所述的失踪节点单元自主播报位置和身份步骤是节点单元内有访问间隔计时器，如果在设定的时间内无任何信息交互，就自动判定为失踪单元。此时，节点单元自动进入失踪工作模式，在太阳能支持下一方面按设计的时间窗口广播所在位置和站号，另一方面又随时接收任何可能的查寻访问指令，并按要求报告状态，实现失踪单元的自动查找。5.根据权利要求1所述的一种基于北斗短报文通信的地震数据采集方法实现的地震仪器，其特征在于，节点单元采用结构分层，依次顶层为电路层、中层为电池层、底层传感层和尾锥四个部分；如果选择mems数字传感时省略传感层；在电路层中主要包括采集电路、状态监控与测试电路、无线数据下载接口、控制电路与固件程序、卫星信号接收电路、时钟与授时电路、坐标定位电路、无线充电控制接口、电源电路、输入输出电路、编码和译码电路、太
阳能充电控制电路等；电池层集成有18650锂电池组；传感层，仅选择模拟传感器时需要内置自然频率≤5hz、灵敏度≥100v/m/s、失真度≤0.1％的检波器芯体；节点单元外形采用适合耦合和机械化收放的流线型设计，顶面中心有三色灯、卫星信号接收天线、微波通信天线，顶面外围是太阳能板；中层和底层采用一体化设计，顶层和中层之间有防水密封圈并采用若干螺丝固定；电池层正面是rfid标签，标签内有id号等信息。6.根据权利要求5所述的一种基于北斗短报文通信的地震数据采集方法实现的地震仪器，其特征在于，包括实现无触点的电池充电和数据下载的无线数据下载接口、无线充电控制接口；还包括镶嵌的太阳能板支持太阳能辅助充电；节点单元上固化的rfid电子标签，有唯一的id号等身份信息，实现节点单元的自动化识别和现场位置id号关联；支持选择mems数字传感器或模拟检波器，选择模拟检波器时具有自然频率≤5hz、灵敏度≥100v/m/s、失真度≤0.1％的属性。

技术总结
本发明公开了一种基于北斗短报文通信的地震数据采集方法及地震仪器。包括节点单元应急状态实时自主检测、判定、编码、接力传送步骤，节点单元位置坐标集群同步高精度定位步骤，失踪节点单元自主播报位置和身份步骤；以低功耗长距离无线接力通信技术为支撑，实现节点单元的应急状态和坐标定位参考量的大范围按序接力传送；以动态监测和实时报警技术为依托，实现节点单元应急状态的实时自主报告和远程质控；以无线充电和数据下载技术为基础，实现无触点充电和数据交互；以太阳能充电为辅助，实现长期失踪节点单元自主播报位置和身份。本发明既能实时远程质控，还能真正无桩号施工，并兼有太阳能充电、无触点充电和通信等功能。功能。功能。


技术研发人员：韩壮 王伟辉 罗福龙
受保护的技术使用者：河北赛赛尔俊峰物探装备有限公司
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/13