基于GPS和5G双通道高精度授时的地震勘探同步采集方法技术

本发明专利技术公开了一种基于GPS和5G双通道高精度授时的地震勘探同步采集方法，该方法利用传统GPS授时和5G高精度授时信道，结合FPGA的锁相环驯服时钟技术，产生稳定的高精度同步采集时钟。当勘探节点仪器工作在GPS信号弱的场景下，无法提供精确的GPS授时信号时，系统通过算法自动切换5G授时，增加了系统在复杂环境下工作的稳定性。该方法相对现有的地震勘探网同步机制，能有效提高复杂环境下同步精度和稳定性，可进一步降低系统功耗。可进一步降低系统功耗。可进一步降低系统功耗。

【技术实现步骤摘要】
基于GPS和5G双通道高精度授时的地震勘探同步采集方法


[0001]本专利技术涉及地震勘探领域，具体地说是涉及一种基于GPS和5G双通道高精度授时的地震勘探同步采集方法。

技术介绍

[0002]如今大规模地震勘探网前端采集节点由上万个按分布式排列的地震检波器构成，要求采集节点对同一激发信源在同一时刻进行采样，否则将影响反演结果，于是地震采集仪器能实现高精度的、同步的采集显得尤为重要。为了适应野外工作特点，特别是较复杂区域环境下，仪器不易携带，所以低功耗设计成为系统设计的另一个关键问题。
[0003]主流的地震勘测节点采用分布式排列，时钟同步技术是分布式多节点数据采集系统的核心技术之一，也是一个重难点问题。另外电路系统中一般采用晶振作为时钟源，其在短时间内稳定性较好，但是随着环境温度的变化以及时间推移和电压偏差影响，时钟频率会产生偏移。目前国内外时钟同步方案主要有基于网络时间协议（Network Time Procotol, NTP）、基于 IRIG
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B （InterRange Instrumentation Group）码的时钟同步技术、基于卫星脉冲信号授时的时钟同步技术等。计算机可以通过NTP协议对时钟源进行高精准度的时间校正，但通过该技术获取的时间戳来自距离较远的应用层，没有考虑到处理时间以及传输时间的延迟，精度只能达到毫秒级，这对于高精度同步采集系统来说远远不够。IRIG
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B码又称B码，具有微秒级的精度，目前已经在国际上广泛使用，但也只适用于短距离同步。全球定位系统（Global Positioning System, GPS）的时钟信号由原子钟产生，GPS 接收机通过接收来自卫星时间信息来获取协调世界时间（Universal Time Coordinated,UTC）和1PPS秒脉冲信号，可用于对本地时钟进行校准，此方法可以获取的时钟精度可达10
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12
~10
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，不存在累计误差，对于硬件要求低并且实现过程容易，已广泛应用于地震勘探仪器的同步方案中。但是 GPS终端模组的信号会受到电离层和对流层延迟误差、多径效应以及接收机噪声信号干扰的影响，此外该方法会导致系统过分依赖卫星信号，一旦卫星信号丢失便会造成系统时钟漂移。另外考虑到地震勘探设备常工作在复杂施工线上，如密林，涵洞等，GPS接收机常出现信号弱甚至是无信号状态，这种情况下如何实现高精度时钟同步。如今5G技术正如火如荼的发展，5G信号包含高精度时间信息，通过5G网络为海量采集节点提供高精度同步时钟成为优选方案。
[0004]现有技术中公开号为：CN111610557A，名称为：一种基于5G通信的石油勘探检测装置及其方法，采用了GPS授时方案，通过5G传输数据，只有一种授时方案，在GPS信号弱时无法完成授时。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于GPS和5G双通道高精度授时的地震勘探同步采集方法，利用GPS授时结合FPGA的锁相环驯服时钟技术，产生稳定的高精度同步时钟，对GPS采用休眠唤醒机制，利用“授时+守时”模式可进一步降低系统功耗。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：本专利技术是基于GPS和5G双通道高精度授时的地震勘探同步采集方法，具体步骤如下：步骤1，采集站系统初始化；步骤,2，判断采集站检测到的卫星信号是否满足GPS授时要求，若满足则开启GPS授时，若不满足则开启5G授时；步骤3，驯服恒温晶体振荡器输出同步采样时钟；步骤4，进行数据采集，并保存数据。
[0007]本专利技术的进一步改进在于：步骤2中，对采集站检测到的卫星信号进行判断具体步骤如下：a1，将接收到的卫星信号经下变频处理变成中频信号；a2，将中频信号的采样信号与本地码做相关运算，当两者码相位对齐时，表示完成解扩；a3，将解扩后的信号乘上和得到实部和虚部分量，再经多个周期的累加求平方和，最后将两个通道能量合并得到最后的相关值，运算公式如下：式中是经过FPGA处理后的GPS信号对应的数字信号，为本地载波的频率，为采样点的序号，为复现的码的相位偏移，为相关运算结果，为一个码周期里的采样点数，表示使用一次相关运算中使用周期长的数据，表示进行次相关计算且每次都是使用周期长的数据；a4,重复a1
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a3的步骤对每颗卫星进行同样搜索，确定最大峰值和次大峰值的比值，若比值大于设定的门限值，则接收机接收到的GPS信号用于GPS驯服时钟，继续执行GPS授时，否则切换5G授时。
[0008]本专利技术的进一步改进在于：GPS授时具体步骤如下：b1, GPS天线接收卫星所发射的电磁波信号并转变成电压或电流信号，发送PPS秒脉冲信号到FPGA鉴相器模块，采用改进的抽头延迟链法的 TDC获取相位差，继而鉴相器比较PPS秒脉冲信号相位与OCXO输出除以105得到的相位，得到两个信号相位差；b2, 通过数字式相邻平均滤波器对相位误差进行滤波，设平滑点数为N，TDC输出信号为，则经过滤波器后的表达式通过函数表示：；b3, 将鉴相器的输出信号输入到比例积分型环路滤波器中进一步的滤除高频分量，输出控制信号调节压控振荡器；b4, 控制电压通过DAC转换为模拟信号实现对OCXO输出频率的调节，b5,驯服完成后关闭GPS授时模块，FPGA检测 OCXO相位偏差，并根据晶振温度偏差
和老化模型调节输出控制电压来校正 OCXO 输出频率。
[0009]本专利技术的进一步改进在于：b1中鉴相器将PPS 秒脉冲信号的相位与数字锁相环分频后输出的相位进行比较得到，经数字化后输出误差电压信号为：，经数字化后输出误差电压信号为：式中为频率差信号，为相位差信号，增益，分别为输入鉴相器信号的量化幅值。
[0010]本专利技术的进一步改进在于：b1中TDC在参考信号的上升沿测量时间间隔，直到反馈信号的下一个上升沿到来，测量结果分别表示为，，则测量周期相对频率误差为：。
[0011]本专利技术的进一步改进在于：步骤b5老化模型为：其中，为晶振输出频率，为老化的天数，A、B为拟合得到的参数；结合温度拟合算法和老化模型，则压控振荡器的电压预调节表示为：其中，是控制输出电压，是所测得的频率误差，是相对频率精度，、、分别为对应的电压增益；当频率精度时，最小二乘拟合点数为10，当频率精度和时，最小二乘拟合点数分别为100和200。
[0012]本专利技术的进一步改进在于：步骤2中5G授时具体步骤如下：c1, 5G终端解析SIB9信息，记录SIB9中SI
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Window帧尾所对应的UTC时，记为T
UTC
；c2, 终端根据下行传输时延调整时钟完成与基站的时钟对齐；c3, 终端得到了精确的时间信息后完成对采集节点的授时，最终向采集节点传输的授时信息是IRIG
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B形式的信号，并将时间信息发送给CPU，为采样数据提供时间戳标记。
[0013]本专利技术的有益效果是：1、提出了一种双冗余授时方法，利用传统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于GPS和5G双通道高精度授时的地震勘探同步采集方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤1，采集站系统初始化；步骤,2，判断采集站检测到的卫星信号是否满足GPS授时要求，若满足则开启GPS授时，若不满足则开启5G授时；步骤3，驯服恒温晶体振荡器输出同步采样时钟；步骤4，进行数据采集，并保存数据。2.根据权利要求1所述基于GPS和5G双通道高精度授时的地震勘探同步采集方法，其特征在于：步骤2中，对采集站检测到的卫星信号进行判断具体步骤如下：a1，将接收到的卫星信号经下变频处理变成中频信号；a2，将中频信号的采样信号与本地码做相关运算，当两者码相位对齐时，表示完成解扩；a3，将解扩后的信号乘上和得到实部和虚部分量，再经多个周期的累加求平方和，并将两个通道能量合并得到最后的相关值，运算公式如下：式中是经过FPGA处理后的GPS信号对应的数字信号，为本地载波的频率，为采样点的序号，为复现的码的相位偏移，为相关运算结果，为一个码周期里的采样点数，表示使用一次相关运算中使用周期长的数据，表示进行次相关计算且每次都是使用周期长的数据；a4,重复a1
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a3的步骤对每颗卫星进行同样搜索，确定最大峰值和次大峰值的比值，若比值大于设定的门限值，则接收机接收到的GPS信号用于GPS驯服时钟，继续执行GPS授时，否则切换5G授时。3.根据权利要求2所述基于GPS和5G双通道高精度授时的地震勘探同步采集方法，其特征在于：GPS授时具体步骤如下：b1, GPS天线接收卫星所发射的电磁波信号并转变成电压或电流信号，发送PPS秒脉冲信号到FPGA鉴相器模块，采用改进的抽头延迟链法的 TDC获取相位差，继而鉴相器比较PPS秒脉冲信号相位与OCXO输出除以105得到的相位，得到两个信号相位差；b2, 通过数字式相邻平均滤波器对相位误差进行滤波，设平滑点数为N，TDC输出信号为，则经过滤波器后的表达式通过函数表示：；b3, 将鉴相器的输出信号输入到比例积分型环路滤波器中进一步的滤除高频分量，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝学元，徐星亮，张诚超，朱震华，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：