葉 青 鐘衛(wèi)星

(上海市地震局佘山地震臺， 上海201602)

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國際監(jiān)測系統(tǒng)(IMS)地震臺站技術(shù)系統(tǒng)*

葉 青※鐘衛(wèi)星

(上海市地震局佘山地震臺， 上海201602)

介紹構(gòu)建IMS臺網(wǎng)系統(tǒng)地震臺站的技術(shù)要求， 及其數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ崊f(xié)議與通訊系統(tǒng)， 該通訊系統(tǒng)能根據(jù)在全球不同區(qū)域內(nèi)對地震數(shù)據(jù)的不同傳輸通訊方式， 及時可靠準確地傳送地震數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)公報。

國際監(jiān)測系統(tǒng)(IMS)； 地震臺站； 通訊協(xié)議

引言

為確保《全面禁止核試驗條約》得到遵守， 《全面禁止核試驗條約組織(Comprehensive Test Ban Treaty Organiztion, CTBTO)籌備委員會臨時技術(shù)秘書處》建立以國際監(jiān)測系統(tǒng)(International Monitoring System,IMS)、 磋商與澄清、 現(xiàn)場視察及建立信任措施為主體的國際核查機制[1]。 國際監(jiān)測系統(tǒng)由地震、 水聲、 放射性核素等全球監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)組成； 建立信任措施主要是指締約國對大規(guī)?；瘜W爆炸進行自愿申報； 磋商與澄清是指締約國澄清并解決就遵約問題產(chǎn)生的懷疑； 現(xiàn)場視察是指對發(fā)生可疑事件的現(xiàn)場進行核查來澄清是否發(fā)生了違約核爆炸。

1 IMS地震臺站技術(shù)要求

1.1 臺站儀器要求

國際監(jiān)測系統(tǒng)(IMS)的三分向地震臺站要求從3個正交方向記錄寬帶地面運動。 這類記錄可以使用同時覆蓋長周期和短周期頻率范圍的單個三分向?qū)拵У卣饍x進行， 也可以分別使用長周期地震儀和短周期地震儀進行。

IMS的地震臺陣臺站由多個短周期地震儀和三分向?qū)拵x器組成。 新臺陣至少應(yīng)包括9 個垂直短周期單元和至少1個三分向?qū)拵卧?圖1)。

圖1 小孔徑地震臺陣的布局和儀器設(shè)備

寬帶單元可使用單個寬帶儀器， 也可以用一個三分向長周期儀器與一個三分向短周期儀器配合使用。

表1表示了海拉爾臺陣(PS12)所用地震儀器列表。 海拉爾臺陣的儀器配置也是IMS地震臺陣的標準配置， 但海拉爾地震臺陣是井下臺陣， 儀器為井下擺， 海拉爾臺陣分布示意圖如圖2所示[2]。 地震臺站的技術(shù)系統(tǒng)如圖3所示， 基本和輔助臺站技術(shù)指標的最低要求如表2所示。 同時觀測點基本滿足CTBTO/IMS建議的標準， 在5 Hz處垂直向加速度(m/s)2的地噪聲功率譜小于-135 dB[3]。 地震儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備的噪聲指標如圖4所示。

表1 海拉爾小孔徑地震臺陣所用地震計與數(shù)據(jù)采集器

圖2 海拉爾臺陣分布示意圖

1.2 IMS地震臺站設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施

臺陣中臺站設(shè)備主要由地震計地震波形， 通過數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)通過通訊設(shè)備(主要是臺陣內(nèi)部通訊網(wǎng)絡(luò)光纖， VHF/UHF 無線， 擴頻無線和專用線等)傳輸， 通過網(wǎng)橋多路復用器傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)數(shù)據(jù)設(shè)備記錄中心， 記錄中心通過SUN工作站進行瀏覽波形并存儲數(shù)據(jù)。 另外， 記錄中心通過NDC路由器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絿覕?shù)據(jù)中心(National Data Center, NDC)， 通過光電掃描器、 IDC路由器和衛(wèi)星把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絿H數(shù)據(jù)中心(International Data Center, IDC)。 數(shù)據(jù)既可以通過NDC傳輸?shù)絀DC，也可直接傳輸。

圖3 IMS地震臺站工作原理

圖4 地震儀和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備的噪聲指標

特性最低限度要求傳感器類型地震儀臺站類型三分向或臺陣(相對于地平面)位置井穴或地穴三分向臺站通帶a短周期：0．5～16Hz，加上長周期0．02～1Hz或?qū)拵В?．02～16Hz臺陣臺站通帶(短周期：0．5～16Hz，長周期：0．02～1Hz)b新臺陣傳感器數(shù)目c9個短周期(單分向)加上1個短周期(三分向)加上1個長周期(三分向)地震儀噪聲≤通帶內(nèi)站址最低地面噪聲減10dB標定d通帶內(nèi)振幅5%以內(nèi)，相對5度以內(nèi)采樣率e≥每秒40次采樣e，長周期：≥每秒4次采樣系統(tǒng)噪聲≤通帶內(nèi)地震儀噪聲減10dB分辨率比最低當?shù)氐卣鹪肼暤?8dB動態(tài)范圍≥120dB絕對計時精度≤10ms相對計時精度陣列單元之間≤1ms工作溫度-10℃～+45℃f設(shè)備狀態(tài)擬傳輸至國際數(shù)據(jù)中心的狀態(tài)：時鐘、標定、地穴和(或)井穴狀態(tài)、遙測向國際數(shù)據(jù)中心傳輸?shù)难訒r≤5min數(shù)據(jù)幀長度短周期：≤10s；長周期：≤30s在臺站或國家數(shù)據(jù)中心的緩沖存儲g≥7天數(shù)據(jù)提供率≥98%數(shù)據(jù)及時提供率≥97%有工作能力的臺站≥80%的單元應(yīng)能運行

續(xù)表2

注： a----現(xiàn)有全球遠震臺網(wǎng)臺站需進一步考慮升級； b----遠震臺陣的單向分站的上限為8 Hz； c----站址有噪聲或需增加工作能力的可增加傳感器數(shù)目； d----可為此使用單個寬帶儀器； e----這適用于三分向和區(qū)域臺陣， 對于現(xiàn)有遠震臺陣的三分向傳感器需每秒采樣40次， 其他傳感器每秒采樣20次即為合適； f----溫度范圍應(yīng)針對某些特定站址進行調(diào)整； g----國際監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)手冊中應(yīng)給出確保數(shù)據(jù)損失和單點故障減至最低限度的緩沖程序。

2 組網(wǎng)

2.1 通訊協(xié)議(CD-1.1)

國際上第一個數(shù)字交換協(xié)議是1995年定義的國際網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 它為GSETT-3(科學專家組第三次技術(shù)試驗)設(shè)計， 并沿用至今。 最初， 它被叫做"alpha"協(xié)議， 這在以往的文件中出現(xiàn)過， 并嵌入到很多軟件名稱中。 現(xiàn)在這個協(xié)議叫做CD-1， 由于安裝基礎(chǔ)好， CD-1被很好地安裝并應(yīng)用數(shù)年。

為了適應(yīng)運行經(jīng)驗和需求的改變， 需要對CD-1進行改善。 為此， 1998年2月12～13日， 在監(jiān)測研究中心(Center of Monitoring and Research, CMR)召開了非正式的連續(xù)數(shù)據(jù)協(xié)議的技術(shù)討論會。 會議報告在1998年8月B組工作會議的第七個議題展示， 隨后， 被發(fā)布在PTS的ECS網(wǎng)站上以供討論和建議， CD-1.1格式就是采納了從網(wǎng)站和其他渠道獲得的建議而設(shè)計的。

CD-1.1是一種新的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議， 主要用于從IMS臺站傳輸連續(xù)時間數(shù)字序列到IDC， 再從IDC傳送數(shù)據(jù)到各國家的NDC。 這個協(xié)議被設(shè)計用來支持多點傳輸， 以適應(yīng)更復雜的數(shù)據(jù)流格式。

目前， 已經(jīng)開發(fā)出能運行CD-1.1格式的軟件， 并于2000年12月發(fā)送到IDC。

數(shù)據(jù)提供者可向數(shù)據(jù)用戶的地址或者端口發(fā)送連接請求， 來啟動一個連接， 連接請求的接收通過發(fā)送地址和端口信息來回復這個連接。 經(jīng)過第一次握手， 數(shù)據(jù)提供者開始以幀的方式向指定地點或端口傳輸連續(xù)數(shù)據(jù)。

2.2 臺陣內(nèi)部通訊協(xié)議

實際IMS地震臺站運行時， 記錄到的數(shù)據(jù)首先存儲到本地工作站的緩沖區(qū)， 然后由數(shù)據(jù)發(fā)送程序讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)并發(fā)送到指定的數(shù)據(jù)接收方。 數(shù)據(jù)通過Nanometrics協(xié)議RS232到通信設(shè)備， 然后到網(wǎng)橋， 而后通過Nanometrics協(xié)議的UDP/IP協(xié)議把數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)的hub， 再由hub通過UDP/IP協(xié)議傳輸?shù)讲杉嬎銠C， 并由GCI路由器以TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)絀DC， 以UDP/IP協(xié)議傳輸?shù)絅DC[4]。 系統(tǒng)全過程如圖5所示。

3 IMS臺網(wǎng)通訊系統(tǒng)

IDC的通信設(shè)施為位于赤道上方36000 km高處的6個通信衛(wèi)星， 如圖6所示。 各個NDC通過全球通訊基礎(chǔ)設(shè)施(Global Communication Infrastructure， GCI )， 把數(shù)據(jù)傳送到IDC。

GCI大部分用地面鏈路和NDC聯(lián)絡(luò)， 用MPLS傳輸協(xié)議。 各國的傳輸方式不一樣， 按照條約規(guī)定， 輔助臺站是按需傳輸， 而實際上很多輔助臺站已經(jīng)實時傳輸。 IMS臺站與GSN臺站有52個重疊臺站。 目前84%的IMS基本地震臺站和83%的IMS輔助地震臺站已經(jīng)完成認證并臨時試運行[5]。

圖5 臺陣內(nèi)部通訊協(xié)議

圖6 全球通信衛(wèi)星設(shè)施示意

以監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析報告作為它的核心， CTBTO設(shè)計的全球警報系統(tǒng)基于一個功能良好的通訊系統(tǒng)， 該通訊系統(tǒng)可以及時、 可靠、 準確地傳送數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)公報。 GCI就是為了達到這個目的而開發(fā)的。

GCI是一個具有全球特征的通訊系統(tǒng)， 它聯(lián)系著位于維也納的CTBTO籌備委員會和分布在全球各地的地震臺站， 還有所有的CTBT成員國。

GCI 是用來確保IMS系統(tǒng)337個設(shè)施的數(shù)據(jù)準實時傳輸?shù)轿挥诰S也納的IDC。 在IDC， 數(shù)據(jù)被處理與分析。 GCI還被用來向成員國發(fā)布IMS臺站的原始數(shù)據(jù)和IDC的數(shù)據(jù)公報。 這些非常詳細的信息以使成員國能夠確認他們對條約的權(quán)利和責任。

3.1 衛(wèi)星基礎(chǔ)技術(shù)

GCI是第一個基于甚小孔徑天線(VSAT)技術(shù)的全球衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)， 它包含一個地球站、 一個蝶形天線和一個PC界面。 建在地球上的VSAT被稱作地球站， 它通過衛(wèi)星進行通訊。 它采用了一個蝶形天線傳送并接收信號， 一個接入PC的接口。

至今已經(jīng)建立了210多個VSAT鏈路用以保障IMS監(jiān)測系統(tǒng)和國家數(shù)據(jù)中心的通訊。 隨著IMS臺站的不斷建立， 這個數(shù)量還在增加。 每個臺站需要配置這些通訊設(shè)施使它們能夠向維也納的IDC發(fā)送數(shù)據(jù)進行分析。 當幾個IMS監(jiān)測臺站聯(lián)合定位后， 為了所有臺站的通訊聯(lián)系， 它們需要一個VSAT設(shè)置。

VSATS聯(lián)系著在赤道36000 km高上空的6個通訊衛(wèi)星。 這些通訊衛(wèi)星與地球的相對位置是不變的， 也就是， 它們繞著地球同步轉(zhuǎn)動。 3個衛(wèi)星覆蓋了大西洋、 太平洋和印度洋地區(qū)。 其他3個衛(wèi)星在北美、 歐洲和北太平洋地區(qū)， 用以為北半球提供更有效的覆蓋面積。

數(shù)據(jù)傳送是從衛(wèi)星到地上的三個集線器， 通過衛(wèi)星地面鏈路把數(shù)據(jù)送往維也納的CTBTO。 其中， 2個集線器在美國， 1個在挪威。

在美國西海岸的集線器傳送來自覆蓋太平洋、 美國和北太平洋衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。 位于美國東海岸的集線器傳送覆蓋大西洋地區(qū)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)， 在挪威的集線器傳送覆蓋歐洲和印度洋地區(qū)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。

幾個擁有IMS臺站的國家首先在他們的領(lǐng)土上通過獨立的子網(wǎng)， 把數(shù)據(jù)從臺站傳送到國家通訊節(jié)點。 從那里， 信息通過平常的衛(wèi)星和衛(wèi)星地面鏈路接通GCI網(wǎng)絡(luò)。

3.2 基于非衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送

雖然基于衛(wèi)星設(shè)備的通訊用來傳送大量的數(shù)據(jù)， 但有幾種可以替換的通訊方法。 2003年， CTBTO首先檢測并開始利用實際私人網(wǎng)絡(luò)(VPN)技術(shù)。 VPN利用公共電信基礎(chǔ)設(shè)施， 比如互聯(lián)網(wǎng)， 進行外部用戶和機構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。 應(yīng)用特殊設(shè)計的加密方法維持所需的安全水平， 并阻擋未授權(quán)信息的通過。

目前通過VPN連接到GCI網(wǎng)絡(luò)的大約有30個連接。 位于太平洋和印度洋地區(qū)的海嘯預警中心用這種配置直接從IMS監(jiān)測臺站接收數(shù)據(jù)。

3.3 連接遙遠的監(jiān)測臺站

一些臺站過于遙遠， 以至于6個衛(wèi)星中沒有一個可以聯(lián)絡(luò)到。 這適用于接近極地地區(qū)的臺站。

位于南極的輔助地震臺站AS114， 就是幾個例外中的一個。 臺站極端的地理位置(位于南緯90°)不能連接赤道上方任何一個衛(wèi)星， 因為這些衛(wèi)星在這個地區(qū)的上方是看不見的。

幾個可替代的衛(wèi)星被用來連接這個臺站到GCI。 兩個環(huán)地球衛(wèi)星位于赤道上方的傾斜軌道上， 一個繞地衛(wèi)星位于從南極到北極的軌道上。 這三個衛(wèi)星在遙遠的監(jiān)測臺站和GCI網(wǎng)絡(luò)之間輪流充當中間人角色。

3.4 新服務(wù)提供者

為建設(shè)、 運行和維護全部的GCI網(wǎng)絡(luò)， CTBTO委托了一家公司專門負責全球通訊。 前10年的通訊服務(wù)合同的有效期到2008年， 新的通訊服務(wù)合同目前已經(jīng)簽訂。

機構(gòu)正在把全部的GCI網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施遷移到新的服務(wù)商網(wǎng)絡(luò)中。 這包括換衛(wèi)星， 把VSAT天線接到新衛(wèi)星上， 并且在世界各地更多的地方(額外那210個VSAT)安裝新的通訊設(shè)備。 為新建監(jiān)測臺站的通訊設(shè)置已經(jīng)被植入新網(wǎng)絡(luò)。

就像以前的臺網(wǎng)， 新的GCI臺網(wǎng)既要應(yīng)用地面鏈路， 又要利用衛(wèi)星連接。 聯(lián)合不同成員國獨立的子網(wǎng)， 新網(wǎng)絡(luò)要接通大約100個國家的IMS臺站和NDC。

每天通過GCI傳送的從監(jiān)測臺站到IDC 和從IDC到成員國的數(shù)據(jù)卷穩(wěn)定地增長， 預期能夠達到每天26 GB。

3.5 不斷增長的數(shù)據(jù)卷

由于更多的監(jiān)測臺站和NDC加入了全球預警系統(tǒng)， 每天由GCI傳送的數(shù)據(jù)卷穩(wěn)定地增長。 目前每天由GCI傳送的數(shù)據(jù)卷有16 GB左右。 其中， 7 GB的數(shù)據(jù)來自監(jiān)測臺站， 向成員國發(fā)出去的數(shù)據(jù)卷包括7 GB。 通過GCI傳送的數(shù)據(jù)卷很快就可達到每天26 GB。

3.6 信息安全

GCI每天的任務(wù)是保持世界范圍內(nèi)的聯(lián)通性， 我們在每一個方面觀察到的一個關(guān)鍵的原則是信息安全。 在GCI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的每個單元都需要達到高標準的數(shù)據(jù)可用率、 置信度和可靠性。 新的GCI網(wǎng)絡(luò)包含了高水平的網(wǎng)絡(luò)安全， 來保障需求的數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)可用率， 并提供必要的數(shù)據(jù)密匙和鑒定。

在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)連接的狀態(tài)時， CTBTO的運行中心是GCI的一個重要的伙伴。 一個特別設(shè)計的描繪所謂數(shù)據(jù)流的網(wǎng)頁接口可以到達運行中心。 這個工具顯示GCI通訊網(wǎng)絡(luò)是如何實際工作的。 中斷和連接失敗可以被確認并被快速確認地址。

4 結(jié)束語

國際監(jiān)測系統(tǒng)(IMS)是在聯(lián)合國CTBTO組織管理之下， 所有監(jiān)測設(shè)施由這種設(shè)施所在國或以其他方式對這種設(shè)施負責的國家， 根據(jù)議定書的規(guī)定擁有和操作。

[1] CTBTO. Comprehensive Nuclear Test-Ban-Treaty (CTBT). (2016-09-27)[2016-10-21]. http:∥www.ctbto.org

[2] 郝春月， 鄭重， 郭燕平， 等. 中國數(shù)字地震臺網(wǎng)(CDSN)和IMS/PS臺陣的監(jiān)測定位能力評估. 地震地磁觀測與研究， 2006， 27(2): 56-65

[3] 鄭重， 徐智強. 海拉爾蘭州核查地震臺陣的勘址和地動噪聲功率譜的計算. 地震地磁觀測與研究， 2000， 21(6): 11-18

[4] 王海軍， 王洪， 王娟， 等. IMS地震臺站數(shù)據(jù)模擬發(fā)送系統(tǒng). 核電子學與探測技術(shù)， 2005， 25(2): 177-180

[5] 王媛， 石紹柱， 李靚， 等. CTBT國家數(shù)據(jù)中心概述. 地球物理學進展， 2016(1): 98-102

Technical system of IMS network

Ye Qing, Zhong Weixing

(Sheshan Seismic Station, Earthquake Administration of Shanghai Municipality, Shanghai 201602, China)

The technical requirements on the construction of IMS network system, communication protocol and communication system and its data transmission are introduced in this paper. According to different communications of the data transmission from the regions of the world, the international monitoring system should be established so that the data and data bulletins can be timely and accurately transferred.

International Monitoring System(IMS); seismostation; Global Communication Infrastructure(GCI)

2016-09-28； 采用日期： 2016-10-10。

※通訊作者： 葉青， e-mail: 241698296@qq.com。 基金項目： 地震行業(yè)科研專項“中國全球地震臺網(wǎng)建設(shè)預研(201508007)”資助。

P315；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.11.008

中國全球地震臺網(wǎng)建設(shè)預研