分布式測(cè)試系統(tǒng)中GPS同步方案研究

閆逢春

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051)

0 引 言

地下爆炸效能參數(shù)分布式測(cè)試的主要目的是通過分布在不同位置上的震動(dòng)傳感器異地同步采集震動(dòng)數(shù)據(jù)，由于已知震動(dòng)傳感器的位置(即通過定點(diǎn)埋設(shè)并從數(shù)據(jù)接口得到傳感器的俯仰角和方位角從而確定傳感器的空間位置)，通過時(shí)差法即可測(cè)定爆炸瞬間炸點(diǎn)的空間位置。同時(shí)，利用系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)就可以定量解算出爆炸沖擊波的能量，進(jìn)而定量估算爆炸沖擊波的威力。測(cè)試基站將采集的信息傳回測(cè)控主站后，需對(duì)多模式的傳感器陣列采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，首先要做的工作就是把來自不同基站的多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空對(duì)準(zhǔn)［1］，即把從不同基站不同傳感器獲得的目標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，并統(tǒng)一測(cè)量單位，以實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間上的統(tǒng)一，并為時(shí)空?qǐng)龅闹亟ㄌ峁﹨?shù)［2］。最后利用這些多模式的傳感器陣列測(cè)得多種參數(shù)之間的關(guān)系，經(jīng)過對(duì)陣列信號(hào)的處理，重建自由場(chǎng)沖擊波壓力波形，來描繪地下震動(dòng)壓力場(chǎng)。

1 提出問題

地下爆炸效能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)作為一個(gè)分布式系統(tǒng)，必須有專門的同步觸發(fā)系統(tǒng)來為各個(gè)測(cè)試基站提供時(shí)間基準(zhǔn)，為不同種類的傳感器信息的數(shù)據(jù)融合和有限數(shù)據(jù)的重建提供時(shí)間參數(shù)，為信號(hào)的后續(xù)處理和誤差分析提供時(shí)間依據(jù)，以保證整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同工作。

當(dāng)前，衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)試系統(tǒng)時(shí)間同步的最佳解決方法，在國(guó)際上影響較大的可用于授時(shí)的導(dǎo)航衛(wèi)星有美國(guó)的GPS［3］系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS［4］系統(tǒng)。其中GPS 系統(tǒng)最早對(duì)民用系統(tǒng)開放，開發(fā)使用較早，其接收機(jī)使用廣泛，尤其是其OEM 板的集成度越來越高，價(jià)格越來越低，使得GPS 成為目前全世界用戶使用最多的被動(dòng)式高精度衛(wèi)星授時(shí)手段［5］。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)都是通過對(duì)接收的GPS 信號(hào)進(jìn)行提取而獲得的。因此，在這提出一種基于GPS 的同步觸發(fā)方案來為本測(cè)試系統(tǒng)提供時(shí)鐘基準(zhǔn)。

2 GPS 授時(shí)系統(tǒng)

目前，GPS(Global Positioning System)全球定位系統(tǒng)在空間定位導(dǎo)航方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，GPS 是由一組美國(guó)國(guó)防部在1978 年開始陸續(xù)發(fā)射的衛(wèi)星所組成，共有24 顆衛(wèi)星運(yùn)行在6 個(gè)地心軌道平面內(nèi)，根據(jù)時(shí)間和地點(diǎn)，地球上可見的衛(wèi)星數(shù)量一直在4 顆至ll 顆之間變化。GPS時(shí)鐘是一種接收GPS 衛(wèi)星發(fā)射的低功率無線電信號(hào)，通過計(jì)算得出GPS 時(shí)間的接收裝置。為獲得準(zhǔn)確的GPS 時(shí)間，GPS 時(shí)鐘必須先接收到至少4 顆GPS 衛(wèi)星的信號(hào)，計(jì)算出自己所在的三維位置。在已經(jīng)得出具體位置后，GPS 時(shí)鐘只要接收到l 顆GPS 衛(wèi)星信號(hào)就能保證時(shí)鐘的走時(shí)準(zhǔn)確性。每個(gè)GPS 衛(wèi)星上均裝有四臺(tái)高精度的原子鐘，一般為兩臺(tái)銣原子鐘和兩臺(tái)銫原子鐘，穩(wěn)定度為10－12和10－11，這樣它就成為一種空間的時(shí)間基準(zhǔn)，地面上的用戶可接收發(fā)自GPS 衛(wèi)星的時(shí)間服務(wù)信號(hào)校正本地時(shí)鐘，使之與GPS 時(shí)鐘同步完成時(shí)間傳遞任務(wù)，稱為GPS 授時(shí)。GPS 授時(shí)系統(tǒng)是針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)、控制裝置等進(jìn)行校時(shí)的高科技產(chǎn)品，GPS 授時(shí)模塊通過從GPS 衛(wèi)星上獲取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信號(hào)，將這些信息通過各種接口來傳輸給自動(dòng)化系統(tǒng)中需要時(shí)間信息的設(shè)備，這樣就可以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。

3 定時(shí)型GPS 接收機(jī)模塊選擇

測(cè)試基站需要安裝專用的定時(shí)型GPS 接收機(jī)(包括授時(shí)天線和GPS OEM 板)。GPS 作為測(cè)試基站中的一部分，它必須滿足體積小、能耗低、可靠性高、授時(shí)精度高、數(shù)據(jù)更新頻率快等基本工作要求。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用的GPS 模塊是瑞士u－blox 公司的RCB－4H［6］，RCB－4H 在僅為71X41X11 mm 大小的模塊上融合了高靈敏度、低功耗等特點(diǎn)。該模塊采用16 并行跟蹤通道設(shè)計(jì)，接收來自L1波段的C/A 碼信息，跟蹤靈敏度達(dá)－158dBm，將定位和授時(shí)范圍擴(kuò)展到傳統(tǒng)GPS 接收機(jī)不能覆蓋的地方。

該模塊數(shù)據(jù)最大更新頻率為4 Hz，熱啟動(dòng)時(shí)間小于3.5 s，冷啟動(dòng)時(shí)間小于34 s，重新捕獲時(shí)間小于1 s，且動(dòng)態(tài)性能達(dá)到515 m/s，工作電壓范圍寬3.15－5.25 V。該模塊具有很高的授時(shí)精度，1PPS［7］脈沖的上升沿表示同步準(zhǔn)確時(shí)刻，其均方根誤差為50ns，99%小于100 ns，在GPS 接收機(jī)取得有效導(dǎo)航后，通過串口默認(rèn)輸出按照美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)的NEMA 0183 ASCII 碼接口編碼的數(shù)據(jù)，其中包含1PPS 同步脈沖的UTC 時(shí)刻，如圖1 所示。GPS 接收機(jī)可以使用主被動(dòng)天線，此處采用具有防雷設(shè)計(jì)的授時(shí)天線，可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)可靠地工作，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

4 基站同步觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)試過程中，各站同步系統(tǒng)連續(xù)接收GPS 信號(hào)，接收GPS 衛(wèi)星提供的UTC 時(shí)間，并對(duì)GPS 信號(hào)解碼以提取所需的時(shí)間信息，如圖2(a)所示。各站的GPS OEM 板對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航電文解碼，并將導(dǎo)航信息(通過UART，異步串行總線)和標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖(1PPS)輸出給時(shí)間觸發(fā)信號(hào)記錄器，如圖2(b)所示。時(shí)間觸發(fā)信號(hào)記錄器是記錄以協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC 為基準(zhǔn)的絕對(duì)時(shí)時(shí)長(zhǎng)，各個(gè)基站的定時(shí)型GPS 接收機(jī)和時(shí)間信號(hào)記錄器構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)立的同步觸發(fā)系統(tǒng)。因?yàn)镚PS 同步方案主要使用GPS 時(shí)間信息，GPS 衛(wèi)星失鎖［8］等異常情況一般由GPS 接收機(jī)處理，對(duì)使用GPS 時(shí)間信息的系統(tǒng)來說，基本沒有影響［9］。

接收單元的軟件要完成對(duì)GPS 接收機(jī)輸出信息的接收、提取、轉(zhuǎn)換和時(shí)間信息傳送的任務(wù)。程序框圖如圖3 所示。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證GPS 同步的功能和同步效果，將1PPS 信號(hào)和基站的秒信號(hào)接到數(shù)字示波器的兩個(gè)信號(hào)輸入端(通道1 為儀器秒信號(hào)輸出，通道2 為1PPS 信號(hào))。圖4 為沒有啟動(dòng)GPS 同步前的1PPS 和儀器秒信號(hào)，兩者有約200 ms的誤差，圖5 為啟動(dòng)GPS 同步后的1PPS 和儀器秒信號(hào)，可以看出，兩者已經(jīng)同步，經(jīng)計(jì)算，同步誤差約為2 μs，符合試驗(yàn)要求，達(dá)到了預(yù)期的效果。

6 結(jié) 論

該方案從技術(shù)原理上講，GPS 同步技術(shù)幾乎可以在任何可穩(wěn)定接收到GPS 信號(hào)的地方做到同步數(shù)據(jù)采集。而且不需要同步信號(hào)傳輸，也不需要考慮有線傳輸中的時(shí)延、信號(hào)衰減等問題。由于測(cè)試試驗(yàn)涉及的范圍廣大，各個(gè)基站之間的位置較遠(yuǎn)，就必須采用這種工作模式。當(dāng)用GPS 衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行時(shí)間傳遞時(shí)，可以獲得較高的時(shí)間傳遞精度，具有全球覆蓋、全天候等優(yōu)點(diǎn)。在這種模式下，授時(shí)模塊使用靈活，可以在更大的空間范圍下使用，完成通用化的測(cè)量。

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