基于GNSS與場量傳感器的振動數據同步采集系統(tǒng)設計

耿煜琛，張曉明，2，韓玉香

(1.中北大學儀器與電子學院，山西 太原 030051)(2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

在現代戰(zhàn)爭中，地下侵徹武器發(fā)揮著越來越重要的作用。在侵徹武器研發(fā)過程中，毀傷能力評估是必不可少且十分重要的一環(huán)。這其中侵徹武器的炸點定位是進行毀傷評估的基礎[1]。目前廣泛采用侵徹武器爆炸產生的振動波信號對炸點進行定位以及對毀傷效果進行評估[2]。

在實際測試中，由于各個節(jié)點之間的時間基準不一致，不能確定爆炸振動波到達節(jié)點的時間，影響炸點定位的精度[3]，因此必須對分布式節(jié)點采集的數據進行時間同步。振動波的傳播速度約為5 500 m/s，為實現米級定位，要求節(jié)點同步誤差小于15 μs[4]。若利用無線網絡實現大范圍內節(jié)點數據的同步采集對無線鏈路的依賴性較強，時間同步誤差隨距離增加而增大，因此無法用于環(huán)境復雜、范圍較廣的爆炸場環(huán)境[5]。利用GNSS(global navigation satellite systems)高精度授時模塊實現分布式節(jié)點數據的同步采集[6]，由于衛(wèi)星授時無累計誤差，受距離影響較小，在室外開闊環(huán)境下不同的衛(wèi)星接收機之間的時間同步誤差僅有十幾納秒，因此可以滿足系統(tǒng)對炸點定位的需求[7]。在利用插值算法[8]對振動波的傳播特性進行分析時，必須準確得到振動波在各個位置點的矢量信息，因此需要對節(jié)點位置以及振動矢量進行采集[9]。為了得到準確的節(jié)點位置，采用事后處理的GNSS-PPK(post processed kinematic)技術進行定位測量，PPK定位技術定位精度可以達到毫米級[10]。利用加速度計與磁傳感器組成姿態(tài)測量模塊，在節(jié)點安裝完成后對節(jié)點姿態(tài)進行測量，通過補償算法實現分布式節(jié)點振動數據的空間統(tǒng)一。在1 km×1 km的范圍內實現米級定位精度以及反演精度，振動波矢量角度誤差要小于0.5°。

針對以上需求，本文設計了基于GNSS與場量傳感器的振動數據同步采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的同步采集系統(tǒng)，結構簡單、功耗低、適應性強，便于安裝與移動，在爆炸場等大范圍、分布式節(jié)點的振動數據采集中具有較高的實用價值。

1 系統(tǒng)整體設計及硬件組成

針對爆炸場振動測試覆蓋范圍大、環(huán)境復雜等問題，根據炸點定位算法、物理場反演技術對數據的高時空同步要求，依靠GNSS高精度定位授時技術、PPK技術，利用場量傳感器組成姿態(tài)測量模塊，設計了一種針對振動監(jiān)測的分布式數據同步采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由數據采集模塊、控制模塊以及存儲模塊組成。數據采集模塊主要由GNSS接收機、振動監(jiān)測數據采集模塊和姿態(tài)采集模塊組成；控制模塊主要由單片機以及無線模塊組成，通過LoRa無線通訊技術實現大范圍的分布式節(jié)點控制，滿足節(jié)點的低功耗要求與數據同步采集需求；存儲模塊采用體積較小的SD卡存儲測試數據，以減小節(jié)點體積，提高其環(huán)境適應性。系統(tǒng)整體及硬件設計如圖1所示。

2 多節(jié)點數據同步采集設計

2.1 時間同步原理

時間同步采集就是在同一時間基準下，各個分布式節(jié)點在同一時刻對數據進行采樣。因此每次采樣時需要確定節(jié)點此時在統(tǒng)一時間基準下的時間坐標，以及此時傳感器的有效數據。

GNSS的每個衛(wèi)星內部都配有高精度的原子鐘模塊，能夠與地面基站進行時間校準，因此本文系統(tǒng)利用GNSS衛(wèi)星接收機采集衛(wèi)星信號獲取高精度授時信息，并依靠自身晶振模塊具備短時內的守時能力[11]，在校準后以固定頻率的秒脈沖輸出方波信號以及通過串口輸出解碼衛(wèi)星信號的UTC(universal time coordinated)時間信息，實現接收機輸出信息與衛(wèi)星時間基準的同步。多個衛(wèi)星接收機模塊在接收衛(wèi)星信號質量良好的情況下可以實現時間基準的統(tǒng)一。各個節(jié)點的MCU(microcontroller unit) 根據接收機輸出時間基準進行數據采集與存儲，達到同步采集的目的。

2.2 時間同步方案設計

在衛(wèi)星接收機模塊輸出時間基準后，需要將節(jié)點采樣時間與時間基準坐標進行校準。

時間校準由兩部分組成，一部分是利用無線指令控制節(jié)點開始采集，并結合PPS秒脈沖與UTC時間實現開始時間同步；另一部分是GNSS高精度授時模塊產生PPS脈沖作為外部脈沖信號輸入A/D模塊的轉化外部觸發(fā)引腳，觸發(fā)采樣。其原理如圖2所示。

圖2 時間同步原理

2.2.1采集開始時間校準

控制中心通過無線網絡廣播指令控制節(jié)點開始采集，節(jié)點收到無線控制指令后，開啟串口接收中斷，接收到GGA(global positioning system fix data)協(xié)議數據后，讀取其中的UTC時間信息，并開啟MCU外部中斷5，等待下一次PPS秒脈沖觸發(fā)，從而減少了無線傳輸導致的同步采集誤差，其原理如圖3所示。

圖3 同步開始采集原理

2.2.2采集時間校準

將PPS秒脈沖輸入A/D模塊的start引腳觸發(fā)A/D模塊內部復位，A/D模塊對三軸振動數據進行采樣。完成采樣后A/D模塊觸發(fā)單片機外部中斷，單片機中斷處理函數通過SPI讀取多路轉化數據，完成數據的同步采集，具體流程如圖4所示。

圖4 同步采集流程圖

接收機模塊以10 Hz的頻率通過串口輸出GGA數據，通過TIMEPLUSE管腳輸出占空比為50%、頻率為50 kHz的方波信號。通過讀取各個節(jié)點的UTC時間，確認開始采集時刻，若UTC時間一致，則開始時刻保持一致，若UTC時間存在差異，根據UTC時間差值，對開始采集時間進行校準。

在開始時間同步后，第一個采樣點時刻即第一個脈沖上升沿時刻，為時間基準0時位置，之后每個采樣點對應一個時間點，如圖5所示，其中T為采樣周期。

圖5 數據與時間點對應關系

3 多節(jié)點數據空間統(tǒng)一設計

3.1 PPK定位技術

PPK定位技術是在GNSS-RTK(real time kinematic)載波相位差分技術的基礎上，通過保存觀測數據進行事后處理的動態(tài)定位技術，其解算定位精度可達到毫米級，既具備RTK定位精度高的特點，又解決了RTK定位對數據鏈路要求較高的問題，更加適合爆炸場等環(huán)境復雜、時效性要求較低的場合[12]。

在實際工程中，提取各個節(jié)點衛(wèi)星接收機輸出的UBX格式的星歷和觀測數據文件，利用RTKLIB工具中的RTKCONV分離觀測數據的星歷文件和觀測文件，再通過RTKPOST導入參考站高精度位置坐標以及參考站的觀測數據，在差分定位模式中可以計算出節(jié)點相對參考站的坐標位置。對各個節(jié)點與同一參考站進行數據處理，即可將所有節(jié)點位置統(tǒng)一到同一空間坐標系中。

在進行節(jié)點定位時需要對天線與傳感器的相對位置進行測定，以提高定位準確度。將衛(wèi)星接收機天線放置在節(jié)點傳感器的正上方，方案設計如圖6所示。

圖6 天線與傳感器相對位置關系

3.2 矢量數據空間統(tǒng)一

3.2.1傳感器的標定

傳感器在生產與組裝過程中，可能存在不正交角、零點偏移誤差以及靈敏度誤差等，因此需要在采集測試之前分別對加速度傳感器、三軸磁傳感器以及三軸振動傳感器進行標定。利用三軸振動傳感器的標定數據，實現電壓值與加速度值之間的轉換，并將振動矢量數據轉換到節(jié)點載體坐標系。同時為了保證節(jié)點姿態(tài)信息的有效性與準確性，還需要對三軸振動傳感器敏感軸方向與由加速度計和三軸磁傳感器組成的姿態(tài)測量模塊敏感軸方向之間的角度偏差進行標定，保證姿態(tài)信息的一致性。

3.2.2節(jié)點姿態(tài)測量與補償

在一定范圍內，根據地磁場與重力場區(qū)域不變的特性，利用三軸加速度傳感器與三軸磁傳感器組成姿態(tài)測量模塊，測量節(jié)點在E-N-U坐標系的俯仰角θ、滾轉角ψ和偏航角γ。

在布置完成測試節(jié)點后采集并保存節(jié)點姿態(tài)信息。根據靜態(tài)采集的三軸加速度數值，解算出節(jié)點載體坐標系在E-N-U坐標系下的俯仰角θ與滾轉角ψ，再根據三軸磁傳感器解算出節(jié)點的偏航角γ。根據坐標轉化公式[13]，將節(jié)點數據轉化到大地坐標系下，從而實現振動數據的矢量空間基準統(tǒng)一，整體方案如圖7所示。

圖7 節(jié)點姿態(tài)補償過程

4 實驗驗證

4.1 多節(jié)點時間同步驗證

將兩個節(jié)點A/D模塊的模擬輸入端接入同一信號發(fā)生器的信號輸出端，模擬振動采集過程。將兩個節(jié)點的采集數據同步到同一時間基準下，提取同一個時刻兩個節(jié)點的電壓差值。根據輸出信號時域內的線性方程計算兩者之間的時間差，即為節(jié)點之間的同步誤差，實驗數據如圖8所示。

圖8 多節(jié)點同一信號采集結果

提取兩節(jié)點虛線內的電壓差值，并根據鋸齒波線性方程，將電壓差值轉化為時間差。由圖9可知，分布式節(jié)點的同步誤差小于5.5 μs。

4.2 節(jié)點空間位置精度驗證

為了驗證PPK技術的定位精度，采用基線為50 m對固定節(jié)點位置進行定位，將定位結果與全站儀測量的位置進行比對。結果表明，水平方向的定位精度達到毫米級，高程方向的定位精度達到厘米級。E-N-U方向上定位精度如圖10所示。

圖9 虛線內節(jié)點同步誤差時間同步誤差

圖10 節(jié)點GNSS在E-N-U方向上的定位精度

4.3 節(jié)點矢量數據同步驗證

將3個節(jié)點與模擬炸點的地面投影點放置在同一條直線上，節(jié)點振動傳感器X方向指向炸點，如圖11所示。各節(jié)點振動波P波水平分量的矢量方向應保持一致，通過對標記點進行錘擊模擬侵徹武器的爆炸過程，根據各個節(jié)點對振動波水平矢量方向的誤差來驗證多節(jié)點之間的空間統(tǒng)一性。

圖11 實驗布設方案

在數據采集完成后，首先利用標定數據對三軸振動數據進行補償，將振動數據轉化至載體坐標系，根據振動波幅頻特性對不同軸向振動數據中的P波進行提取[14]，提取結果如圖12所示。通過對比X軸、Y軸的P波能量值，確定各個節(jié)點的傳入振動波水平矢量方向。

圖12 姿態(tài)補償前各節(jié)點X、Y軸P波分量

節(jié)點與炸點地面投影點的連線作為基準矢量方向，姿態(tài)補償前，各節(jié)點矢量反演結果如圖13中虛線箭頭所示，由圖可知，3個節(jié)點矢量方向誤差較大，與實際振動傳入方向偏差較大，無法滿足對爆炸場炸點定位的需求。采集各個節(jié)點的姿態(tài)角，見表1，完成姿態(tài)補償后，通過矢量旋轉得到3個節(jié)點的振動矢量如圖13中實線箭頭所示。姿態(tài)補償后E-N-U坐標系下各節(jié)點最大矢量角的誤差小于0.5°，具體見表2。

圖13 姿態(tài)補償前后節(jié)點E-N面內振動矢量方向反演結果

表1 各個節(jié)點在E-N-U坐標系下的姿態(tài)角 單位:(°)

表2 平面反演振動矢量角度誤差 單位:(°)

5 結束語

本文針對侵徹武器毀傷能力評估過程中大范圍爆炸場環(huán)境下的分布式多節(jié)點振動數據時間同步與空間統(tǒng)一的問題，設計了一種基于GNSS技術與物理場姿態(tài)測量技術的振動數據時空同步采集系統(tǒng)。通過模擬振動實驗，驗證了系統(tǒng)的時間同步誤差小于5.5 μs ，矢量方向誤差小于0.5°，節(jié)點位置定位精度達到毫米級,能夠滿足對爆炸場炸點定位以及毀傷能力評估的要求。該系統(tǒng)結構簡單、體積較小，便于布設與安裝，能夠實現大范圍遠距離的控制，可以穩(wěn)定地工作在爆炸場測試環(huán)境以及其他大范圍振動環(huán)境下，為侵徹武器的毀傷能力評估與炸點定位奠定了基礎。