分布式測試系統中GPS同步方案研究

閆逢春

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室 太原 030051)

0 引 言

地下爆炸效能參數分布式測試的主要目的是通過分布在不同位置上的震動傳感器異地同步采集震動數據，由于已知震動傳感器的位置(即通過定點埋設并從數據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)，通過時差法即可測定爆炸瞬間炸點的空間位置。同時，利用系統采集的數據就可以定量解算出爆炸沖擊波的能量，進而定量估算爆炸沖擊波的威力。測試基站將采集的信息傳回測控主站后，需對多模式的傳感器陣列采集的數據進行融合，首先要做的工作就是把來自不同基站的多傳感器數據進行時空對準［1］，即把從不同基站不同傳感器獲得的目標觀測數據轉換到統一坐標系中，并統一測量單位，以實現空間和時間上的統一，并為時空場的重建提供參數［2］。最后利用這些多模式的傳感器陣列測得多種參數之間的關系，經過對陣列信號的處理，重建自由場沖擊波壓力波形，來描繪地下震動壓力場。

1 提出問題

地下爆炸效能參數測試系統作為一個分布式系統，必須有專門的同步觸發系統來為各個測試基站提供時間基準，為不同種類的傳感器信息的數據融合和有限數據的重建提供時間參數，為信號的后續處理和誤差分析提供時間依據，以保證整個系統的協同工作。

當前，衛星授時技術已成為實現分布式測試系統時間同步的最佳解決方法，在國際上影響較大的可用于授時的導航衛星有美國的GPS［3］系統和俄羅斯的GLONASS［4］系統。其中GPS 系統最早對民用系統開放，開發使用較早，其接收機使用廣泛，尤其是其OEM 板的集成度越來越高，價格越來越低，使得GPS 成為目前全世界用戶使用最多的被動式高精度衛星授時手段［5］。整個測試系統的標準時間信號都是通過對接收的GPS 信號進行提取而獲得的。因此，在這提出一種基于GPS 的同步觸發方案來為本測試系統提供時鐘基準。

2 GPS 授時系統

目前，GPS(Global Positioning System)全球定位系統在空間定位導航方面已經得到了廣泛的應用，GPS 是由一組美國國防部在1978 年開始陸續發射的衛星所組成，共有24 顆衛星運行在6 個地心軌道平面內，根據時間和地點，地球上可見的衛星數量一直在4 顆至ll 顆之間變化。GPS時鐘是一種接收GPS 衛星發射的低功率無線電信號，通過計算得出GPS 時間的接收裝置。為獲得準確的GPS 時間，GPS 時鐘必須先接收到至少4 顆GPS 衛星的信號，計算出自己所在的三維位置。在已經得出具體位置后，GPS 時鐘只要接收到l 顆GPS 衛星信號就能保證時鐘的走時準確性。每個GPS 衛星上均裝有四臺高精度的原子鐘，一般為兩臺銣原子鐘和兩臺銫原子鐘，穩定度為10－12和10－11，這樣它就成為一種空間的時間基準，地面上的用戶可接收發自GPS 衛星的時間服務信號校正本地時鐘，使之與GPS 時鐘同步完成時間傳遞任務，稱為GPS 授時。GPS 授時系統是針對自動化系統中的計算機、控制裝置等進行校時的高科技產品，GPS 授時模塊通過從GPS 衛星上獲取標準的時間信號，將這些信息通過各種接口來傳輸給自動化系統中需要時間信息的設備，這樣就可以達到整個系統的時間同步。

3 定時型GPS 接收機模塊選擇

測試基站需要安裝專用的定時型GPS 接收機(包括授時天線和GPS OEM 板)。GPS 作為測試基站中的一部分，它必須滿足體積小、能耗低、可靠性高、授時精度高、數據更新頻率快等基本工作要求。在本系統的設計中采用的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。該模塊采用16 并行跟蹤通道設計，接收來自L1波段的C/A 碼信息，跟蹤靈敏度達－158dBm，將定位和授時范圍擴展到傳統GPS 接收機不能覆蓋的地方。

該模塊數據最大更新頻率為4 Hz，熱啟動時間小于3.5 s，冷啟動時間小于34 s，重新捕獲時間小于1 s，且動態性能達到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精度，1PPS［7］脈沖的上升沿表示同步準確時刻，其均方根誤差為50ns，99%小于100 ns，在GPS 接收機取得有效導航后，通過串口默認輸出按照美國國家海洋電子協會的NEMA 0183 ASCII 碼接口編碼的數據，其中包含1PPS 同步脈沖的UTC 時刻，如圖1 所示。GPS 接收機可以使用主被動天線，此處采用具有防雷設計的授時天線，可以長時間連續可靠地工作，具有很強的抗干擾能力。

4 基站同步觸發系統設計

整個測試過程中，各站同步系統連續接收GPS 信號，接收GPS 衛星提供的UTC 時間，并對GPS 信號解碼以提取所需的時間信息，如圖2(a)所示。各站的GPS OEM 板對衛星導航電文解碼，并將導航信息(通過UART，異步串行總線)和標準秒脈沖(1PPS)輸出給時間觸發信號記錄器，如圖2(b)所示。時間觸發信號記錄器是記錄以協調世界時UTC 為基準的絕對時時長，各個基站的定時型GPS 接收機和時間信號記錄器構成了一個獨立的同步觸發系統。因為GPS 同步方案主要使用GPS 時間信息，GPS 衛星失鎖［8］等異常情況一般由GPS 接收機處理，對使用GPS 時間信息的系統來說，基本沒有影響［9］。

接收單元的軟件要完成對GPS 接收機輸出信息的接收、提取、轉換和時間信息傳送的任務。程序框圖如圖3 所示。

5 仿真與實驗

為了驗證GPS 同步的功能和同步效果，將1PPS 信號和基站的秒信號接到數字示波器的兩個信號輸入端(通道1 為儀器秒信號輸出，通道2 為1PPS 信號)。圖4 為沒有啟動GPS 同步前的1PPS 和儀器秒信號，兩者有約200 ms的誤差，圖5 為啟動GPS 同步后的1PPS 和儀器秒信號，可以看出，兩者已經同步，經計算，同步誤差約為2 μs，符合試驗要求，達到了預期的效果。

6 結 論

該方案從技術原理上講，GPS 同步技術幾乎可以在任何可穩定接收到GPS 信號的地方做到同步數據采集。而且不需要同步信號傳輸，也不需要考慮有線傳輸中的時延、信號衰減等問題。由于測試試驗涉及的范圍廣大，各個基站之間的位置較遠，就必須采用這種工作模式。當用GPS 衛星信號進行時間傳遞時，可以獲得較高的時間傳遞精度，具有全球覆蓋、全天候等優點。在這種模式下，授時模塊使用靈活，可以在更大的空間范圍下使用，完成通用化的測量。

［1］陳出新，周德云，王謙.含有多普勒頻率的毫米波/紅外融合濾波算法［J］.火力與指揮控制，2012，37(3):124-127.

［2］林華.多傳感器數據融合中的數據預處理技術［J］.海軍工程大學學報，2002，14(3):33-34.

［3］陽繼軍.基于GPS 授時的地震采集系統同步系統設計［J］.石油儀器，2009，23(1):82-87.

［4］周鵬，茹東生，趙時.世界主要幾種衛星導航系統的性能對比［J］.中國科技信息，2012(12):62.

［5］劉基余.GPS 衛星導航定位原理與方法［M］.北京:科學出版社，2003.

［6］Ublox Inc.RCB-4H ANTARIS?4 Programmable GPS Receiver Board with SuperSense?［Z］.http://img1.afzhan.com/5/20090709/633827509184843750.pdf.

［7］劉勝旋，林勇，黃辰虎.1PPS 時間同步對多波束測深質量的影響［J］.海洋測繪，2011，31(2):31-33.

［8］黃翔，江道灼.GPS 同步時鐘的高精度守時方案［J］.電力系統自動化，2010，34(18):74-77.

［9］丁天寶，呂啟元.用GPS 技術實現試驗數據同步采集［J］.火炮發射與控制學報，2007(3):20-23.