陳瑞，姬博文

（西安工業(yè)大學，陜西西安，710021）

0 引言

20世紀以來，身管武器的發(fā)展迅速且受到越來越廣泛的應用[1]，該類武器在研制和生產(chǎn)過程中，需要對其出射彈丸的飛行速度態(tài)參數(shù)進行測試，由于被測的目標具有體積小、材質(zhì)多樣、射頻高、射速快且散布較大等特征?，F(xiàn)有的非接觸式測量設(shè)備[2-4]中，基于光電探測原理構(gòu)成的天幕靶和光幕靶等區(qū)截裝置，以其靶面大、響應頻率快、測速范圍廣、使用方便、成本低廉等優(yōu)點，非常適用于構(gòu)成區(qū)間截取速度測量（簡稱區(qū)截測速）系統(tǒng)，是當前身管速射武器彈丸飛行速度的測量最主要的設(shè)備之一[5,6]。

將區(qū)截測速原理用于彈丸飛行速度測量，是在預設(shè)的彈道方向上，按照需要測量的位置(包括初始彈道、中間彈道或終點彈道位置等)截取一定長度的彈道區(qū)間，并在截取的彈道區(qū)間內(nèi)排列兩個與預設(shè)彈道方向垂直的區(qū)截探測裝置（如天幕靶或光幕靶），當彈丸穿過區(qū)截探測裝置時，其向時間測量儀輸出響應信號，通過時間測量儀記錄彈丸穿過各區(qū)截探測裝置的時間[7]，結(jié)合區(qū)截探測裝置之間的布放距離，計算彈丸在指定區(qū)截彈道內(nèi)的飛行速度[8,9]。

當前靶場測試試驗需求環(huán)境下，對身管武器全彈道彈丸飛行速度測量的要求越來越高，區(qū)截探測裝置截取的彈道區(qū)間長度大幅增大，常達數(shù)百米甚至數(shù)公里以上，區(qū)截測速裝置難以接入同一臺時間測量儀，而多臺異時的時間測量儀在工作時又沒有統(tǒng)一的時鐘基準，對測試引入較大誤差[10,11]。為了保證多臺異地時間測量儀的時間測量精度，本文基于GPS (全球定位系統(tǒng))研究了一種時間測量儀時間同步技術(shù)，解決身管武器長區(qū)截彈道測試中異地時間測量儀時鐘基準不同步的問題。

1 工作原理與整體設(shè)計

將區(qū)截裝置1和區(qū)截裝置2沿預設(shè)彈道方向垂直放置，相互平行的兩個探測光幕面構(gòu)成雙光幕區(qū)截測速原理，如圖1所示。

圖1 雙光幕區(qū)截測速原理

圖1中，s表示區(qū)截裝置1和區(qū)截裝置2的間距，他們接入同一臺時間測量儀，當彈丸依次穿過兩臺區(qū)截裝置時，由于遮擋會引起區(qū)截裝置探測面內(nèi)的光通量改變，以此為基礎(chǔ)在其輸出端產(chǎn)生一個脈沖信號并發(fā)送至時間測量儀。時間測量儀以區(qū)截裝置1輸出的脈沖信號作為零時刻啟動信號t1，以區(qū)截裝置2輸出的脈沖信號作為停止信號t2，提取對應的信號特征（如上升沿）即獲取彈丸穿過兩個區(qū)截裝置的時間，結(jié)合布靶時測量的間距s，可計算彈丸在截取彈道內(nèi)的平均飛行速度，如式(1)和式(2)所示。

上述過程中，時間測量儀給定了起始信號和停止信號間隔時間的測量結(jié)果，決定了速度測量精度，常見的時間測量儀的基本原理是由其內(nèi)部計數(shù)電路實現(xiàn)的，如圖2所示。

圖2 時間測量儀基本原理

圖2中時間測量儀在啟動脈沖信號到來時使能其內(nèi)部計數(shù)器電路開始工作，截止脈沖信號到來時計數(shù)器停止工作，通過這段時間內(nèi)計數(shù)的時基脈沖個數(shù)并結(jié)合其頻率，計量啟動脈沖和截止脈沖的時間。

隨著身管武器射程的增加，區(qū)截裝置之間的布放距離也隨之增加，但由此帶來各區(qū)截裝置與測時儀間的通訊線纜越來越長，且受地形影響不易鋪設(shè)，而采用無線通訊的方式會由于靶場環(huán)境的影響，使得測試可靠性而大幅降低。因此本文提出的基于GPS異地時間儀測量方案，在測試現(xiàn)場給異地區(qū)截裝置各自配備一臺時間測量儀，通過GPS對所有時間測量儀進行時間同步，使各時刻在同一時間基準下，保證時間測量精度，如圖3所示。

圖3 異地GPS測時儀工作原理

圖3中異地的測時儀工作前先接收GPS衛(wèi)星信號，并利用 PPS（Pulse Per Second，PPS）信號對本地時鐘脈沖進行同步，最后以帶有PPS標簽的時間為基準測量脈沖時間。利用異地GPS測時儀組成的區(qū)截裝置可兩兩一組分布于彈丸飛行全彈道范圍內(nèi)，彈丸依次穿過各區(qū)截裝置后獲取帶有GPS時鐘基準的過幕時刻序列，不但可以在長區(qū)截彈道下測量在任意兩地之間的彈丸飛行速度，還可通過多站點的方式測量彈丸的速度降等參數(shù)。

基于GPS的異地時間測量儀整體設(shè)計如圖4所示

圖4 基于GPS的異地時間測量儀整體設(shè)計

圖4中將區(qū)截裝置采集的彈丸信號經(jīng)信號采集電路轉(zhuǎn)換為啟動脈沖和停止脈沖兩路信號，先后接入FPGA使測時邏輯模塊開始工作，啟動信號啟動測時儀中的計數(shù)器開始工作，停止信號停止計數(shù)器工作，隨后鎖存數(shù)值并輸出，最后得到兩路信號之間的時間。過程中，由GPS接收電路不斷的獲取GPS相關(guān)信息與PPS秒脈沖，當PPS來臨后清零計數(shù)器，直到啟動信號與停止信號來臨，則異地的時間測量儀均以某一確定的PPS信號為基準，保證了測量的同步性。最后測得的相關(guān)數(shù)據(jù)最后可通過串口發(fā)送給數(shù)碼管，在顯示電路部分進行顯示，同時也可通過以太網(wǎng)傳輸電路發(fā)送給上位機，通過上位機對數(shù)據(jù)進行保存，方便用戶進行數(shù)據(jù)提取。

2 電路實現(xiàn)

基于GPS的時間測量儀主要通過FPGA邏輯電路設(shè)計實現(xiàn)，其中FPGA核心電路主要實現(xiàn)基于衛(wèi)星信號的時間測量，配合信號隔離接口電路采集區(qū)截設(shè)備的輸出信號，完成彈丸飛行時間的測量，如圖5所示。

圖5 電路實現(xiàn)系統(tǒng)框圖

2.1 FPGA核心電路

FPGA核心電路主要完成馴服時鐘和脈沖計數(shù)兩項功能。

馴服時鐘電路可以接收GPS信號，直接獲取當前PPS脈沖信號并通過解碼得到該PPS信號對應的UTC(Coordinated Universal Time 協(xié)調(diào)世界時間)，并以此馴服內(nèi)部的OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator 高溫恒溫晶振)，提供被GPS同步后的高穩(wěn)定時鐘信號。設(shè)計采用了閉環(huán)控制守時技術(shù)，考慮了衛(wèi)星信號中斷或出現(xiàn)干擾故障時，仍能在一定時間內(nèi)輸出精確的時間同步信號，實現(xiàn)高精度守時。

馴服時鐘電路組成原理如圖6所示。

圖6 馴服時鐘電路原理

圖6馴服時鐘板接收外部衛(wèi)星時間信號，通過MCU解碼得出當前UTC時間值，MCU和FPGA電路采集恒溫晶振OCXO的時鐘信號，其輸出為穩(wěn)定的10MHz頻率信號，保證了較好的精度基準。

用同步后的時鐘進行脈沖時間測量通過FPGA的時統(tǒng)功能設(shè)計實現(xiàn)，主要分為對時設(shè)計、守時設(shè)計和計數(shù)電路三個部分。

對時設(shè)計是指在馴服時鐘電路輸出的PPS秒脈沖信號時取其上升沿有效，并以解碼的UTC時間為標簽實現(xiàn)對應，PPS信號與UTC時間對應關(guān)系如圖7所示。

圖7 PPS脈沖與UTC解碼

用PPS脈沖對本地時鐘鎖相穩(wěn)頻的10MHz晶振進行同步，將PPS秒脈沖信號接入本地時鐘計數(shù)器的清零端，當PPS秒脈沖信號有效時對本地時鐘計數(shù)器進行清零操作，實現(xiàn)本地時鐘與GPS信號的同步。

守時設(shè)計是考慮在測量現(xiàn)場地形起伏、陰云天氣或電磁干擾等環(huán)境下，可能導致授時接收端GPS信號丟失，會出現(xiàn)PPS秒脈沖信號和UTC時間短暫失步或不穩(wěn)定的情況，此時以本地10MHz晶振為基準，通過計數(shù)產(chǎn)生偽PPS信號記為PPS’。時間測量儀在上一次成果獲取GPS的搜星信號后，基于本地時鐘計數(shù)產(chǎn)生的PPS’秒脈沖一直持續(xù)，并在GPS秒脈沖信號丟失時代替PPS信號對本地計數(shù)器清零，保證該段時間內(nèi)下一秒產(chǎn)生的秒信號與PPS秒脈沖信號同步。當GPS通訊恢復后，則重新由接收到的PPS秒脈沖信號接管清零操作。

上述過程設(shè)計的原理如圖8所示。

圖8 本地守時設(shè)計原理

依據(jù)本地晶振10MHz的基準設(shè)計計數(shù)器為24位，當計滿107次時滿1s，則產(chǎn)生一個PPS’信號。圖8中的10MHz時鐘經(jīng)過非門延遲半個時鐘周期輸入到D觸發(fā)器的輸入端，當PPS’信號產(chǎn)生后通過D觸發(fā)器對本地秒計數(shù)器復位。

計數(shù)電路由FPGA內(nèi)部的計數(shù)器實現(xiàn)，它除了通過本地時鐘信號產(chǎn)生秒脈沖信號外，還接入了區(qū)截探測器的信號輸出端，當彈丸飛行穿過區(qū)截探測器時，來自區(qū)截探測器的探測信號使計數(shù)器輸出當前記錄的脈沖個數(shù)，通過清算脈沖個數(shù)結(jié)合當前的UTC時間，可以在UTC秒級精度下得到更高精度的彈丸飛行時間信息，如該技術(shù)選用的OCXO時鐘頻率為10MHz，則在忽略O(shè)CXO漂移的情況下，可以在當前UTC秒級時間下，繼續(xù)得到精度為0.1μs的彈丸飛行時刻信息。這樣的時刻信息由每個區(qū)截探測器結(jié)合對應的時間測量儀獲取，共計n個。且他們通GPS時鐘基準進行了時鐘同步，可通過直接相減的方式獲取任意兩個去接探測器之間的時間信息。

2.2 信號隔離接口電路

時間測量儀需連接時間間隔測量設(shè)備以引入彈丸的啟動和停止信號，為避免測量現(xiàn)場如雷電等強電磁對其影響，設(shè)計信號隔離接口電路實現(xiàn)電路隔離，主要光電耦合器件實現(xiàn)。光電耦合器件中輸入電信號驅(qū)動發(fā)光管產(chǎn)生可被接收管接收的光信號，接收管探測到該光信號后產(chǎn)生電流在驅(qū)動電路端產(chǎn)生輸出，此過程中信號從光到電再到光的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了隔離，且其輸入端屬于電流驅(qū)動元件，具有較好的共模抑制作用使其具備一定抗干擾能力，可大大提高信噪比。信號接口電路設(shè)計如圖9所示。

圖9 信號隔離接口電路

3 軟件設(shè)計

時間測量儀的主要工作流程受MCU控制，其主要作用是在時間測量儀上電后進入電壓自檢，通過內(nèi)部AD采集檢查整體電路所需電壓是否正常，通過后開始接收當前的衛(wèi)星信號及PPS秒脈沖信號，通過串口數(shù)據(jù)解析，能夠檢測出當前的衛(wèi)星狀態(tài)，一般情況下，衛(wèi)星信號搜索大約3-5分鐘。在衛(wèi)星信號正常后，通過衛(wèi)星時間與本地時鐘進行同步，之后進入無線通訊自檢狀態(tài)，所有狀態(tài)由前面板顯示屏顯示狀態(tài)，時間測量儀可進入測量狀態(tài)，等待區(qū)截裝置的觸發(fā)信號。時間測量儀收到觸發(fā)信號后，讀取數(shù)據(jù)，并將時間信號發(fā)送給上位機，隨后接收上位機命令，進入下一次試驗或結(jié)束。

軟件流程如圖10所示。

圖10 軟件流程圖

4 仿真與試驗

根據(jù)時間測量儀軟硬件設(shè)計的內(nèi)容搭建原理樣機并進行仿真與試驗，驗證設(shè)計的可行性和穩(wěn)定性。

在軟件中完成FPGA邏輯電路設(shè)計并進行仿真，依據(jù)GPS的報文格式，接收幀頭和時間信息并將存入的信息進行判斷篩選，選出有帶有時間信息的報文，從報文中分離出時間信息，并可以通過時區(qū)換算為北京時間。當PPS信號來臨后，計數(shù)器開始清零操作并開始計數(shù)完成時間同步，仿真結(jié)果如圖1所示。

圖11 GPS時間同步測量仿真

如圖10所示，g1和g2表示區(qū)截裝置輸出的彈丸信號，當g1信號上升沿到來時計數(shù)器輸出一組測量結(jié)果，g2信號上升沿來臨輸出另一組測量結(jié)果，由于他們格式相同且均被打上了GPS解碼的時間標簽，該標簽通過讀取num_nsxi（其中i=1,10,100；表示計時精度）得到。

使用信號源產(chǎn)生時間固定的兩路方波信號g1和g2，用于代替區(qū)截裝置連接至測時儀提供彈丸過幕信號，設(shè)置不同的信號間隔時間設(shè)計兩組測試試驗。

將其接入無GPS信號的傳統(tǒng)時間測量儀得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)本地時間測量儀試驗數(shù)據(jù) (單位：μs)

不改變試驗條件，將信號源輸出接入本文設(shè)計的基于GPS信號的時間測量儀進行測量，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 GPS異地時間測量儀試驗數(shù)據(jù) (單位：μs)

8 500 10:38:41.482 ms 297.5μs 10:38:41.482ms 797.4μs 499.9 -0.1 9 200 10:44:46.638ms 943.2μs 10:44:46.639 ms 143.2μs 200.0 0.0 10 50 10:48:12.251 ms 594.7μs 10:48:12.251 ms 644.7μs 50.0 0.0平均值 0.02

對比表1和表2的數(shù)據(jù)可知，設(shè)計的基于GPS技術(shù)的異地時間測量儀與現(xiàn)有本地時間測量儀具有近似的精度。

5 結(jié)束語

通過區(qū)間截取裝置測量彈丸飛行速度，是當前靶場測試中廣泛采用的測試技術(shù)之一，其實現(xiàn)過程中需通過時間測量儀測量彈丸穿過各區(qū)截探測裝置的時間，結(jié)合區(qū)截探測裝置距離解算彈丸飛行時間。針對全彈道測量中各區(qū)截裝置距離較遠，需要采用多臺異地時間測量儀分別配合異地區(qū)間截取裝置的方案，為解決不同時間測量儀沒有統(tǒng)一時鐘基準的問題，研究了基于GPS的異地時間測量同步技術(shù)，以MCU和FPGA為核心主要完成了FPGA內(nèi)部邏輯對時電路、守時電路和計數(shù)電路的設(shè)計和與區(qū)截裝置連接的信號隔離接口電路設(shè)計，考慮了實際使用中可能出現(xiàn)的衛(wèi)星信號短暫失步的情況并給出了解決方案。研究的方法可為基于GPS、BDS等衛(wèi)星信號的時間同步異地時間測量儀設(shè)計提供參考，也可直接為現(xiàn)有時間測量儀加入時鐘基準同步功能，為身管武器全彈道、長區(qū)截范圍的飛行速度測量提供保障。