耿煜琛，張曉明，2，韓玉香

(1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051)(2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)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(píng)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(diǎn)定位是進(jìn)行毀傷評(píng)估的基礎(chǔ)[1]。目前廣泛采用侵徹武器爆炸產(chǎn)生的振動(dòng)波信號(hào)對(duì)炸點(diǎn)進(jìn)行定位以及對(duì)毀傷效果進(jìn)行評(píng)估[2]。

在實(shí)際測(cè)試中，由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間基準(zhǔn)不一致，不能確定爆炸振動(dòng)波到達(dá)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，影響炸點(diǎn)定位的精度[3]，因此必須對(duì)分布式節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步。振動(dòng)波的傳播速度約為5 500 m/s，為實(shí)現(xiàn)米級(jí)定位，要求節(jié)點(diǎn)同步誤差小于15 μs[4]。若利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同步采集對(duì)無線鏈路的依賴性較強(qiáng)，時(shí)間同步誤差隨距離增加而增大，因此無法用于環(huán)境復(fù)雜、范圍較廣的爆炸場(chǎng)環(huán)境[5]。利用GNSS(global navigation satellite systems)高精度授時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)分布式節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同步采集[6]，由于衛(wèi)星授時(shí)無累計(jì)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(jī)之間的時(shí)間同步誤差僅有十幾納秒，因此可以滿足系統(tǒng)對(duì)炸點(diǎn)定位的需求[7]。在利用插值算法[8]對(duì)振動(dòng)波的傳播特性進(jìn)行分析時(shí)，必須準(zhǔn)確得到振動(dòng)波在各個(gè)位置點(diǎn)的矢量信息，因此需要對(duì)節(jié)點(diǎn)位置以及振動(dòng)矢量進(jìn)行采集[9]。為了得到準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)位置，采用事后處理的GNSS-PPK(post processed kinematic)技術(shù)進(jìn)行定位測(cè)量，PPK定位技術(shù)定位精度可以達(dá)到毫米級(jí)[10]。利用加速度計(jì)與磁傳感器組成姿態(tài)測(cè)量模塊，在節(jié)點(diǎn)安裝完成后對(duì)節(jié)點(diǎn)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，通過補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)分布式節(jié)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的空間統(tǒng)一。在1 km×1 km的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)米級(jí)定位精度以及反演精度，振動(dòng)波矢量角度誤差要小于0.5°。

針對(duì)以上需求，本文設(shè)計(jì)了基于GNSS與場(chǎng)量傳感器的振動(dòng)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的同步采集系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)，便于安裝與移動(dòng)，在爆炸場(chǎng)等大范圍、分布式節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集中具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及硬件組成

針對(duì)爆炸場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試覆蓋范圍大、環(huán)境復(fù)雜等問題，根據(jù)炸點(diǎn)定位算法、物理場(chǎng)反演技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的高時(shí)空同步要求，依靠GNSS高精度定位授時(shí)技術(shù)、PPK技術(shù)，利用場(chǎng)量傳感器組成姿態(tài)測(cè)量模塊，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)的分布式數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊以及存儲(chǔ)模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要由GNSS接收機(jī)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊和姿態(tài)采集模塊組成；控制模塊主要由單片機(jī)以及無線模塊組成，通過LoRa無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍的分布式節(jié)點(diǎn)控制，滿足節(jié)點(diǎn)的低功耗要求與數(shù)據(jù)同步采集需求；存儲(chǔ)模塊采用體積較小的SD卡存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，以減小節(jié)點(diǎn)體積，提高其環(huán)境適應(yīng)性。系統(tǒng)整體及硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)同步采集設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)間同步原理

時(shí)間同步采集就是在同一時(shí)間基準(zhǔn)下，各個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。因此每次采樣時(shí)需要確定節(jié)點(diǎn)此時(shí)在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下的時(shí)間坐標(biāo)，以及此時(shí)傳感器的有效數(shù)據(jù)。

GNSS的每個(gè)衛(wèi)星內(nèi)部都配有高精度的原子鐘模塊，能夠與地面基站進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，因此本文系統(tǒng)利用GNSS衛(wèi)星接收機(jī)采集衛(wèi)星信號(hào)獲取高精度授時(shí)信息，并依靠自身晶振模塊具備短時(shí)內(nèi)的守時(shí)能力[11]，在校準(zhǔn)后以固定頻率的秒脈沖輸出方波信號(hào)以及通過串口輸出解碼衛(wèi)星信號(hào)的UTC(universal time coordinated)時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)輸出信息與衛(wèi)星時(shí)間基準(zhǔn)的同步。多個(gè)衛(wèi)星接收機(jī)模塊在接收衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量良好的情況下可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間基準(zhǔn)的統(tǒng)一。各個(gè)節(jié)點(diǎn)的MCU(microcontroller unit) 根據(jù)接收機(jī)輸出時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，達(dá)到同步采集的目的。

2.2 時(shí)間同步方案設(shè)計(jì)

在衛(wèi)星接收機(jī)模塊輸出時(shí)間基準(zhǔn)后，需要將節(jié)點(diǎn)采樣時(shí)間與時(shí)間基準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。

時(shí)間校準(zhǔn)由兩部分組成，一部分是利用無線指令控制節(jié)點(diǎn)開始采集，并結(jié)合PPS秒脈沖與UTC時(shí)間實(shí)現(xiàn)開始時(shí)間同步；另一部分是GNSS高精度授時(shí)模塊產(chǎn)生PPS脈沖作為外部脈沖信號(hào)輸入A/D模塊的轉(zhuǎn)化外部觸發(fā)引腳，觸發(fā)采樣。其原理如圖2所示。

圖2 時(shí)間同步原理

2.2.1采集開始時(shí)間校準(zhǔn)

控制中心通過無線網(wǎng)絡(luò)廣播指令控制節(jié)點(diǎn)開始采集，節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)后，讀取其中的UTC時(shí)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(dǎo)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(shí)間校準(zhǔn)

將PPS秒脈沖輸入A/D模塊的start引腳觸發(fā)A/D模塊內(nèi)部復(fù)位，A/D模塊對(duì)三軸振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。完成采樣后A/D模塊觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，單片機(jī)中斷處理函數(shù)通過SPI讀取多路轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)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(jī)模塊以10 Hz的頻率通過串口輸出GGA數(shù)據(jù)，通過TIMEPLUSE管腳輸出占空比為50%、頻率為50 kHz的方波信號(hào)。通過讀取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的UTC時(shí)間，確認(rèn)開始采集時(shí)刻，若UTC時(shí)間一致，則開始時(shí)刻保持一致，若UTC時(shí)間存在差異，根據(jù)UTC時(shí)間差值，對(duì)開始采集時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。

在開始時(shí)間同步后，第一個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻即第一個(gè)脈沖上升沿時(shí)刻，為時(shí)間基準(zhǔn)0時(shí)位置，之后每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，如圖5所示，其中T為采樣周期。

圖5 數(shù)據(jù)與時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)空間統(tǒng)一設(shè)計(jì)

3.1 PPK定位技術(shù)

PPK定位技術(shù)是在GNSS-RTK(real time kinematic)載波相位差分技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過保存觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理的動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，其解算定位精度可達(dá)到毫米級(jí)，既具備RTK定位精度高的特點(diǎn)，又解決了RTK定位對(duì)數(shù)據(jù)鏈路要求較高的問題，更加適合爆炸場(chǎng)等環(huán)境復(fù)雜、時(shí)效性要求較低的場(chǎng)合[12]。

在實(shí)際工程中，提取各個(gè)節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星接收機(jī)輸出的UBX格式的星歷和觀測(cè)數(shù)據(jù)文件，利用RTKLIB工具中的RTKCONV分離觀測(cè)數(shù)據(jù)的星歷文件和觀測(cè)文件，再通過RTKPOST導(dǎo)入?yún)⒖颊靖呔任恢米鴺?biāo)以及參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在差分定位模式中可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)相對(duì)參考站的坐標(biāo)位置。對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)與同一參考站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可將所有節(jié)點(diǎn)位置統(tǒng)一到同一空間坐標(biāo)系中。

在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位時(shí)需要對(duì)天線與傳感器的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)定，以提高定位準(zhǔn)確度。將衛(wèi)星接收機(jī)天線放置在節(jié)點(diǎn)傳感器的正上方，方案設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 天線與傳感器相對(duì)位置關(guān)系

3.2 矢量數(shù)據(jù)空間統(tǒng)一

3.2.1傳感器的標(biāo)定

傳感器在生產(chǎn)與組裝過程中，可能存在不正交角、零點(diǎn)偏移誤差以及靈敏度誤差等，因此需要在采集測(cè)試之前分別對(duì)加速度傳感器、三軸磁傳感器以及三軸振動(dòng)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。利用三軸振動(dòng)傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電壓值與加速度值之間的轉(zhuǎn)換，并將振動(dòng)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到節(jié)點(diǎn)載體坐標(biāo)系。同時(shí)為了保證節(jié)點(diǎn)姿態(tài)信息的有效性與準(zhǔn)確性，還需要對(duì)三軸振動(dòng)傳感器敏感軸方向與由加速度計(jì)和三軸磁傳感器組成的姿態(tài)測(cè)量模塊敏感軸方向之間的角度偏差進(jìn)行標(biāo)定，保證姿態(tài)信息的一致性。

3.2.2節(jié)點(diǎn)姿態(tài)測(cè)量與補(bǔ)償

在一定范圍內(nèi)，根據(jù)地磁場(chǎng)與重力場(chǎng)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(cè)量模塊，測(cè)量節(jié)點(diǎn)在E-N-U坐標(biāo)系的俯仰角θ、滾轉(zhuǎn)角ψ和偏航角γ。

在布置完成測(cè)試節(jié)點(diǎn)后采集并保存節(jié)點(diǎn)姿態(tài)信息。根據(jù)靜態(tài)采集的三軸加速度數(shù)值，解算出節(jié)點(diǎn)載體坐標(biāo)系在E-N-U坐標(biāo)系下的俯仰角θ與滾轉(zhuǎn)角ψ，再根據(jù)三軸磁傳感器解算出節(jié)點(diǎn)的偏航角γ。根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化公式[13]，將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到大地坐標(biāo)系下，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的矢量空間基準(zhǔn)統(tǒng)一，整體方案如圖7所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)姿態(tài)補(bǔ)償過程

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 多節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步驗(yàn)證

將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)A/D模塊的模擬輸入端接入同一信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端，模擬振動(dòng)采集過程。將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)同步到同一時(shí)間基準(zhǔn)下，提取同一個(gè)時(shí)刻兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓差值。根據(jù)輸出信號(hào)時(shí)域內(nèi)的線性方程計(jì)算兩者之間的時(shí)間差，即為節(jié)點(diǎn)之間的同步誤差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 多節(jié)點(diǎn)同一信號(hào)采集結(jié)果

提取兩節(jié)點(diǎn)虛線內(nèi)的電壓差值，并根據(jù)鋸齒波線性方程，將電壓差值轉(zhuǎn)化為時(shí)間差。由圖9可知，分布式節(jié)點(diǎn)的同步誤差小于5.5 μs。

4.2 節(jié)點(diǎn)空間位置精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證PPK技術(shù)的定位精度，采用基線為50 m對(duì)固定節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行定位，將定位結(jié)果與全站儀測(cè)量的位置進(jìn)行比對(duì)。結(jié)果表明，水平方向的定位精度達(dá)到毫米級(jí)，高程方向的定位精度達(dá)到厘米級(jí)。E-N-U方向上定位精度如圖10所示。

圖9 虛線內(nèi)節(jié)點(diǎn)同步誤差時(shí)間同步誤差

圖10 節(jié)點(diǎn)GNSS在E-N-U方向上的定位精度

4.3 節(jié)點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)同步驗(yàn)證

將3個(gè)節(jié)點(diǎn)與模擬炸點(diǎn)的地面投影點(diǎn)放置在同一條直線上，節(jié)點(diǎn)振動(dòng)傳感器X方向指向炸點(diǎn)，如圖11所示。各節(jié)點(diǎn)振動(dòng)波P波水平分量的矢量方向應(yīng)保持一致，通過對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行錘擊模擬侵徹武器的爆炸過程，根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)振動(dòng)波水平矢量方向的誤差來驗(yàn)證多節(jié)點(diǎn)之間的空間統(tǒng)一性。

圖11 實(shí)驗(yàn)布設(shè)方案

在數(shù)據(jù)采集完成后，首先利用標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)三軸振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，將振動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化至載體坐標(biāo)系，根據(jù)振動(dòng)波幅頻特性對(duì)不同軸向振動(dòng)數(shù)據(jù)中的P波進(jìn)行提取[14]，提取結(jié)果如圖12所示。通過對(duì)比X軸、Y軸的P波能量值，確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳入振動(dòng)波水平矢量方向。

圖12 姿態(tài)補(bǔ)償前各節(jié)點(diǎn)X、Y軸P波分量

節(jié)點(diǎn)與炸點(diǎn)地面投影點(diǎn)的連線作為基準(zhǔn)矢量方向，姿態(tài)補(bǔ)償前，各節(jié)點(diǎn)矢量反演結(jié)果如圖13中虛線箭頭所示，由圖可知，3個(gè)節(jié)點(diǎn)矢量方向誤差較大，與實(shí)際振動(dòng)傳入方向偏差較大，無法滿足對(duì)爆炸場(chǎng)炸點(diǎn)定位的需求。采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的姿態(tài)角，見表1，完成姿態(tài)補(bǔ)償后，通過矢量旋轉(zhuǎn)得到3個(gè)節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)矢量如圖13中實(shí)線箭頭所示。姿態(tài)補(bǔ)償后E-N-U坐標(biāo)系下各節(jié)點(diǎn)最大矢量角的誤差小于0.5°，具體見表2。

圖13 姿態(tài)補(bǔ)償前后節(jié)點(diǎn)E-N面內(nèi)振動(dòng)矢量方向反演結(jié)果

表1 各個(gè)節(jié)點(diǎn)在E-N-U坐標(biāo)系下的姿態(tài)角 單位:(°)

表2 平面反演振動(dòng)矢量角度誤差 單位:(°)

5 結(jié)束語

本文針對(duì)侵徹武器毀傷能力評(píng)估過程中大范圍爆炸場(chǎng)環(huán)境下的分布式多節(jié)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)間同步與空間統(tǒng)一的問題，設(shè)計(jì)了一種基于GNSS技術(shù)與物理場(chǎng)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)的振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)空同步采集系統(tǒng)。通過模擬振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的時(shí)間同步誤差小于5.5 μs ，矢量方向誤差小于0.5°，節(jié)點(diǎn)位置定位精度達(dá)到毫米級(jí),能夠滿足對(duì)爆炸場(chǎng)炸點(diǎn)定位以及毀傷能力評(píng)估的要求。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小，便于布設(shè)與安裝，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍遠(yuǎn)距離的控制，可以穩(wěn)定地工作在爆炸場(chǎng)測(cè)試環(huán)境以及其他大范圍振動(dòng)環(huán)境下，為侵徹武器的毀傷能力評(píng)估與炸點(diǎn)定位奠定了基礎(chǔ)。