分布式测试系统中GPS同步方案研究

闫逢春

(中北大学电子测试技术国家重点实验室 太原 030051)

0 引 言

地下爆炸效能参数分布式测试的主要目的是通过分布在不同位置上的震动传感器异地同步采集震动数据，由于已知震动传感器的位置(即通过定点埋设并从数据接口得到传感器的俯仰角和方位角从而确定传感器的空间位置)，通过时差法即可测定爆炸瞬间炸点的空间位置。同时，利用系统采集的数据就可以定量解算出爆炸冲击波的能量，进而定量估算爆炸冲击波的威力。测试基站将采集的信息传回测控主站后，需对多模式的传感器阵列采集的数据进行融合，首先要做的工作就是把来自不同基站的多传感器数据进行时空对准［1］，即把从不同基站不同传感器获得的目标观测数据转换到统一坐标系中，并统一测量单位，以实现空间和时间上的统一，并为时空场的重建提供参数［2］。最后利用这些多模式的传感器阵列测得多种参数之间的关系，经过对阵列信号的处理，重建自由场冲击波压力波形，来描绘地下震动压力场。

1 提出问题

地下爆炸效能参数测试系统作为一个分布式系统，必须有专门的同步触发系统来为各个测试基站提供时间基准，为不同种类的传感器信息的数据融合和有限数据的重建提供时间参数，为信号的后续处理和误差分析提供时间依据，以保证整个系统的协同工作。

当前，卫星授时技术已成为实现分布式测试系统时间同步的最佳解决方法，在国际上影响较大的可用于授时的导航卫星有美国的GPS［3］系统和俄罗斯的GLONASS［4］系统。其中GPS 系统最早对民用系统开放，开发使用较早，其接收机使用广泛，尤其是其OEM 板的集成度越来越高，价格越来越低，使得GPS 成为目前全世界用户使用最多的被动式高精度卫星授时手段［5］。整个测试系统的标准时间信号都是通过对接收的GPS 信号进行提取而获得的。因此，在这提出一种基于GPS 的同步触发方案来为本测试系统提供时钟基准。

2 GPS 授时系统

目前，GPS(Global Positioning System)全球定位系统在空间定位导航方面已经得到了广泛的应用，GPS 是由一组美国国防部在1978 年开始陆续发射的卫星所组成，共有24 颗卫星运行在6 个地心轨道平面内，根据时间和地点，地球上可见的卫星数量一直在4 颗至ll 颗之间变化。GPS时钟是一种接收GPS 卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出GPS 时间的接收装置。为获得准确的GPS 时间，GPS 时钟必须先接收到至少4 颗GPS 卫星的信号，计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后，GPS 时钟只要接收到l 颗GPS 卫星信号就能保证时钟的走时准确性。每个GPS 卫星上均装有四台高精度的原子钟，一般为两台铷原子钟和两台铯原子钟，稳定度为10－12和10－11，这样它就成为一种空间的时间基准，地面上的用户可接收发自GPS 卫星的时间服务信号校正本地时钟，使之与GPS 时钟同步完成时间传递任务，称为GPS 授时。GPS 授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品，GPS 授时模块通过从GPS 卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口来传输给自动化系统中需要时间信息的设备，这样就可以达到整个系统的时间同步。

3 定时型GPS 接收机模块选择

测试基站需要安装专用的定时型GPS 接收机(包括授时天线和GPS OEM 板)。GPS 作为测试基站中的一部分，它必须满足体积小、能耗低、可靠性高、授时精度高、数据更新频率快等基本工作要求。在本系统的设计中采用的GPS 模块是瑞士u－blox 公司的RCB－4H［6］，RCB－4H 在仅为71X41X11 mm 大小的模块上融合了高灵敏度、低功耗等特点。该模块采用16 并行跟踪通道设计，接收来自L1波段的C/A 码信息，跟踪灵敏度达－158dBm，将定位和授时范围扩展到传统GPS 接收机不能覆盖的地方。

该模块数据最大更新频率为4 Hz，热启动时间小于3.5 s，冷启动时间小于34 s，重新捕获时间小于1 s，且动态性能达到515 m/s，工作电压范围宽3.15－5.25 V。该模块具有很高的授时精度，1PPS［7］脉冲的上升沿表示同步准确时刻，其均方根误差为50ns，99%小于100 ns，在GPS 接收机取得有效导航后，通过串口默认输出按照美国国家海洋电子协会的NEMA 0183 ASCII 码接口编码的数据，其中包含1PPS 同步脉冲的UTC 时刻，如图1 所示。GPS 接收机可以使用主被动天线，此处采用具有防雷设计的授时天线，可以长时间连续可靠地工作，具有很强的抗干扰能力。

4 基站同步触发系统设计

整个测试过程中，各站同步系统连续接收GPS 信号，接收GPS 卫星提供的UTC 时间，并对GPS 信号解码以提取所需的时间信息，如图2(a)所示。各站的GPS OEM 板对卫星导航电文解码，并将导航信息(通过UART，异步串行总线)和标准秒脉冲(1PPS)输出给时间触发信号记录器，如图2(b)所示。时间触发信号记录器是记录以协调世界时UTC 为基准的绝对时时长，各个基站的定时型GPS 接收机和时间信号记录器构成了一个独立的同步触发系统。因为GPS 同步方案主要使用GPS 时间信息，GPS 卫星失锁［8］等异常情况一般由GPS 接收机处理，对使用GPS 时间信息的系统来说，基本没有影响［9］。

接收单元的软件要完成对GPS 接收机输出信息的接收、提取、转换和时间信息传送的任务。程序框图如图3 所示。

5 仿真与实验

为了验证GPS 同步的功能和同步效果，将1PPS 信号和基站的秒信号接到数字示波器的两个信号输入端(通道1 为仪器秒信号输出，通道2 为1PPS 信号)。图4 为没有启动GPS 同步前的1PPS 和仪器秒信号，两者有约200 ms的误差，图5 为启动GPS 同步后的1PPS 和仪器秒信号，可以看出，两者已经同步，经计算，同步误差约为2 μs，符合试验要求，达到了预期的效果。

6 结 论

该方案从技术原理上讲，GPS 同步技术几乎可以在任何可稳定接收到GPS 信号的地方做到同步数据采集。而且不需要同步信号传输，也不需要考虑有线传输中的时延、信号衰减等问题。由于测试试验涉及的范围广大，各个基站之间的位置较远，就必须采用这种工作模式。当用GPS 卫星信号进行时间传递时，可以获得较高的时间传递精度，具有全球覆盖、全天候等优点。在这种模式下，授时模块使用灵活，可以在更大的空间范围下使用，完成通用化的测量。

［1］陈出新，周德云，王谦.含有多普勒频率的毫米波/红外融合滤波算法［J］.火力与指挥控制，2012，37(3):124-127.

［2］林华.多传感器数据融合中的数据预处理技术［J］.海军工程大学学报，2002，14(3):33-34.

［3］阳继军.基于GPS 授时的地震采集系统同步系统设计［J］.石油仪器，2009，23(1):82-87.

［4］周鹏，茹东生，赵时.世界主要几种卫星导航系统的性能对比［J］.中国科技信息，2012(12):62.

［5］刘基余.GPS 卫星导航定位原理与方法［M］.北京:科学出版社，2003.

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

［7］刘胜旋，林勇，黄辰虎.1PPS 时间同步对多波束测深质量的影响［J］.海洋测绘，2011，31(2):31-33.

［8］黄翔，江道灼.GPS 同步时钟的高精度守时方案［J］.电力系统自动化，2010，34(18):74-77.

［9］丁天宝，吕启元.用GPS 技术实现试验数据同步采集［J］.火炮发射与控制学报，2007(3):20-23.