GPS检测（共6篇）
GPS检测 篇1
0 引言
GPS技术是一种新兴的测量技术,随着科学技术的进步,GPS测量技术以其高精度、全天候的特点迅速被应用于大量工程实践。除了能够完成高精度静态测量之外,GPS还可以应用于动态测量中。随着GPS动态测量应用的日益广泛,对其动态测量性能做出评定也显得非常重要。目前,对于 GPS动态精度检测开展的相关研究并不系统,检测方法还较为缺乏。本文设计了一种基于旋转平台的检测系统,通过精密伺服驱动模拟不同动态条件,在此基础上完成对GPS接收机的相关动态检测,为GPS动态测量应用提供有益的参考。
1 GPS动态测量技术概述
GPS用于动态测量的主要技术手段是RTK技术,动态测量过程中,基站实时将得到的改正数通过电台发送至流动站,流动站利用基站改正数实时修正测量结果,同时,利用基站和流动站的测量数据也可以进行事后差分处理。除了能够完成绝对坐标测量之外,利用GPS动态测量技术还可以实现动态相对测量。目前GPS用于动态测量的精度有了较大提高,载波相位差分可使实时定位精度达到厘米级,在一些特定情况下,甚至可达到毫米、亚毫米级[1]。新一代接收机在动态测量的采样频率上也有突破,可实现20Hz以上的动态测量。随着新的GPS卫星的升空以及伽利略、北斗等导航系统的建成,优良卫星构型和观测量的增加使得利用卫星导航系统进行动态测量的精度会得到更大提高。同时,针对测量过程中GPS信号易受到遮挡的局限,可以通过组合导航的方式来解决。
2 基于旋转平台的动态检测系统
2.1 检测系统原理
本文中动态测量精度检测是基于自行设计的动态精度检测平台来完成的,如图1所示,该检测平台的基本原理是计算机通过运动控制卡控制伺服电机驱动机械负载进动,负载上加工了天线安装孔(左右两臂安装孔分别为A、B),天线安装于负载之后便可完成圆周运动,当电机的转速足够稳定且天线相位中心旋转半径已知时,天线将完成匀速圆周运动。同时,在负载运动的圆形轨迹旁安装光电位置传感器,将传感器所决定的位置作为参考位置,如果可以得到天线经过参考位置的时间信息,就能利用天线相位中心稳定的运行轨迹推算动态运行过程中任意时刻的位置,将推算得到的结果作为高精度的动态测量标准与GPS动态测量结果进行比较即可对其动态测量性能做出评价。
检测系统设计过程中关键技术及其解决方案包括以下四个方面。
(1)稳定的电机驱动系统。
选用了富士伺服电机+运动控制卡+减速器的驱动控制方案,通过1∶10的减速器减速之后,该电机可以实现最高500rad/min的转速。
(2)精密机械结构装置。
设计了高精度机械装置,在电机负载上加工了GPS天线及接收机安装螺孔,负载侧面可以固定用于触发光电位置传感器的金属挡片。
(3)精确计时系统。
采用计算机计时与自行开发的微秒级计时器相结合,适用于不同动态条件,最高计时精度可达微秒级。
(4)高精度动态参考位置基准。
在机械支撑臂上对称安装三台光电位置传感器,通过传感器实现动态条件下的高精度位置基准。
2.2 检测系统精度分析
(1)水平方向精度
对检测系统的精度根据不同的动态条件来进行分析,从系统的组成部件和设备情况来看,主要考虑的精度因素,包括计时设备的精度、电机驱动的精度、回转半径的精度、传感器动态参考位置精度以及测量设备进行静态标定时的精度。动态条件下使用单片机计时器可以忽略计时设备的时延,回转半径的加工精度取保守加工精度值0.5mm,电机转速的精度在不同的搭载设备情况下可以通过测试获取,除此之外,GPS静态位置标定的精度取长时间组网观测精度2mm,传感器动态位置精度则在已知动态条件下可以计算得到。通过实验对各子项误差分别进行了测试,得到该系统动态检测的精度分析结果如表1所示。
除了能够完成表1所示的动态绝对测量精度检测之外,系统还可以完成两台接收机双动态相对测量精度检测,检测精度只跟A位置和B位置的水平距离精度有关,根据前面分析可知,A、B位置的水平相对位置精度跟机械加工精度相关,可以保守地取其精度为0.5mm。
(2)高程方向精度
检测系统的高程方向精度可以通过倾角传感器来测定,利用传感器对转臂在运行一周过程中的倾角进行检测,得到的高程误差优于0.1mm,此精度远高于GPS的测量精度,因此可以认为系统在高程方向上具有很高的精度。
(3)速度检测精度
从系统的设备组成原理可以看出,旋转平台是通过精密伺服驱动实现的,因此检测系统除了完成位置检测之外,还可以完成一定精度条件下的速度检测。系统的速度检测精度跟电机的转速精度相关,不同动态条件下的速度检测精度如表2所示。
3 GPS动态检测实验及分析
由于实验条件所限,本文中GPS动态测试没有对RTK动态测量进行精度检测,主要针对两台诺瓦泰DL-4 plus 双频GPS 接收机的部分动态相对测量性能进行了实验,测试及数据处理条件如表3所示。为便于描述,下文叙述中接收机安装位置均是指天线安装位置。
3.1 GPS动态差分坐标测量检测
将两台接收机中1号接收机作为主站放置于固定点位,2号接收机作为流动站放置于平台上B位置,利用电机驱动接收机运动。对接收机采集的数据做事后差分解算可得2号接收机的动态测量坐标,将接收机测得坐标与检测系统的动态标准坐标进行比较可得到接收机在不同动态条件下的坐标测量误差。基于目前实验条件下两台接收机无法组网完成高精度的GPS静态标定的考虑,本文中只提出这种检测方案而并未开展检测实验。
3.2 GPS动态差分相对测量检测
动态差分相对测量实验时,将两台接收机中1号接收机放置于固定点位,2号接收机放置于检测平台上的B位置,首先在静态条件下进行同步测量,然后利用电机以不同的速度驱动接收机完成动态测量(如图2所示)。为了避免接收机在动态运动中的失锁现象,启动接收机待接收信号稳定之后(PDOP值<2.0)再驱动电机进动。测量结束后对两台接收机数据进行差分解算,理论上,2号接收机测得的数据应当位于理论回转半径500mm的圆上,由于动态测量误差的存在,测得的圆轨迹与理论圆之间存在一定差异,通过对两种圆差异进行分析可对该条件下动态测量精度进行评定,不同条件的实验方案如表4所示。
(1)方案1条件下的实验结果
该条件下结果主要包括测量点位分布、水平方向和高程方向测量结果,其中水平方向测量结果为测量点到中心点距离(中心点为测量点位平均位置),测量结果如图3~图5所示。
(2)方案2条件下实验结果
该条件下测量轨迹如图6所示,基于最小二乘原则对GPS在圆周上的动态测量数据进行拟合,拟合得到标准圆半径为499.8mm。根据拟合得到的圆能够计算测量值的水平径向误差,由于检测平台在高程方向上的精度很高,因此理论上高程测量值应相等。水平方向径向误差与高程方向测量值如图7、图8所示。
(3)方案3条件下实验结果
该条件下测量轨迹如图9所示,同样基于最小二乘原则对GPS动态测量数据进行拟合,通过拟合得到标准圆半径为499.9mm。水平方向和高程方向测量结果如图10、图11所示。
(4)方案4条件下实验结果
从数据处理软件的解算结果来看,3.14m/s条件下出现了较多的质量较差的点,测量的轨迹如图12所示。拟合得到的圆半径为539.2mm,半径的拟合值出现了厘米级误差,根据拟合结果计算得到水平方向和高程方向测量值如图13、图14所示。
方案5(6.28m/s)条件下,从解算软件的结果来看,解算结果只得到了非常有限的数据,数据量远远小于理论测量数据,通过查看数据对应历元可知,所得的测量数据主要是电机加减速过程中速度较低条件下的数据。方案6(9.42m/s)条件下解算得到的数据更少,接收机出现了失锁现象。不同方案条件下实验结果统计如表5所示。
从表中数据结果来看,低动态条件下拟合得到的圆半径与标准圆半径500mm非常接近,这也验证了检测平台转臂较高的加工精度。对于该型号接收机来说,事后差分模式处理条件下,静态与低动态条件(0.314m/s以下)水平和高程方向上测量结果差异均很小,水平方向的标准差在5mm以内,高程方向上的误差与水平方向相比较大,这与GPS测量原理相符。对于动态速度高于3.14m/s的条件,GPS接收机测量性能不理想,解算得到的数据质量较差,旋转速度高于6.18m/s时,接收机出现失锁现象。
3.3 GPS双动态相对测量检测
GPS双动态测量时,将1号、2号接收机分别固定于检测平台的A位置和B位置,在不同动态条件下利用电机驱动接收机进动(如图15所示),对获取的数据进行双动态解算,得到两接收机之间的相对位置测量数据,将此数据与已知的A、B位置之间的距离(1000mm)进行比较,从而得到动态测量误差。不同条件下的实验方案如表6所示,两接收机之间的相对距离测量结果如图16、图17所示。
从两种方案测得的数据来看,不同动态条件下的双动态相对测量中,不仅出现了2~3mm的系统误差,还存在7~10mm的标准差,总的来说,双动态测量存在厘米级的测量误差。与前面的测量类似,从数据解算软件结果来看,3.14m/s条件下解算得到的数据质量较差, 6.28m/s、9.42m/s条件下接收机仍然出现了失锁现象,说明该型号接收机在高动态圆周运动条件下的测量性能相对较差。
4 结论
对于GPS的动态测量精度,目前仅有一些设备生产厂家进行过以验证为目的的简单性能测试,还缺乏系统的检测手段。本文在GPS动态精度检测方面进行了尝试,基于自行设计的检测平台完成了对GPS接收机的两种动态检测,GPS动态差分相对测量条件下,静态与低动态条件(0.314m/s以下)水平和高程方向上测量误差差异均较小,水平方向测量标准差在5mm以内,高程方向的误差接近1cm。不同动态条件下的双动态相对测量中,不仅出现了2~3mm的系统误差,还存在7~10mm的标准差,动态较高条件下接收机出现了失锁现象。由于实验中接收机完成的是圆周运动,因此得到的结果跟直线运动状态下可能存在一些差异。此外,鉴于实验条件所限,文章并未对GPS动态绝对测量以及速度测量精度进行检测,在下一步工作中,可以开展这方面的研究工作,以期对GPS动态测量性能做出更为全面的评定。
参考文献
[1]徐进军,张民伟,何长虹.几种动态测量传感器综述[J].测绘信息与工程,2005,30(2).
[2]Elliott D.Kaplan著,邱致和,王万义译.GPS原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2002.
[3]周忠谟,易杰军,周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社,1992.
[4]许其凤.空间大地测量学[M].北京:解放军出版社,2001.
[5]丛爽,李泽湘.实用运动控制技术[M].北京:电子工业出版社,2006.
[6]郁有文.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.
[7]刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1997.
[8]温熙森,陈循,徐永成,陶利民.机械系统建模与动态分析[M].北京:科学出版社,2004.
[9]何海波.高精度GPS动态测量及质量控制[D].郑州:解放军信息工程大学,2002.
[10]Fei Yetai,Zhao Jing,Chen Xiaohuai,Wang Hongtao.Research oninfluence of velocity Parameters on Dynamic Performance ofCoordinate Measuring Machines(Contributed to 7thISMTⅡ2005)[C].
GPS检测 篇2
用户在使用GPS接收机进行导航定位时, 经常受到调频广播、电视广播、手机基站和其他无线电发射装置等的干扰, 使接收机无法正常接收GPS信号[1]。干扰信号对导航系统的影响主要体现在系统精度、完好性、可用性及连续性4个方面。干扰对系统精度的影响随载噪比 (C/N+I) 的下降定位误差呈指数上升, 当采用窄相关技术时, 可最大程度地限制误差增长。例如采用相关间隔0.1、 (C/N+I) 为32 dB-Hz时, 定位误差大约为2 m;当相关间隔增加到0.5时, 定位误差大约为6 m。而干扰对于完好性及连续性的影响主要体现在增加的伪距误差超出应用系统能够允许的极限, 过高电平的干扰使接收机失锁, 从而导致不能连续工作。干扰信号对于可用性的影响主要体现在误差超限, 从而卫星或导致系统不可用。
普通用户在这种情况下根本无法判别是接收机故障、GPS信号故障还是受到周围干扰信号的影响。由于用户无法携带频谱仪等专用测量仪器对导航信号进行实时频谱测量, 以判别当前故障原因给用户正常使用造成不便。为此需要有一种方便、快捷且廉价的方法协助用户判别当前信号中是否存在影响正常使用的干扰, 这也是本文的主要研究方向。
1GPS接收机的一般组成
一般而言, 普通接收机由天线 (Antenna, 含场放大器LNA) 、下变频器 (Down Conversion) 、频率综合器 (Frequency Synthesizer) 、自动增益控制器 (Automatic Gain Control, AGC) 、模/数转换 (Digitization) 、相关器 (Correlation) 、码/载波跟踪环 (Code/Carrier Tracking Loops) 和数字处理部分组成, 如图1所示。
在接收机中, 运行损耗与采样速率、量化过程和预相关带宽直接关联, 而这些参数都是相互联系、共同起作用的。例如为了抗单载波干扰, 通常使用2 bit量化法则, 如图2所示, 输出信号仅仅为-3、-1、+1和+3共4种数据, 而图中的L即为量化间隔。
由于GPS接收机接收到的卫星导航信号均在背景噪声电平之下, 为此, 射频前端需要具有较大的增益以满足放大信号的要求。同时射频前端硬件需要有一定的动态范围以满足器件老化、温度变化引起的增益改变等。干扰信号的引入会使射频前端的增益压缩, 增益级进入饱和状态, 从而使低电平的卫星信号丢失[2]。
接收机自主干扰检测可通过观测AGC增益、I/Q相关器输出及积分分结果等接收机原始测量值进行干扰检测。干扰信号会增大接收机伪距误差, 同时对于自适应A/D变换器门限、相关器输出功率、相关器输出功率方差及载波相位抖动产生影响。基于以上认识, 可以得到由于干扰引起的伪距测量精度下降程度和接收机各类测量值的变化情况, 最后综合评判出导航信号中的干扰情况。
2干扰检测方法
2.1AGC输出增益
在GNSS接收机中, 导航信号埋没在背景噪声当中, AGC不是被导航信号而是由背景噪声所驱动。为此, AGC可作为评估接收机使用环境的一件有用的工具[3]。一般而言, AGC工作于接收机热噪声水平上, 对应于接收机的最高增益模式。当射频干扰发生时, AGC会快速降低增益, 使AGC的输入维持在最初的最佳电平上;当干扰消失时, AGC能够快速增加增益, 保持AGC输入电平的稳定。
模拟增益控制电压对于AGC放大器的增益GA具有如下式的非线性效应:
GA=αeβVAGC。 (1)
式中, VAGC为AGC控制电压;α为AGC增益系数;β为AGC控制电压系数。由式 (1) 可得到AGC控制电压表达式为:
Frederic详细描绘了AGC增益同输入白噪声功率之间的关系如图3所示。
AGC在接收机中的主要作用一是确保输入信号电平处于最佳范围, 二是可以增大输入信号的动态范围。比如干扰信号过大时, AGC可以通过减小增益从而限制干扰信号的幅度, 同时适当增加量化间隔L, 使输入信号能够保持在A/D能够正常工作的范围内;当输入信号过小时, 可以适时增大增益, 同时适当减小量化间隔L, 以维持A/D的输出不会中断。
依据AGC的这一特性, 可在接收机中增加射频信号及环境噪声监测功能, 通过观察AGC的输出增益及ADC的量化间隔的变化可以监测导航信号中是否含有的各类干扰信号。
更进一步, 若在包含数字反馈环路控制的AGC放大器的接收机中放置一个干扰/噪声 (J/N) 测量电路, 则可定量测量出卫星信号中的J/N值。其原理为在无干扰情况下, 卫星信号淹没在背景噪声中, 此时AGC依据背景噪声的电平值来调整ADC的输入电平;而一旦卫星信号中含有干扰信号时, AGC会通过调整控制电压来降低AGC放大器的增益值, 这个控制电压与J/N存在对应关系, 因此, 可以定量测量出干扰信号与背景噪声的相对值。
2.2相关器输出功率
相关器输出功率 (Correlator Output Power, COP) 测量的是早-晚相关器均衡时的输出功率除以预期热噪声门限后的结果。通常, 经过相关器的输出为[4]:
Isw=A2CwCrwXwcos (ϕw-ϕrw) ,
Qsw=A2CwCrwXwsin (ϕw-ϕrw) 。 (3)
式中, A为输入信号幅度;Cw为采样速率w下的C/A码;Crw为本地产生的伪码;Xw为采样率w下的数据码;ϕw为采样信号相位;ϕrw为本地产生的伪码相位。
例如, 依据2 bit量化的结果, 输入信号具有70%的±1电平, 30%的±2电平。假设本地输入信号是+2、+2、+1、-2、-2、-1、+1的循环, 均值为2.5;经过A/D后, 得到+6、+6、+3、-6、-6、-3、+3的循环, 均值为22.5。经过1 ms的积分后, 通过5.714 MHz (普通C/A码接收机) 的采样, 则期望的单通道输出功率P=[0.3×22.5+0.7×2.5]×5.714×103=48 571, 因此, 噪声门限为2×P=97 142。此时的瞬时
无干扰情况下相关器的输出是一个基本恒定的已知量, 其值由伪码自相关性、相关器相关长度和积分时间决定。当有干扰信号通过接收机时, 接收机的相关峰曲线会出现畸变、延迟或峰值降低, 直接造成相关器输出功率变化, 例如本地伪码与接收信号相关后输出的功率就会低于理论结果, 且其瞬时值变化较大。由此从相关器输出功率就可以判断接收信号的质量, 初步分析其中是否叠加有干扰信号。
2.3相关器输出功率的方差
相关器输出功率的方差 (COPσ) 即为相关器输出功率的离散程度, 其由以下公式定义:
COPσ=sqrt{E[COP-E (COP) ]2}=
sqrt{E (COP2) -[E (COP) ]2}。 (4)
在输入信号恒定时, 相关器输出功率峰值较稳定, 因此输出功率的方差很小。当信号中叠加不稳定的干扰信号时, 就会相关峰抖动增加, 增大其方差值。还有一种情况, 在卫星信号收到遮挡时, 信号处于捕获和失锁交替状态, 此时相关器输出功率变化剧烈, 造成方差急剧增大。因此对于信号遮挡或者衰减, 方差应具有较好的检测效果。
3结束语
下面给出一些模拟计算的初步结论:
① 相关器输出功率检测干扰的性能:载波频率偏移7 kHz单载波干扰对相关器输出功率影响最大, 脉冲式干扰引起最大的误差散布, 而高斯白噪声的影响最小;
② 相关器输出功率的方差检测干扰的性能:相关器输出功率的方差对于干扰信号的检测没有相关器输出功率明显, 其只对信号衰减有明显的检测效果;
③ AGC输出增益检测干扰的性能:由于AGC对于输入信号包含接收机热噪声、干扰信号和其他可视卫星信号等总功率极为敏感, 为此对于AGC增益来说, 外界干扰信号功率增加对应于AGC增益增加。在各类干扰信号中, AGC对于脉冲式干扰最敏感。
检测干扰信号最直观的方法是采用频谱仪直接测量导航信号频带内的频谱, 但这种方法不适用于普通用户, 必须找到一种简便的方法。使用GPS接收机内部AGC及相关器输出参考量进行干扰检测的方法仅仅依赖GPS接收机本身, 在现有接收机硬件基础上对以往忽略的观测量重新进行分析即可达到干扰检测的目的。同时本方法也可作为信号质量监测功能的一部分广泛应用于各类增强系统中。
由于目前条件所限, 不能对AGC输出电压、相关器输出功率同干扰信号功率进行量化比较和进行详细的统计分析。未来在条件允许情况下, 将逐步细化工作, 并最终建立干扰检测模型。
摘要：环境中的各类干扰信号会造成GPS接收机定位精度降低, 进而发生信号失锁。接收机中自动增益控制 (AGC) 模块可以根据接收信号总功率自动进行增益调节, 从而保证模/数转换的顺利进行。利用AGC的这一特性, 可以通过测量AGC输出增益的变化情况检测输入信号中是否含有干扰信号分量, 从而使用户不借助其他设备快速进行自主干扰检测;同时利用相关器输出功率进行综合使用, 还可大致估算出干扰信号的类别及强度。
关键词：GPS接收机,干扰检测,AGC增益,相关器输出功率
参考文献
[1]PHELTS R Eric, AKOS D M.Robust Signal Quality Monitoring and Detection of Evil Waveforms[C].IONGPS2000.Salt Lake City, UT, 2000:247-256.
[2]KAPLANE D, HEGARTY C J.Understanding GPS Principles and Applications (Second Edition) [M].北京:电子工业出版社, 2007:167-168.
[3]BASTIDE F, AKOS D.Automatic Gain Control (AGC) as an Interference Assessment Tool[C].ION GPS/GNSS2003, Portland, OR, 2003:135-142.
GPS检测 篇3
关键词：变电站,自动化系统,时间同步,GPS,授时装置,时标,检测,测试
0 引言
卫星信号异地时间同步方式,因其技术先进、成熟、不受气候影响、不占用电力信道、不完全依赖远动协议,在电力系统内应用广泛。全球定位系统(GPS)授时装置作为变电站二次设备的时钟信号可选来源之一,通常被自动化系统作为主选时钟源对站内主系统和子系统的二次设备进行授时,以满足对异地和本地变电站智能电子设备(IED)之间的时间同步越来越高的要求[1,2]。
针对自动化系统和设备的时间同步,目前尚没有电力系统专用的国家标准或行业标准[3]。国内为了检测变电站GPS授时装置的准确性,通常采用对其输出信号进行时频检测的方式[3,4,5,6]。该方式存在2个明显的不足:①该方式为随机检测或抽检方式,不易确定检测时刻的时间值;②不易确定输出信号携带的时间编码信息的正确性。因此,时频检测的方式只能检测GPS授时装置的部分能力。本文在时频检测的基础上提出了“给定检测时刻时标”(即实时定时标)的检测方法。
1 时频检测方法
变电站GPS授时装置有3类常用输出信号[7,8,9,10,11],如图1所示。
GPS授时装置时频检测的连接方式见图2。可采用标准时钟信号源和示波器,实现对GPS授时装置的时频检测。并且在检测开始前,标准时钟信号源、GPS授时装置均已与GPS时间同步。
本文以标准时钟信号源输出1PPS信号、GPS授时装置各输出端口每秒输出一次信号为例,简述时频检测方法的原理。图3为图2中示波器的显示示意图,表示GPS授时装置各输出信号与基准1PPS信号之间的偏差。
1.1 准确性检测
准确性检测通常是在标准时钟信号源和GPS授时装置均与GPS同步的情况下,检测GPS授时装置输出信号与GPS同步对时脉冲之间的偏差。
任选2个1PPS标准对时脉冲(如图3中Tm,Tn时间的对时脉冲上升沿),可以检测出GPS授时装置脉冲输出上升沿、串行报文起始沿、IRIG-B编码起始时刻与1PPS脉冲上升沿之间的偏差,分别为Δt1,Δt2,Δt3和Δt1′,Δt2′,Δt3′。
1.2 稳定性检测
稳定性检测主要是检测授时装置内部时钟源的准确性和稳定性[12],保障授时装置在GPS信号丢失后的一段时间内,其输出信号仍能满足要求。该检测的起始条件为:在标准时钟信号源和GPS授时装置均与GPS同步的情况下,同时断开GPS同步信号(通常采用同时断开GPS天线的方式)。
按照1.1节的方式,根据Tm和Tn(见图3)间隔时间长短的不同,检测GPS授时装置在内部时钟源守时状态下输出信号的稳定性及准确性,即标准时钟源与GPS授时装置内部时钟源之间的频率比对检测。
2 定时标检测方法
根据第1节对时频检测方法的叙述,可见针对GPS同步状态下的GPS授时装置输出信号检测存在以下不足:①作为基准信号的标准时钟源对时脉冲(除非采用分脉冲(1PPM)或时脉冲(1PPH)),其实时时刻的时间值不易确认;②不易确认IRIG-B码信号的时间编码信息正确性;③无法检测串行编码时间信息的正确性。本文提出的定时标检测方法主要采用与GPS时标同步的可控时标信号源实现,如图4所示。
可控时标信号源有2种输出信号:①面板锁定显示的GPS时刻输出与GPS对时脉冲上升沿实时同步的LPPS信号(TTL电平方式)。②根据LPPS信号触发时刻,延时输出DO。GPS授时装置输出信号的定时标检测方法如图5所示。该方法可实现输出信号的实时偏差检测、指定时刻串口时间信息检测、指定时刻IRIG-B编码帧时间信息检测,信号(除了DO)都将在示波器上反映。
2.1 实时偏差检测
实时偏差检测类似于上述时频检测方法的准确性检测方式,在可控时标信号源的面板显示Tc时刻,触发时标脉冲LPPS上升沿;通过示波器测得Δt1~Δt3,参见图3(b)和图5(b)。
2.2 IRIG-B时间编码检测
参见图5,以Tc时刻可控时标信号源触发的LPPS信号为基准,示波器将锁定显示Tc时刻后的编码波形“编码Tc”。依据IRIG-B标准对各编码(BCD格式)段的定义,可以检测GPS授时装置时间编码段传输是否与Tc时间值相等,以及检测输出信号编码格式与标准格式的相符程度。
2.3 串口时间信息检测
时间信息检测的设备连接方式如图5(a)所示。GPS授时装置的串口信号经通信转接口送入通用计算机通信口,可控时标信号源的开关量端口接至通信转接口。图5(b)为检测的信号时序示意图(其中ΔT的设置范围为0至大于1 s)。检测方式为:计算机正常接收GPS授时装置输出的串行报文;在检测时刻Tc,可控时标信号源以Tc时刻LPPS信号为基准,延时ΔT控制开关无源接点DO动作,断开串行口至计算机的通信回路;计算机最后接收的报文为“报文Tc”;“报文Tc”中的时间信息应该与Tc时间值相符。
3 检测方法验证
该检测方法的实验室验证,选用了一台某型号GPS授时装置为测试对象,主要测试工具为 Fluke190C双通道示波器、CT-GPS1时标信号模拟仪、RS-485/RS-232转换接口、通用计算机和串口工具软件。
GPS授时装置具有PPS脉冲输出(TTL电平方式)、19.2 kbit/s速率的RS-485串口报文输出、IRIG-B(DC)编码输出等端口;CT-GPS1信号模拟仪与GPS同步后,可锁定输出TTL电平的指定秒时刻GPS的PPS上升沿,以及同步输出一路直流固态继电器开关量(误差<0.01 ms)。
3.1 实时偏差检测验证
参照图5的连接方式,以CT-GPS1随机捕获的GPS的PPS信号上升沿LPPS为时标基准,分别测得GPS授时装置各输出信号的偏差Δt1,Δt2,Δt3,测试数据见表1。
3.2 IRIG-B时间编码检测验证
由于选用示波器的功能所限,授时装置IRIG-B码信息,主要是确认其分、秒信息的正确性。参照图5,用CT-GPS1的LPPS信号锁定IRIG-B编码波形,表2为编码读取结果。
3.3 串口时间信息检测验证
GPS授时装置报文长度为24字节,若以19.6 kbit/s速率、无校验位、1位起始位、1位停止位方式传输,报文输出耗时约需13 ms;表1已经得到了报文帧起始输出的实测滞后时间Δt2约为82 ms。
因此,采用CT-GPS1的固态继电器开关量输出口驱动小容量常规继电器,将常闭节点串接于GPS授时装置串口至RS-485/RS-232转换接口的通信回路,与LPPS锁定输出同步,常闭接点打开,断开通信回路;计算机通过串口工具软件得到“截止前一秒”的报文。参照图5的接线方式,实际数据结果如下:
1)2008-05-21 CT-GPS1显示3.44.38 PM
计算机最终显示: Γ2008:05:21:15:44:37 V(回车符)。
2)2008-5-21 CT-GPS1显示3.57.22 PM
计算机最终显示:01 32 30 30 38 3A 30 35 3A 30 31 3A 31 35 3A 35 37 3A 32 31 20 56 0D 0A。亦即:Γ2008:05:01:15:57:21 V(回车符)。
4 结语
本文提出的定时标检测方法,其技术思路与时频检测方式相结合,既可以检测变电站用GPS授时装置输出信号的准确性,也可以检测信号携带时间信息的正确性。可以较全面地反映变电站用GPS授时装置的性能,从而保障站用时钟源满足电网对二次设备时间同步的要求。
针对GPS授时装置与GPS同步状态下的输出信号,采用高精度GPS同步时标检测其实时同步偏差较为合适;针对GPS授时装置与GPS失步后的自身守时稳定性和准确性,由于GPS对时时标1PPS的稳定度并不是太高(约10-7~10-8),采用时频检测方式目前仍然较为合适。
参考文献
[1]IEC61850Communication networks and systemin substation.2004.
[2]IEEE C37118—2005Standard for synchrophasors for power systems.
[3]GJB2242—1994时统设备通用规范.1994.
[4]王峥,胡敏强,郑建勇.基于GPS的变电站内部时间同步方法.电力系统自动化,2002,26(4):36-39.WANG Zheng,HU Minqiang,ZHENG Jianyong.Synchronization in the substation based on global positioning system.Automation of Electric Power Systems,2002,26(4):36-39.
[5]于跃海,张道农,胡永辉.电力系统时间同步方案.电力系统自动化,2008,32(7):82-86.YU Yuehai,ZHANG Daonong,HU Yonghui.Time synchronizing systemfor power system.Automation of Electric Power Systems,2008,32(7):82-86.
[6]季锋,卜澎.时间同步系统的测试方法.电力系统通信,2003,24(7):40-41.JI Feng,BU Peng.Testing method of time synchronization system.Telecommunications for Electric Power Systems,2003,24(7):40-41.
[7]陈飞,孙云.500kV变电站时间同步系统设计.电力系统自动化,2004,28(22):97-99.CHEN Fei,SUN Yun.500kV substation synchronization systemdesign.Automation of Electric Power Systems,2004,28(22):97-99.
[8]赵宏大.电力时间同步系统及其精度监测.电力系统通信,2008,29(4):36-38.ZHAO Hongda.Power time synchronization system and its accuracy monitoring.Telecommunications for Electric Power Systems,2008,29(4):36-38.
[9]郭一夫,郜洪亮.新型变电站时间同步系统的研制及应用经验探讨.继电器,2007,35(13):61-64.GUO Yifu,GAO Hongliang.Development and application of a clock-synchronismsystemfor substation.Relay,2007,35(13):61-64.
[10]宋明,郑建勇,丁志峰,等.电力系统GPS同步时钟.电力自动化设备,2002,22(10):50-51.SONG Ming,ZHENG Jianyong,DI NG Zhifeng,et al.GPS synchronizing clock for power system.Electric Power Automation Equipment,2002,22(10):50-51.
[11]陈小桥,周水斌.基于GPS的变电站用时钟的研制.电子工程师,2002,28(12):1-3.CHEN Xiaoqiao,ZHOUShuibin.Development of a GPS-based clock used for transformer substation.Electronic Engineer,2002,28(12):1-3.
GPS检测 篇4
目前,我国已开展了大量的高精度GPS测量, 并已建成了数目众多的CORS站,用于高精度大地测量、地壳形变监测、地震预测预报和GPS气象学研究等。在这些高精度GPS测量中,GPS观测数据质量的好坏直接影响着测量结果的精度、可靠性和准确性,而GPS观测数据的质量与GPS接收机抑制多路径效应的性能及测站观测环境条件密切相关。因此,有必要对GPS接收机的抑径性能和测站观测环境质量进行检测、分析与评价,以便为选择合适的GPS接收机和测站提供依据。
GPS观测数据质量的检测一般可借助于GPS观测数据预 处理软件 完成。TEQC ( 即Translation, Editing和Quality Checking的缩写) 软件是由美国的UNAVCO ( University Navstar Consortium) 开发的一款用于对GPS、GLONASS、Galileo和SBAS观测数据进行预 处理的公 开免费工 具软件[1~3]。由TEQC软件的命名可知,在数据预处理方面,TEQC具有强大的功能,可以完成数据预处理中的绝大部分操作,如数据格式转换、数据编辑和数据质量检查评价等[4,5]。
在观测数据质量检查方面,利用TEQC软件可以很方便地提取出GPS观测数据中的电离层延迟、电离层延迟的变化率、多路径影响、接收机周跳、卫星信号信噪比、卫星的高度角和方位角等等信息,并可对这些信息进行图形化显示和浏览,方便用户对观测数据质量做出准确判断[5,6]。
由TEQC软件计算获得的伪距多路径效应平均值MP1、MP2是检验GPS接收机抑径性能的两个重要指标。但是,在某些情况下,仅凭MP1、MP2数值的大小尚不能判断出接收机抑径性能的优劣。为此,本文结合某地区6年来的多期高精度GPS观测数据,利用TEQC软件对所使用的两类GPS接收机的抑径性能和若干测站的观测环境质量进行了检测与分析; 同时,在常用的MP1、MP2两项检验指标的基础上,提出用MP1与MP2的差值Δ值的变化情况对GPS接收机的抑径性能进行检验,据此可以判断某台接收机的抑径性能是否已经变差。
1 两类 GPS 接收机抑径性能检测与分析
1. 1 GPS观测数据来源
本文采用的实际观测数据来源于某地区6年来地面形变监测的高精度GPS观测数据,该项目于每年春、秋季各进行一次GPS观测,每次各观测点上至少观测3个时段,且每一观测时段的长度不少于12h。由于时间跨度比较长,该项目在观测过程中采用了不同类型的双频GPS接收机和扼流圈天线, 且已积累了大量的实际观测数据,这为本文的研究提供了便利条件。
本文在研究过程中选取了两种类型的GPS接收机,分别记为AR和BR,对应的天线分别为AA, BA。其中第一位字母代表生产厂家 ( A或B) ,第二位字母代表设备种类,即接收机 ( R) 或天线 ( A) 。
1. 2某地区6年来高精度GPS观测数据质量检测结果与分析
用TEQC软件对各测站观测数据进行数据预处理之后,首先应检查预处理结果文件中的平均信噪比 ( S /N) 、观测历元数与周跳数之比 ( Obs/Slips) 和数据利用率 ( % ) 三项指标,即首先要确定观测数据的宏观质量,然后再查看MP1,MP2两项指标 ( 即L1和L2频率上的伪距多路径效应平均值,是多路径效应对伪距和相位影响的综合指标) ,以便对GPS观测数据受多路经效应的影响情况做出判断。
观测历元数与周跳数之比往往用CSR值来代替,MP1,MP2和CSR的计算公式如下[7]:
其中,P1,P2分别为伪距观测值; φ1,φ2分别为相位观测值; a为L1,L2载波的频率的平方比,即
为了检验两类GPS接收机的抑径性能,在项目所在区域选取了3个具有代表性的观测点位,分别记为S1、S2和S3,其中: S1代表观测环境良好的观测点,S2代表观测环境一般的观测点,S3代表观测环境较差的观测点。而后,采用TEQC软件对这些点6年共计11期 ( 总的观测时段数从33至48不等) 的观测数据进行质量检验,并将检验结果中的MP1,MP2和CSR值提取出来,绘制成时间序列图 ( 如图1、图2和图3所示) 。数据质量检验标准采用了《中国地壳运动观测 技术规程》中规定MP1,MP2值小于0. 5m、CSR值小于10的要求[7~10]。
S1点建于项目初期,四周非常空旷,历年来周围环境并无显著变化。结合S1点的观测环境,从图1中可以看出,S1点的多路径效应值一直都在规范要求的0. 5m以下,且CSR值也远远小于10。但是在各时段之间更换接收机和天线类型时,都出现了一些跳跃点,这说明在更换接收机和天线类型后导致了MP1,MP2和CSR值发生较大变化,恰恰说明不同类型的GPS接收机对多路径效应的抑制性能是不一样的。
S2点同样建于项目初期,起初点位周边无树木等高物的遮挡,随着时间的推移,周边所植树木渐渐长大,其高度甚至已经超过观测墩的高度,造成观测环境逐渐变差。
结合S2点观测环境的变化,从图2中可以看出:
( 1) S2点的多路径效应值呈缓慢增加趋势, 从最初的0. 25m左右增加到了限值0. 5m左右,说明该点的观测环境在随着周围树木的生长而逐渐变差;
( 2) 图2中跳跃点所反映的信息与图1一致, 说明更换接收机和天线类型对观测数据质量影响较大,尤其该点上的最后3个观测时段为同期不同测段,由于作业调度需要更换了一次接收机,但就是因为这一次接收机类型的更换,就使得MP1,MP2 和CSR值下降到规范要求值0. 5m和10以下 ( 见图2中的圆圈标注部分,将B类接收机更换为A类接收机) ,多路径效应值前后相差约0. 35m,而CSR值前后相差竟达到了10左右。由此可见,选用性能较好的接收机和天线可以有效抑制多路径效应的影响。
S3点与S1、S2点同期建成,刚开始其周边就有部分树木,但不是很茂密,所以在项目初期其检测出的多路径效应值还能满足高精度GPS监测的规范和要求。但从图3可以看出,随着时间的推移, 该点上的多路径效应值在不断增大,且在若干年之后已大大超过了规范所要求的0. 5m,CSR值也远远大于10,说明该点的观测环境已经明显变差,应当在高精度GPS监测中予以剔除或改善其观测环境条件。
从以上3个具有代表性的点位观测数据质量的检查结果可以看出,利用MP1,MP2和CSR三项指标基本可以判断出不同类型GPS接收机的抑径性能和测站观测环境质量的好坏。
2 GPS 接收机抑径性能检测新方法
在GPS接收机的抑径性能和数据质量检测中, 多数情况下仅考虑了MP1,MP2和CSR值三项指标, 其中,MP1,MP2值反映了多路径误差的大小,CSR值反映了接收机跟踪和锁定卫星的能力,但并未考虑MP1与MP2之差Δ ( Delta) 值对观测数据质量的影响,在某些情况下尚不能判断出接收机抑径性能的优劣。本文尝试利用Δ值的时间序列来对GPS接收机的抑径性能进行检测。Δ值由式 ( 4) 计算:
由式 ( 4) 可知,Δ代表接收机分别在L1、L2载波上码伪距和相位观测值差值之和,因此,它可以反映所使用GPS接收机抑径性能的优劣。根据GPS测距原理可知,若观测期间不存在周跳或卫星失锁,以及排除其他一切可能的误差干扰源 ( 如多路径效应等) ,那么Δ值应该是一条变化较为缓和的曲线或者甚至是一个常数 ( 即Δ值应该不受观测环境的影响) 。若其变化波动范围很大,说明这种型号的接收机抑径性能是比较差的,这必然会在很大程度上影响观测数据的质量。因此,在高精度GPS观测中,这种接收机是不宜采用的。
这样,若需要检验某台GPS接收机的抑径性能,可以在观测环境较差的点 ( 即多路径效应影响较大的点) 上采集数据,而后对其观测数据进行分析,Δ值的变化幅度越小说明其对多路径效应的抑制性能越佳; 反之亦然。
( 1) 两种不同类型GPS接收机抑径性能的检测
为了检验和判断两种不同类型GPS接收机 ( A和B类型) 的抑径性能,用TEQC软件对某一观测环境相对较差的GPS点 ( S3点) 的观测数据进行了质量检验,而后提取出该点上的质量检验结果,将该点上不同时间段、两种不同类型GPS接收机和天线的Δ值与CSR值绘制成如图4所示的时间序列图。
从图4中可以看出,所使用的A类接收机对多路径效应的抑制性能明显要优于B类接收机。这与图1至图3所反映的A类接收机观测数据的多路径效应值普遍比B类接收机要小的结论是一致的,尤其是图2中倒数第二个时段更换成A类接收机后同一点上的多路径效应值前后相差0. 35m,且其Δ值相对较小,已充分说明A类接收机对多路径效应的抑制性能较好; 同时,从两种类型接收机的CSR值可以看出,B类接收机的卫星失锁率也高于A类接收机,反映出B类接收机在卫星信号跟踪方面的性能也远低于A类接收机。
当然,由于每种类型或者每台GPS接收机由于其使用时间长短及工作环境的不同,其性能损耗也不一致,所以不能定性地认为B类接收机的整体性能就劣于A类接收机。上述检验结果只能说明,在目前状态下,B类接收机的抑径性能比A类接收机要差。
( 2) 同类型GPS接收机抑径性能的检测
为了进一步检验和判断同类型GPS接收机的抑径性能,图5给出了A类型同一台接收机在不同GPS监测点上的MP值、对应的Δ值以及CSR值的时间序列图。该图中质量检验所采用的原始数据来自于2005年至2011年这六年间的地面沉降高精度GPS观测数据,由于观测调度的需要,该台接收机每年参与观测的监测点点位均有所变化,但大多数GPS点的观测环境较好且无显著变化,仅有个别点上的观测环境较差。正因为这样,不同观测环境条件下GPS点上的原始观测数据的质量检验结果更能说明GPS接收机抑径性能的优劣。
从图5中可以看出,该台接收机不管在何种观测环境下采集数据,其Δ值都比较小,趋势比较平缓,最大波动范围在10cm以内,同时CSR值也在规范要求的10以内,说明该接收机在使用若干年以后其性能仍比较稳定。
同时,图6给出的则是自2007年至2011年4年间B类型同一台接收机的MP值和对应的Δ值以及CSR值时间序列图。从图6中可以看出,该台接收机Δ值有两个变化较大的地方,即2009年末和2011年,而其他地方则比较平缓。这主要是因为较平缓的点位均为观测环境较好的点,MP值均在0. 5m内; 而变化较大的点位则是观测条件较差的点,Δ值的急剧变化体现了接收机对抑制多路径效应的性能不佳。
( 3) GPS接收机抑径性能的变化情况检测
为了进一步检验GPS接收机抑制多路径效应的性能是否随着时间的推移在不断降低,本文提取了时间跨度为4年 ( 2007至2011年) 的B类型接收机在同一点位 ( S5点) 上的观测数据的MP和Δ值以及CSR值,如图7所示。该点 ( S5点) 的南侧和西侧有固定的铁栅栏,约与GPS观测墩等高,有多路径效应产生,但该点历年来周围环境并无显著变化,没有树木生长或新建房屋的影响,因此可采用该点的观测数据对同类型GPS接收机抑径性能的变化情况进行检测。
从图7中可以看出,在经过4年时间后,尽管处于相同的观测条件下,但是该接收机在S5点上所采集数据的质量在逐年下降,其多路径效应平均值MP1与MP2随着Δ值的增大而增大,且Δ值的波动范围达到了30cm以上,CSR值也已经超过了规范要求的10,所反映的情况与多路径效应较大情况下卫星失锁率较高的实际情况也是一致的,说明该接收机的电子元器件发生了比较严重的老化,抑径性能下降,已经不适合用于高精度GPS测量。
3 结语
( 1) 为了确保获得高精度和准确可靠的测量结果,非常有必要对GPS接收机的抑径性能和测站观测环境质量进行检验与分析。一般情况下,利用MP1,MP2和CSR值三项指标基本可以判断出GPS接收机抑径性能和测站观测环境质量的好坏。
( 2) 由于MP1与MP2之差Δ的变化情况可以反映GPS接收机抑径性能的优劣,因此,利用Δ值的时间序列可以检验并判断GPS接收机的抑径性能。
( 3) 通过对某地区6年来高精度GPS观测数据的检验与分析,可以看出,不同类型GPS接收机的抑径性能有很大差异,有些类型的GPS接收机在使用一段时间后,其抑径性能仍然稳定,观测数据质量较高,但有些GPS接收机在使用一段时间后,其抑径性能就大大下降,观测数据质量较差,不能满足高精度测量的要求。当然,GPS接收机的整体性能与接收机的平均无故障使用时间 ( MTBF,Mean Time Between Failure ) 有很大关系, 大多数民用GPS接收机的MTBF都在10000h左右[11,12]。因此, 不能仅凭接收机的出厂日期来判断接收机质量的好坏,而是要通过当前的实测数据来检验其质量和抑径性能的优劣。
摘要：采用GPS技术进行高精度变形监测时,多路径效应是一个重要误差来源。为了确保获得高精度和准确可靠的测量结果,有必要对GPS接收机抑制多路径效应的性能进行检测与分析。结合某地区6年来获取的高精度地面形变监测GPS观测数据,本文提出了一种GPS接收机抑径性能检测新方法,即利用MP1与MP2之差Δ值的变化情况来对GPS接收机的抑径性能进行检测。实例结果表明,利用Δ值的时间序列可以检测并判断某台接收机的抑径性能是否已经变差。
GPS检测 篇5
关键词：GPS,GPRS,单片机,LabVIEW,检测
随着社会经济的发展, 我国道路通车里程逐年增长, 机动车保有量不断增加, 道路交通事故也呈逐年增长趋势。导致交通事故发生的原因有很多:超速行驶、占道行驶、无证驾驶、酒后驾驶、违法超车、疲劳驾驶等。
目前机动车测速系统大致分为激光测速、雷达测速、普通视频测速、精确视频测速等方式。激光测速和雷达测速对测速角度有严格要求:小于10°, 测量精确多不高不适用。视频测速可以将违规车辆的车牌拍下了, 对违规超速车量构成了一定得威胁。但是, 这种视频测速监控仪器已经被人所了解, 违规司机在违规被记录车牌后, 想到了调换车牌的方法去逃避处罚。现提出应用GPS定位速度信息, 进行实时测速的方法。
1 研究方案
本课题主要研究的内容是单片机对GPS接收机的控制, 单片机对无线通信系统的控制, 以及Lab VIEW程序编写。高速公路车速实时监测系统设计方案分两部分一是车速监测设备;一是接收系统。在车辆进入高速公路向驾驶员发体积、低功耗、高速监测设备。此设备包括GPS模块、微处理器、单储器、报荦设儇、无线通信模块等。设计方案是在GPS模块中内置天线, 用于接收卫星的数据。单片机模块从GPS模块提取数据, 并对数据进行判断、存储等处理。当判断出车辆的速度即将超过允许范围, 则向驾驶员发送声光报警及语音提示, 通知驾驶员即将超速。当车辆行驶速度超过允许的范围时, 再次向驾驶员发出报警提示, 通知其车辆已经超速, 并对其超速行驶的信息存储在存储器中。当车辆驶出高速公路时将车速监测设备交出, 并由车站收费人员利用安装在速度监测设备上的无线发送模块将车辆超速行驶信息发送给接收系统。安装在收费站内的接收系统由无线接收模块和信息显示系统构成。无线接收模块将车站收费人员发送的信息接收, 输送到信息显示系统显示并储存。若其行驶信息中有超速现象则对超速的车辆进行制裁。
2 性能分析
2.1 实时性分析及问题
系统的实时性问题主要是指系统的时延。从GPS定位数据的接收、存储到通过GPRS以短信息形式发送, 整个过程的每一个步骤的执行都存在时延。有数据传输时延、软硬件处理时延、连接等待时延等等。这些时延单独看来对系统的影响不大, 但所有时延的总和对于整个系统来说却是不可忽视的。
G P S接收部分的实时性是无可厚非的, 然而影响系统实时性的重点则在数据传输部分。本系统使用的传输短消息的控制信道是独立专用控制信道 (SACCH) 。短消息接收端在没有通话的情况下, 且短信息为发送长度不超过140字节的单条信息。一条短消息的时间不会超过2.6s, 而当接收端正在通话时, 发送信息的时间最多需要5.8s。所以系统短信息发送的延时时间也仅仅在6s, 基本上满足了车辆定位信息实时传送。
2.2 可靠性分析
对于该车速实时系统检测系统来说, 影响系统可靠性的主要因素有:速度等信息的传输时延和信息的传输的准确性。下面来讨论速度等信息在传输中的准确性分析。
速度等信息的传输要经过:GPS接收模块部分接收导航卫星的信号并进行解算;信息通过AVR单片机的接收和处理;信息经过GPRS模块MC39i和GPRS网络的传输等步骤。以上的每个步骤都有误码的可能。其中, GPS接收与GPRS模块的误码率分别为10和10;GPS定位及速度信息的采集与处理过程的误码率为10, 它与信息采集处理器以及RS232串行数据有关;GPRS网络传输定位信息的误码率在10~10范围内, 因为GPRS网络传输数据时所选用的业务信道有关, 传输信道的噪声、反射、脉冲拌动以及雷电干扰等因素都是造成误码的原因。本系统中, 数据传输的误码率不低于10, 根据上述的分析, 本系统在理论上可以实现定位及速度信息的可靠传输。
3 创新点及实验结果
3.1 创新点
本设计制作的超速记录监测仪采用GPS定位方法实现实时测速, 应用GPS接收机捕捉车辆定位信息, 在单片机内进行提取速度信息, 在由单片机控制GPRS, 通过GPRS无线通信发送信息, 并进行实时速度存储, 当超速时可采用声光语音提示, 这样可以达到对超速车辆的限制, 从而减小交通事故的发生率。
3.2 研究结果
近年来, GPRS无线网络数据传输技术是一项热门的技术, 而GPS为卫星定位导航技术也是现代技术的焦点。这两项技术在汽车电子技术中得到了广泛的应用, 本文针对这两项技术做了如下工作。
(1) 研究了GPS技术的发展现状以及在车辆定位中的应用。
(2) 基于西门子GPRS模块MC39i, 研究了GPRS无线通信网络短信息点对点传输协议, 并详细分析了其数据格式和数据封装。
(3) 对系统的各个部分进行了分开调试, 确定了各部分电路设计的可行性。
(4) 本设计还应用了Lab view虚拟仪器开发平台, 设计了一个定位信息显示系统。
参考文献
[1]陆化普, 李瑞敏, 朱茵.智能交通系统概述[M].北京:中国铁道出版社, 2004, 10:1～72.
GPS检测 篇6
金属氧化锌避雷器(MOA)在电力系统中有广泛的应用,它的性能好坏严重影响电网的安全运行。MOA的故障现象一般表现为总泄漏电流变大、损耗更大[1]。阻性电流占总泄漏电流的比重虽然不大,但是却和MOA的绝缘性能有着很密切的关系,阀片老化和内部受潮的情况下,阻性电流都会首先发生变化[2]。传统的阻性电流测量系统使用一个测量设备同时测量电压互感器(CVT或PT)二次侧的电压信号与MOA的泄露电流全电流信号,测量设备在开始测量时,对两个采样模块同时发出指令,两路AD转换器采用同一个脉冲信号触发即可实现两路信号的同步测量[3]。传统的测量方法在同步测量的实现上非常的简便,但每次测量时要在电压互感器的二次侧接线,在实际应用中存在一定的安全隐患。本文为此设计开发了一种基于GPS同步的MOA无线阻性电流带电检测系统,将检测系统分成两个装置,二者通过GPS模块的PPS脉冲进行同步测量,用无线传输测量结果并计算阻性电流,从而方便接线并且消除了安全隐患。
1 检测系统基本组成和原理
本文设计的系统的测量原理如图1所示,其中电压监测装置固定安装于电压互感器二次侧,用于在线监测电压互感器的电压,并且在系统有测量阻性电流需求时响应电流检测装置的测量请求;电流检测装置是便携式的,可以由工作人员随身携带,在进行测量工作带去变电站现场。电压监测装置一次安装后接线固定,在以后进行测量工作时不必继续重复接线。电流检测装置做成便携式可实现一台设备对多个变电站的避雷器进行测量。测量时电流检测装置首先通过无线通信发送测量命令给电压监测装置,电压监测装置收到测量命令后,二者通过GPS模块实现同步测量电压电流,电压监测装置将测得的数据通过无线通信发送到电流检测装置,电流检测装置通过基于傅里叶级数分解的算法[4]计算电压电流基波分量的相差,进而得到MOA的阻性电流。
2 GPS同步测量的实现方法
电力领域中广泛使用GPS实现时间同步,GPS输出的PPS脉冲时钟精度一般可以达到200 ns,能够很好的满足电力系统同步测控的需要[5]。通常GPS模块根据PPS脉冲的不同有两种,一种是一秒钟发送一次PPS脉冲,一种是100秒发送一次PPS脉冲。本系统选用的是一秒发送一次PPS脉冲的GPS模块。测量氧化锌避雷器阻性电流流程开始时,首先便携式电流检测装置由GPS模块的PPS脉冲触发无信通信,对电压监测装置发出测量命令,便携式电流检测装置随后开始对PPS脉冲进行计数。当电压监测装置收到测量命令时,也开始对PPS脉冲进行计数,当两边同步计数到某个固定数时,两边同步开始采集电压电流信号并计算。电压监测装置将计算得到的电压相位通过无线传输的方式传到电流检测装置,由便携式电流检测装置负责算出电压电流相位差并存储数据。同步测量的脉冲示意图如图2所示。同时测量中有可能出现如图3所示情形,此时两侧的测量不是严格意义上的同步开始,而是相差1 s开始。当电气系统的频率在49.5 Hz-50.5 Hz之间浮动时,这种情况可能造成一定的误差。
3 MOA便携式检测装置设计和实现
MOA便携式检测装置的系统结构如图4所示。检测装置由微控制单元,保护部分、放大倍数自调整无相差放大部分、GPS授时模块、无线通讯模块等构成。MCU使用Silicon公司的C8051F040,这款单片机内部带有精度可以达到阻性电流测量要求的12位的A/D转换器,系统的时钟频率为24 MHz,可以使系统有足够的计算精度。GPS模块使用Motorola公司的M12+ TIMING ONCORE,该模块的时间精度平均情况下小于12 ns;无线通讯使用RFC-30A模块,通讯距离在开阔地带能达到3 000 m。此外还有EEPROM模块用于历史测量数据。
测量避雷器的泄露电流全电流时,使用电流钳夹住避雷器下端所串接的雷击计数器,由于测量电阻远小于雷击计数器电阻,泄露电流将从电流钳全部流入测量设备。采集到的流过氧化性避雷器的电流输入到如图5所示的前级放大电路中。保护装置防测量时间MOA上出现较大电流,造成设备损坏和人员受伤。
图中全电流信号引入J7的端口1、端口2,流经测量电阻R23,测量电阻将电流信号转换成为电压信号。本系统的信息采集通道中并没有加入滤波电路,这是因为阻性电流测量系统需要测量电压和电流的精确的相位差,滤波电路通常会对不同频率的信号产生不同的相移,即使使用完全相同结构的滤波器电路,由于电路器件参数的分部特性,也会给阻性电流的测量带来较大的误差。
4 电压监测装置电路设计
电压监测装置的整体结构如MOA便携式电流检测装置类似,也是由微控制单元,无相差放大部分、GPS授时模块、无线通信模块和FLASH存储器构成,系统结构图如图6所示。其中电压监测装置的无线通讯模块可以通过拨码开关切换装置的通讯地址,以此在无线通信时区别不同的电压监测设备。FLASH存储器用于掉电保持电压监测数据。
电压监测装置接线到PT (或CVT)的二次端子箱,把电压互感器的电压信号连接到设备内的空气开关上。PT (或CVT)二次侧电压信号采集的放大电路如图7所示。
由图7可见,电压信号从电压互感器二次端子箱接线通过空气开关接入后,通过测量电阻R12将电压信号转化为电流信号,由MCU内部的12位AD模块采样并计算。计算完成后,电压监测装置通过无线通信模块将电压相位数据发送到便携式电流检测设备,电流检测设备收到数据以后比较避雷器电压电流信号的相位差,并以此计算出阻性电流。
5 试验测试及结果
用高精度信号发生器分别产生相差不同的电压信号和全电流信号,通过本系统进行测量,测量结果如表1所示。
从表1中可以看出该系统阻性电流的测量精度在5%以内,符合DL/T987-2005《氧化锌避雷器阻性电流测试仪通用技术条件》中对于阻性电流测量精度的要求,且接线简单,操作方便,具有很好的应用前景。
6 结束语
本文设计了一种基于GPS的无线MOA阻性电流测量系统。本套MOA无线阻性电流测量系统将电压测量设备固定在电压互感器的二次侧,省去了每次测量时的接线,更加安全方便。氧化锌避雷器泄露电流全电流测量装置为便携式,测量时带去变电站现场,两者通过GPS和无线通信完成同步测量,接线简单。现场测试试验证明了研制系统的有效性。
摘要：金属氧化锌避雷器(MOA)的阻性电流大小能较好地反应其设备状态,传统的MOA阻性电流测量方法每次测试时需在电压互感器二次侧接线,有较大的安全隐患。提出了一种新型的MOA阻性电流无线测量方法,基于GPS和无线通信模块实现便携式电流检测装置与电压监测装置的无线同步测量,通过基于傅里叶级数的算法实现检测MOA的阻性电流。重点阐述了系统的组成以及硬件的设计原理和实现方法,试验测试和现场运行测试结果表明方法满足MOA阻性电流测量的要求。
关键词：氧化锌避雷器,阻性电流,GPS,无线测量
参考文献
[1]李晓,查军.110kV氧化锌避雷器事故分析及防范措施[J].高电压技术,2003,29(7):54-55.
[2]Kari Kannus,Kari Lahti.Evaluation of the operation condition and reliability of surge arresters used on medium voltage networks[J].IEEE trans.On power delivery,2005,20(2):745-750.
[3]王又佳,段大鹏,江秀臣,等.基于无线通讯和GPS授时的便携式MOA检测系统[J].电瓷避雷器,2009,52(5):41-45.
[4]傅中君.应用过零法和谐波分析法精确测量MOA阻性电流基波[J].电瓷避雷器,2004,47(2):35-39.
【GPS检测】推荐阅读：
建筑材料检测检测项目07-22
纺织染整助剂检测项目及检测方法07-28
“TMLC检测系统”简介及主要检测09-08
质量检测中心检测设施、环境控制和维护程序07-20
零点检测07-14
预习检测07-14
电弧检测07-16
火灾检测07-18
曲率检测07-18
指尖检测07-19