实时测量系统（共12篇）
实时测量系统 篇1
广域测量系统WAMS(Wide-Area Measuremen System)实现了电网动态过程监测、低频振荡监测[1,2,3,4,5],监测的内容包括电压及电流相量、功率、机组出力、发电机内电势和功角、系统频率、频率变化以及重要的开关状态;WAMS也为电力系统暂态稳定及控制、广域预警和决策等方面提供重要参考数据[6,7]。目前,国内外对WAMS的主站、子站或相量测量单元(PMU)的性能测试及测试方法仍在研究之中[8,9,10]。现提出基于仿真技术的WAMS仿真子站,用于模拟WAMS子站系统或PMU装置,实现对WAMS主站系统的功能、性能、通信规约测试,并给出了仿真子站通信的解决方法。
1 WAMS仿真子站
WAMS仿真子站是在Windows平台下基于VC++6.0开发的仿真软件系统,用于模拟安装在重要发电厂和变电站的PMU装置或由多个PMU构成的子站系统,其具有6大功能。
a.可灵活配置子站的PMU及PMU包含的通道。通道包括相量通道、模拟量通道、频率通道、频率变化通道、开关量通道;配置的项目包括通道的名称、数值、转换因子、通道幅值和相角变化的规律等。
b.可生成各个通道的实时动态数据,存储动态数据,模拟PMU装置对现场数据的实时采集功能;模拟子站生成子站配置文件、离线数据文件等。
c.基于套接字(socket)的网络通信模式,仿真子站通过以太网接入实际主站,由数据管道实现实时动态数据的传输、命令管道实现命令帧的交互、配置帧的传输;离线数据管道实现离线数据文件的传输。
d.通过对现场WAMS子站或PMU装置的模拟,实现对现场子站的仿真。可接入WAMS主站系统,完成对主站的功能测试、处理能力测试。
e.按电力系统实时动态监测系统技术规范[11,12,13],实现对WAMS主站的通信规约测试、通信功能测试、数据误码率等通信性能测试。
f.可解析COMTRADE格式的故障录波数据,实现COMTRADE波形回放,上送低频振荡数据或扰动数据,测试主站对低频振荡或扰动现象的识别能力。
WAMS仿真子站能够模拟现场的PMU装置对电网参数中的相量数据、模拟量数据、频率、频率变化率以及开关量数据的实时采集和存储功能,并按照规约格式组织数据帧通过以太网上传至WAMS主站系统,可以实现对WAMS主站的功能测试、规约测试、性能和处理能力测试。图1是WAMS仿真子站的实现框图。
2 实时数据通信
WAMS的主要功能是实现电力系统的动态监测和动态稳定控制,主站和子站间实时可靠的数据通信是保证WAMS运行的最基本条件。实际运行过程中,子站将以25、50或100帧/s的速率向主站传送实时动态数据,100帧/s时要求子站以10 ms的时间间隔向主站上传实时数据。
WAMS仿真子站是基于Windows操作系统平台下开发的应用软件系统。由于Windows是非实时操作系统,因此,如何在Windows平台下实现仿真子站向主站上传动态数据达到100帧/s,并且保证数据传输的实时性是仿真子站实现的难点。
按照25、50、100帧/s且连续传送的要求,需要设计一个40、20、10 ms的周期定时器,在定时溢出时刻将一帧数据上传,实时数据传输的常规实现流程如图2所示。
然而,调试结果表明,Windows窗口定时器的定时精度远远达不到要求,定时器消息的处理会出现较大的延时,严重影响了系统的实时性;另外,当数据帧写入socket的发送缓冲区时,若数据帧的帧长较短,TCP传输控制并没有立即将数据帧发送出去,而是出现了数据帧积压,导致多包数据同时到达主站。显然,Windows下的上述的普通实现方案不能满足仿真子站的实时通信要求,必须寻找新的解决方法。
3 实时通信实现
3.1 精确定时与多线程方法
3.1.1 精确定时方法
Windows窗口定时器的定时精度远远达不到要求,每次定时均产生较大的延时,严重影响数据帧发送的实时性和发送时间的准确性。采用Windows的多媒体定时器可以较好地满足精确定时的要求,这种定时器的定时精度可以达到1 ms并且运行在一个独立的线程,当定时时间溢出时,操作系统直接调用该定时器的回调函数,因此它具有较快的响应时间,不会出现普通窗口定时器的延时响应。
3.1.2 多线程技术
基于NT技术的Windows操作系统,采用线程作为基本调度单位,一个多线程应用程序允许多个任务并发执行,因而可以执行某些实时性或随机性很强的操作,提高对CPU和其他资源的利用率,加快信息处理速度。在仿真子站中,采用多媒体定时器的精确定时线程负责处理实时数据帧的发送,而动态数据生成、存储、显示由另一独立线程处理,以提高系统数据通信的实时性。
3.1.3 实现方法
多媒体定时器运行在一个独立的线程,并且具有较高的定时精度,可以满足仿真子站最短10 ms的定时周期。当定时时间溢出时,操作系统调用该多媒体定时器的回调函数,实时响应该定时器的处理函数。
仿真子站开辟发送线程,由多媒体定时器定时,负责周期发送实时数据帧。主线程负责实时动态数据帧的生成,并将实时数据保存至实时数据库。当发送线程执行发送数据帧时,需要访问实时数据库,获取系统当前的数据,因此实时数据库是整个进程的共享资源。为了解决各线程对共享资源访问的竞争问题,采用了互斥对象Mutex做为线程的同步对象,当共享资源正被一个线程占用时,另一线程只有在资源释放后才能使用,避免访问冲突。图3给出了该方案的实现原理图。
3.2 TCP/IP协议层解决方法
仿真子站系统运行中,主站往往一次接收到仿真子站多个数据包,而不是按照仿真子站发送的时间间隔收到数据。经分析,导致主站同时接收多包数据的原因,是仿真子站网络通信套接字socket中的TCP/IP协议层采用了Nagle算法,影响了数据发送。
3.2.1 TCP的时延确认[14]
当TCP收到发自TCP连接另一端的一帧数据时,它将发送一个确认ACK,通常情况下,该确认帧ACK并不是立即发送,而是推迟发送,以便将ACK与需要沿该方向发送的数据一起发送,绝大多数实现采用的时延为200 ms,即TCP将以最大200 ms的时延等待是否有数据一起发送。
3.2.2 TCP的Nagle算法[14]
Nagle算法是Jone Nagle提出的用于减少TCP/IP网络中小分组数过多和提高网络吞吐量的一种算法[15],该算法要求一个TCP连接上最多只能有1个未被确认的未完成的小分组,在该分组的确认到达前不能发送其他的小分组,相反,TCP收集这些少量的分组,并在确认到来时以一个大分组的形式发送出去。
3.2.3 时延确认和Nagle算法产生的问题及解决
WAMS仿真子站通过数据管道向WAMS主站上传实时数据帧,主站的数据管道只负责接收数据帧,而不向子站下发数据帧。在子站上传的数据帧帧长较短时,Nagle算法将不允许子站在收到主站返回上一数据帧的确认前继续发送下一个数据帧。主站方面,由于一直没有数据下发,将等待时延定时器溢出时才向子站返回确认,此延时会达到200 ms左右。另外,在主站延时返回确认帧期间,子站又有多个数据帧需要发送(最大发送数据帧间隔40 ms),故导致了数据帧在子站的发送缓冲区积压。
显然,上述现象严重影响了子站向主站传送数据的实时性,针对WAMS主站和子站数据管道传输的特点(主站只接收实时数据帧,不向子站下发数据帧),解决方法是关闭TCP的Nagle算法,允许TCP交互过程中一个分组的确认未到达前继续发送下一个分组,图4给出了未关闭Nagle算法和关闭Nagle算法时数据管道的TCP交互流程。
4 实验结果与分析
为了验证上述方法的可行性,在实验室环境下将WAMS仿真子站和WAMS仿真主站(模拟主站运行的测试软件)接入到局域网,建立仿真子站与仿真主站的数据管道,由仿真子站向仿真主站传送实时动态数据。在仿真主站中解析数据管道接收的数据,判断接收的数据帧是否实时到达并计算流量(主站数据管道每秒接收的总帧数),进而分析仿真子站数据管道发送数据的实时性。
首先完成了窗口定时器单线程、多媒体定时器结合多线程技术2种方法的对比实验,在给定上传速率下主站数据管道接收流量的对比结果如表1所示。表中,v为仿真子站的上传速率;n1、n2分别为采用普通定时器和单线程及采用多媒体定时器和多线程时主站每秒接收的总帧数。
从表1中的数据可见,采用多媒体定时器的精确定时配合多线程技术,能够实现100帧/s的传送速率,而采用普通定时器和单线程时根本无法达到要求。
其次,在采用多媒体定时器配合多线程技术下,完成TCP/IP协议层中Nagle算法关闭前后的对比实验,设定仿真子站上传动态数据的速率是100帧/s,主站接收数据帧情况的对比结果如表2所示。
注:t为接收时间间隔,理论值为10 ms;仿真子站上传的动态数据帧帧长为38Byte;n3为接收的总字节数;n4为每次接收的总帧数。
从表2可以看出,当仿真子站向主站上传的动态数据帧的帧长较短时,TCP的时延确认和Nagle算法对数据帧传送的实时性有较大的影响,而关闭了Nagle算法后,每个数据帧都实时发送出去,不会出现数据积压。另外,从表2的接收时间间隔数值可以看出,子站以10 ms的定时周期依次上传实时数据帧,定时精度较高,进一步验证了精确定时和多线程方案的可行性。
5 结语
在Windows平台下,使用socket流方式和TCP/IP协议实现WAMS仿真子站与WAMS主站间的实时动态数据传送,本文较详细地分析了影响仿真子站通信实时性的因素,提出了解决方法,并通过实验和调试验证了所采用方法的可行性。
实时测量系统 篇2
一、与GPS卫星有关的误差
与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差卫星钟差
由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均发精密测时为依据，而与卫星位置相对应的信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。在GPS定位中，无论是码相位观测或是载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟保持严格的同步。实际上，以尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但是它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差和漂移。这种偏差的总量约在1ms以内。对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。经钟差改正后，各卫星之间的同步差，即可保持在20ns以内。
在相对定位中，卫星钟差可通过观测量求差（或差分）的方法消除。
2卫星轨道偏差
估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，以难以充分可靠的测定这作用力，并掌握它们的作用规律，目前，卫星轨道信息是通过导航电文等到的。
应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。测量的基线长度越长，此项误差的影响就越大。
在GPS定位测量中，处理卫星轨道误差有以下直种方法:
1)忽略轨道误差
这种方法以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准，不再考虑卫星轨道实际存在的误差，所以广泛的用于精度较低的实时单点定位工作中。
2)采用轨道改进法处理观测数据
这种方法是在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其与其它求知数一并求解。
3)同步观测值求差
这一方法是利用在两个或多个观测站一同，对同一卫星的同步观测值求差。以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统误差性质，所以通过上述求差的方法，可以明显的减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其效用更不明显。
这种方法对于精度相对定位，具有极其重要的意义。
二 与卫星信号传播有关的误差
与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应电离层折射的影响
GPS卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，便其信号的传播路径发生变化。当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最大。
为了减弱电离层的影响，在GPS定位中通常采用下面措施
(1)利用双频观测
由于电离层的影响是信号频率的函数，所以利用不同频率的电磁波信号进行观测。便能多确定其影响，而对观测量加以修正。因此，具有双频的GPS接收机，在精密定位中测量中得到广泛的应用。不过应当明确指出，在太阳辐射的正午或在太阳黑子活动的异常期，应尽量避免观测。在尤其是精密定位测量。
(2)利用电离层模型加以修正
对于单频GPS接收机，为了减弱电记屋的影响，一般是采用导航电文提供的电离层模型，或其它适合的电离层模型对观测量加以修正，但是这种模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率约为75％。
(3)利用同步观测值求差
这一方法是利用两台或多台接收机，对同一卫星的同步观测的求差，以减弱电离层折射的影响，尤其当观测站间的距离较近时（<20km)，由于卫星信号到达各观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，因此通过各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差，便可显著的减弱电离层折射影响，其残差将不会超过0.000001。对于单频GPS接收机而言，这种方法的重要意义尤为明显。
2对流层折射的影响
对流层折射对观测值的影响，可分为干分量与湿分量。干分量主要与大气的湿度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度有关。对于干分量的影响，可通过地面的大气资料计算；湿分量目前尚无法准确测定。对于输送短的基线(<50km)，湿分量的影响较小。
关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法：
(1)定位精度要求不高时，可不考虑其影响。
(2)采用对流层模型进行改正；
(3)采用观测量求差的方法。与电离层的影响相类似，当观测站间相距不远(<20km)时，由于信号通过对流层的路径相近，对流层的物理特性相近，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显的减弱对流层折射的影响。
3多路径效应影响
多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，信号叠加将会引起测量参考点（相位中心点)位置的变化，从而便观测量产生误差，而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达到米级，对测相伪距的影响可达到厘米级。而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。
目前减弱多路径效应影响的措施有：
(1)安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面=平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。
（2）选择造型适宜且屏蔽良好的天线等。
（3）适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。
(4)改善GPS接收机的电路设计，了减弱多路径效应的影响。
三、接收设备有关的误差
与GPS接收机设备有关的误差主要包括观测误差，接收机钟差，天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。观测误差
观测误差包括观测的分辨误差及接收机天线相对于测站点的安置误差等。
根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。故知道载波相位的分辨误差比码相位不小，由于此项误差属于偶然误差，可适当地增加观测量，将会明显地减弱其影响。
接收机天线相对于观测站中心的安置误差，主要是天线的置不与对中误差以及量取天线高的误差，在精密定位工作中，必须认真，仔细操作，以尽量减小这种误差的影响。接收机的钟差
尽管GPS接收机高有高精度的石英钟，其日频率稳定度可以达到10的-11方，但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的。
处理接收机钟差较为有效的方法是将各观测时刻的接收机钟差间看成是相关的，由此建立一个钟差模型，并表示为一个时间多项式的形式，然后在观测量的平差计算中统一求解，得到多项式的系数，因而也得到接收机的钟差改正。载波相位观测的整周未知数
载波相位观测上当前普遍采用的最精密的观测方法，由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部份，而无法直接测定开波相位整周数，因而存在整周不定性问题。
此外，在观测过程中，由于卫星信号失锁而发生的周跳现象。从卫星信号失锁到信号重新锁定，对载波相位非整周的小数部分并无影响，仍和失锁前保持一致，但整周数却发生中断而不再连续，所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似，在精密定位的数据处理中，整周未知数和周跳都是关键性的问题。4 天线的相位中心位置偏差
在GPS定位中，观测值是以接收机天线相位中心位置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置（称为视相位中心）与理论上的本单位中心位置将有所不同，天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。所以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。
实时测量系统 篇3
关键词：GP SRTK；实时动态定位；工程测量
中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）03-0039-02
1 概述
GPS测量早期是建立在载波相位差分技术基础上的静态基线测量。一般需要1～2h或更长时间的观测才可以获得比较可靠的三维解向量。随着各种相关技术的发展和进步，GPS测量技术也取得了一个新突破—RTK定位技术。实时动态（RTK）定位技术是一种以载波相位观测值为根据的实时差分GPS技术，它可以实时快速地获取流动站点相对基准站的坐标和精度指标，已成为快速采集数据与定位的有效工具。
2 RTK定位技术简介
2.1 RTK系统组成及原理
常规的实时动态定位（RTK）系统主要是由一个基准站、若干个流动站和数据通讯系统组成，只有建立了无线数据通讯才可以保证实时动态测量顺利进行。
一般是选取点位精度较高的首级控制点作为基准点，对所有可见的GPS卫星进行连续观测，再通过数据通讯系统将所观测到的观测值和测站坐标信息直接传送给流动站，流动站上的接收机不仅要通过无线电传输设备接收来自基准站的信息，其自身也要采集GPS观测数据，再通过流动站上的计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，最终得到厘米级定位结果。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量以及基线解算结果的收敛情况等，再根据待测点的精度指标确定观测时间，从而提高工作效率。
2.2 RTK技术的特点
RTK定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式或者将两种模式相结合。它的测量速度主要由初始化所需时间决定，而初始化所需时间则直接受到能接收卫星的数量、质量、接收机的性能、RTK数据链传输质量等因素的影响，因此，增加在一定高度角下接收到的卫星的数量、提高RTK数据链传输质量等都可以缩短初始化所需的时间。
在GPS RTK作业过程中，硬件方面一般需要配置GPS接收机、一堆数据链以及电源设备等，软件环境方面则需要有一个强有力的软件系统，这个系统在保证原有的各种静态、动态及GPS RTK作业模式顺利进行的前提下，还要足以支持GPS RTK来完成实时提供流动站相对于参考站的三维定位成果，并完成相应的坐标变换和投影计算的任务。而且这个系统软件最好可以是开放的，可以与其他测量仪器进行数据共享，以便用户可随时进行版本升级。另外，在实际的作业过程中，地面测量时通讯的作用距离会受到发射台与接收台之间的地形与地物的影响，因此还需要配置调制解调器进行信号转播，使数据通讯设备组成一个通讯网络。
3 RTK技术的应用
RTK技术在能够接受GPS卫星信号的任何地方都可以进行全天候的作业，因此和传统测量相比，RTK测量受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响。因为RTK测量自动化、集成化程度较高，数据处理能力强，可以进行多种内、外业测量工作，并且弥补了GPS测量不具备实时性的缺陷，放样精度可达厘米级，流动站在利用同一个基准站信息时可各自独立开展工作，实时提供测点三维坐标，这样现场可以及时对观测质量进行检查。
由于RTK技术在实际工作过程中不需要人工干预便可自动实现多种测绘功能，减少了辅助测量工作和人为误差，保证了其作业精度，提高了作业效率，极大地拓展了GPS的使用空间，实时动态定位在采用快速静态测量模式时，在15km范围内，其定位精度可达1～2cm，因此被广泛地应用于城市测量等测量领域。
3.1 城市控制测量
工程控制网是工程建设、管理和维护的基础，其网型和精度要求与工程项目的性质、规模密切相关。为了满足城市测绘的需要，城市控制网往往具有精度高、控制面积大、使用频繁等特点，城市中导线多数都是位于地面，然后今年来随着城市建设的飞速发展，这些点经常被破坏，工程测量的进度就受到了影响。
在城市的控制测量中，工作效率直接受到能不能快速精确地提供控制点的影响。例如导线测量这种常规控制测量，既要求点间通视，又浪费工时，且精度不均匀。但采用GPS静态测量时，虽然不要求点间通视，而且精度较高，但是需要事后才可以进行数据的处理，不能实时知道定位结果，这样在比如内业发现精度不符合要求的时候则必须返工。而应用RTK技术则可以克服这两个缺陷，不仅在作业精度，而且在作业效率上都具有明显的优势。
以某城市城区地籍测量工程中GPS RTK测量技术的应用为例，该城区既有工业区，又有居民生活区，建筑物密集，交通分布线路密集复杂，无线电信号复杂，而且街道两旁很多树木。本次需测量的宗地地块遍布整个城区，权属关系复杂，总测量面积约5km2，分布区域近17km2，因为该城区用地种类较多，与此同时，宗地数目又多，而且权属界址点数量较大，因此想采用常规测量手段进行测量是十分困难的，想在短时间内完成所有宗地的权属界址点测量工作几乎是不可能的。而采用RTK测量技术，进行充分的调研论证，并在通过实验检测认证的基础上全面实施，则可以获得比较好的结果，从而满足宗地权属单位对地籍测量工作的要求。
3.2 线路测量
在市政道路、中线放样中，RTK测量技术的应用也可以收到良好的效果。只要将线路起终点坐标、半径、曲线转角这些线路参数等输入RTK的外业控制器就可放样。采用RTK技术进行放样时的标定点位就是坐标的直接标定，不像常规放样那样，需要后视方向、用解析法标定，因而采用RTK进行放样更简捷易行。而且采用RTK放样的方法也是多种多样的，例如可以按坐标放样或者也可以按桩号放样，而且可以随时互换。在放样时，屏幕上由箭头来指示偏移量以及偏移方位，便于前后左右移动，直到误差小于设定为止。
3.3 铁路压覆矿产调查中的测量
在压覆矿产资源的调查工作中，需要现场调查矿权与新建铁路安全区位置关系，要想准确地把工程项目所在地区的矿产资源分布和开采情况调查清楚，并在Auto CAD图上准确无误地表现出这种关系，以便最终审查部门能够很清楚地了解矿权与新建铁路的压覆关系。不仅需要与各国土局相关部门配合，GPS RTK技术的应用也非常关键。GPS RTK技术的应用，其精确度完全可以满足压覆矿产调查的精度要求，与此同时，GPS RTK导出的数据，也能与Auto CAD进行交互，方便成图。
GPS RTK技术的应用，在提高了调查精度的同时，也提高了压覆调查的效率，为以后类似的工作的开展提供了一个崭新的局面。
GPS RTK在测量领域的应用还有很多方面，例如航测外业测量、勘测定界测量等，在此就不一一再作介绍。
4 RTK技术的发展前景
4.1 GPS现代化
美国针对GPS系统问题专门成立的GPS执行委员会和GPS顾问委员会在1997～1998年间先后召开了四次国际会议来讨论GPS的现代化问题，根据当时的会议结论，美国在2010年前主要通过两大改进措施：其一是增加在轨卫星的数目到30颗以实现RTK测量的真正全天候；其二是增加第三个民用频道L3C发播不保密民用信号。
4.2 多空间资源共用
随着俄罗斯“GLONASS”定位系统的完善和伽利略导航系统的建立，空间资源的共用将更加明显，RTK技术的使用范围也将更广、效率更高。
5 结语
RTK的某些优点是常规测量方法所不能比拟的，因而RTK测量技术才风靡全国，在测量界引发了一场技术革命。由RTK的应用表明，RTK作业与各种GPS模式的结合，能进一步提高成果的可靠性，它使得GPS定位技术扩大了应用领域。
参考文献
[1] 王亚军，杨俊生.GPS在城市控制测量中的应用[J].隧道建设，2003，（6）.
[2] 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，1997：215-217.
实时测量系统 篇4
关键词：信道测量,信道仿真,训练序列,线性时变信道
1 引言
由于多径、多普勒频移、路径损耗等因素的存在,实地信道对于无线数据传输有着不可预测的影响。当前数字通信技术主要面对的问题是如何在实地信道中利用有限带宽可靠地提高传输速率,因此,对于不同传输制式下的不同传输设备在实地信道中的传输性能模拟与测试是必需的。目前,对于不同传输制式下的不同传输设备在实地信道中的传输性能测试主要方式包括实验室模拟、场地测试以及实地射频信号采集等。
实验室模拟通常采用的仪器是信道模拟器如R&S公司的AMU 200A,根据经验选择某些特征信道(例如具有瑞利多普勒扩散的广电8信道等)对输入基带或中频信号经过信道模拟得到在该模拟信道下输出的射频、中频或基带信号,以便于数字系统的性能测试。场地测试通常是在实际数字通信系统的发端发射某一特定制式的射频调制信号,而在收端实地接收并解调该制式的发射信号,同时实时地纪录该发射信号在实地接收情况(包括通信质量、误码率等)。而射频信号采集通常是在实际数字通信系统的发端发射某一特定制式的射频信号,而在收端实地接收并且实时地采集和记录该射频信号,然后就可以在实验室回放采集的射频信号,从而实现了实地信道的模拟以及数字通信系统的测试。
在上述测试方式中,实验室模拟仅能利用某些特征信道或某些特征信道的组合对实地信道进行模拟,难以反映真实信道的实地特征;场地测试开销大,并且可重复性较差;实地射频信号采集尽管具有较好的可重复性,但每次采集过程仅能针对某一特定传输制式进行,不具有针对不同传输制式的通用性。
在以上几种已有测试方案的基础上,笔者提出了一种新的实地信道数据准实时测量和回放系统,该系统可以实现在不同传输制式下的相关传输设备在实地信道中的性能测试工作,而且,与已有方案相比,兼有复杂度低和可重复性好的优点。
2 传输模型
在本系统中,信号在时变信道下的传输过程可用线性时变(Linear-Time-Variant,LTV)系统的基带等效模型进行描述。根据Bello对于信道统计特性的研究[1],数字传输系统发端基带数据与收端基带数据之间的传输过程可模型化为一个带有高斯白噪声的LTV离散信道,数字传输系统发端的数模转换、上变频至射频发送等过程以及数字传输系统收端的下变频至基带、模数转换等过程被包括在LTV信道之中,信道模型见图1。
该模型传输过程的数学描述为
式中:r(n)为收端基带数据;t(n)为发端基带数据;h(m,n)为LTV信道在时刻n的冲激响应;v(n)为信道中叠加的高斯白噪声。考虑到实际时变信道的短时平稳特性,当分段时延远小于该信道相干时间时,其冲激响应可近似以分段形式来描述,这样上式可改写为
式中:L表示用于信道冲激响应序列的长度;D表示对LTV信道分段描述的分段时延所对应的基带序列长度;hN(n)表示第N个时段内短时平稳信道的冲激响应。
3 实地信道数据准实时测量部分
3.1 参数和训练序列的选择
由于多普勒扩散的存在,实地信道通常具有时变特性,在相干时间TC内,信道可以被认为是线性时不变的,这种特性对于系统中参数特别是训练序列长度的选择产生了限制,即系统中训练序列长度必须小于TC/Tsym,其中Tsym是发端基带符号周期。例如,在测量时,如果接收机以100 km/h的速度运动,载波频率为2 GHz,其产生的最大多普勒频移为185 Hz,对应的信道相干时间TC约为1 ms;如果数字传输系统发端基带符号周期Tsym为0.066 2μs,对应的发端基带符号率为15.12 MHz,因此,TC/Tsym≈15000,即选择的训练序列长度不能超过15000。
为了能够更快和高效的进行信道测量,可以选择一些具有特殊性质的序列来作为训练序列循环填入发端基带数据流,例如Golay序列[2]和PN序列[3]。发端基带数据流x(n)的结构如图2所示。
3.2 信道估计和噪声估计
在完成传输参数和训练序列的选择后,对应于第N个分段时延段,信道的冲激响应估计hN(n)可以由长度L的发送序列和收端的基带数据流xN(n)和yN(n)通过FFT和IFFT运算获得
若该时延段内发端基带数据流由特殊训练序列组成,上式可改写为
该时段内噪声估计wN(n)为
针对不同的训练序列,信道估计和噪声估计算法可以进一步简化和优化。例如,可以利用选定的循环互补序列对来进行信道的测量[4]。
4 实地信道数据准实时回放部分
4.1 信道估计和噪声估计的重新采样
系统信道测量部分和回放部分的基带符号率可以是不同的,因此在选定用于测试的准实时实地信道回放的传输模式后,根据所选传输模式的基带符号周期和信道测量部分数据的基带符号周期,需要对信道测量部分获得的信道估计和噪声估计数据进行重新采样,获得用于测试的准实时实地信道的信道估计hNe(n)与噪声估计we(n),即hNe(n)=hN((TNe/TN)n)和we(n)=wN((TNe/TN)n),TNe和TN分别是测试部分和回放部分的基带符号周期。
4.2 计算模拟实地传输测试的收端基带数据流
基于重新采样获得的信道估计hNe(n)与噪声估计we(n),计算对应于发端基带数据流t(n)的模拟实地传输测试的收端基带数据流r(n),计算公式为
在实际应用中,可以根据数字传输测试系统的需要,将模拟实地传输测试的基带数据流r(n)通过基带数模转换后直接输出,或者将基带数据流r(n)调制到中频输出,或者将基带数据流r(n)调制到射频输出。
5 小结
笔者提出的测量和回放系统通过对信道模型的简化,针对实际测试的需求,将信道测试和信道回放结合,实现对于某一时间段内的实际时变信道进行测量和模拟,在信道测量、接收机测试等领域有着广泛的用途。
参考文献
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综合布线系统之实时布线系统 篇5
综合布线系统之实时布线系统
。随著布线基建不断扩建，管理也愈趋繁复。最使网络管理员感到棘手的问题，莫过於文档记录的更新。传统以来，布线文档一般以人手更新，偶有疏忽亦不足为奇，而且大大加重了网络管理的负担及成本，在讲求效率与成本效益的今天，此举并不化算。因此，简单、自动兼具智能特性的布线管理系统便应运而生。
Molex的实时布线系统 (Real Time Patching) 就是一种意念创新的智能布线管理方案，可提供全面的实时布线讯息，有助监管布线系统的移动、增加和改动，亦能自动完成网络勘测、数据库更新、故障追踪及文档编制工作。
系统配置十分简单，其内置「自学端口」具有自动识别功能，可加快系统设置。该系统还具备「无上限」的扩展效能，有利於本区或远程运作，亦可通过网络连接进行管理，支援多媒体连接，把铜缆、光纤、交连及同轴电缆等混种介质融会贯通，发挥最大效能。
实时布线的精蕴在於「软硬兼施」，以先进软件配合硬件运作，达致多元化效能，常见应用包括网络资源管理和规划、系统检测、网络定址更改、文档编制及改动勘测等。这类系统的兼容性和互动能力均极高，以Molex的系统为例，除了新安装部分外，企业可沿用现有的超五类布线系统，也不受制於原有设施的寿命和使用期限。
此外，这种布线技术有助实现中央化管理，让企业轻易掌握网络上每个端口的状况，准确审计网络设施的利用率、加强系统保护，甚至落实完善的灾难复原策略，确保业务运作无间。
透过智能运作，实时布线管理系统能将服务中断时间减至最低，降低资讯基建的整体持有成本。实时布线管理系统可舒缓系统管理压力，避免人为错误，准确审计网络设施的利用率，避免增加没必要的昂贵有源设备。网络管理人员毋须大费周章监测系统运作和编制相关文档，一切都可自动完成，让企业把宝贵的人力资源投放於更具价值的业务环节，藉以增进盈利。(学电脑)
毋庸置疑，智能布线是结构化布线必然的发展里程。尽管网络管理员已习惯以人手或电子表格更新布线纪录，但这些方法都不能即时查看网络连接状况。同样，尽管简单网络管理协定 (SNMP) 可供即时查看网络业务量，但只有通过智能布线系统，管理员才可全面掌握通讯基建内的物理互连情况。
水位实时监测系统实施效果 篇6
水位实时监测系统实施
在遵循“科学规划、分步实施、因地制宜、先进适用、高效可靠”的原则指导下，着重考虑以下原则。
先进性与实用性。坚持实用性和先进性并重的原则，并充分注重实用性。首先应该保证在系统生命周期内系统的先进性，同时采用成熟稳定、技术先进、具有发展前景的的产品和设备，确保系统的实用性。
安全性与可靠性。在构建整体系统结构时，充分消除硬件部分及运行环节可能存在的不稳定因素。拓扑结构应保证整个系统的可靠性和稳定性，避免出现单点故障，具有快速收敛能力，通过网络监控及防病毒技术，防止网络外部和内部的安全威胁，保障网络的安全性，保护内部资源。
经济适用性原则。在满足整体系统应用需求且留有一定的发展余地的前提下，尽量选择性能/价格比高的技术产品，做到技术先进、节约投资、利于生产、方便维护管理。
灵活性与扩展性。随着信息网络技术的发展，系统应能够平滑升级，网络的规模能够及时方便地扩充，以适应未来发展，最大限度降低投资风险。同时满足各个其他硬件系统的接入、软件系统的资源共享、未来网络发展带宽的需求。保证系统升级的灵活性和系统发展的可扩展性。
高效响应性原则。系统处理的准确性和响应的及时性是系统的重要指标。在系统设计和开发过程中，要充分考虑系统当前和未来可能承受的工作量，使系统的处理能力和响应时间达到用户对信息处理的需求，做到准确处理，快速反映，提高效率。
开放性和兼容性。设计要严格执行国家、地方和行业的有关规范与标准，并考虑与国际规范与标准接轨，尽可能地选择标准化产品，建设标准化的系统。数据采集传输及数据库的各种编码必须符合水利行业的规范和标准，从而保证各子系统软硬件设施之间的互联互通。应用软件系统应具有良好的开放性，采用模块化结构设计，以便功能扩展。自主研究开发的软硬件产品，也要参照规范和标准，制订相应开发规则，制定有效的工程规范，特别是软件开发要保证代码的易读性、可操作性和可移植性。
可管理性和可维护性。采用高性能和高可靠的网络管理软件系统，对网络的软硬件设备进行全面、有效的集中管理，提高网络的安全性、可靠性和稳定性。应用软件系统应具有良好的可操作性，方便用户的应用与维护管理。
遵从行业习惯原则。系统应能适应目标的多重性，环境的多变性，方法的多样性；遵从行业应用需求和习惯，开发具有水利行业特色、标准化操作模式、友好的人机界面、可视化功能展示的应用系统，做到功能强大、界面友好、贴近实际、操作简单、使用方便。
水位监测系统
建设内容。通过水位监测系统对各蓄水池水位进行实时监测，调度中心可及时、准确、连续地掌握各站水位动态变化趋势，为生产运行与供水管理的决策提供科学依據。
系统功能。本系统主要完成数据采集、传输与接收，将各重要部位水位信息接入供水管理调度系统，为供水计算、供水管道维护等提供基础数据信息。其主要功能包括：
自动监测：自动实现各水量数据的处理、传输、存储等功能；自动报警：具有仪器故障自动报警和异常值自动报警功能；自我保护：具有停电保护、来电自动恢复及防雷电保护等功能；开放性和拓展性：可根据工作要求无缝接入各种型号的监测仪器；设备的稳定性、准确性：设备应长期稳定、准确的运行，监测数据可靠，运行费用低，便于维护，抗干扰能力强；数据自动传输功能。
软件系统
建设内容。利用现代信息技术，在对供水管网自动化采集的基础上，通过建设软件平台系统，实时监控信息，及时准确地了解供水运行状态，掌握水量动态变化规律，逐步实现输配水的定量化管理。
数据存储管理平台。数据存储管理平台是软件平台系统的核心，是支撑水位监测系统开发与运行的重要基础设施，也是信息及资源共享的平台。建设数据存储管理平台的主要目的是通过平台提供的机制与技术手段，形成信息资源，在系统范围内实现信息共享，提供基于软件复用等先进技术的业务应用开发与运行支撑平台，形成可供复用的软件资源，最大限度地减少软件的重复开发。
平台功能。数据存储管理平台的主要功能包括建库管理、数据查询输出、数据维护管理、代码维护、数据库外部接口等，是数据更新、数据库建立和维护的主要工具，也是在系统运行过程中进行原始数据处理和查询的主要手段。
数据库建库管理。数据库的建库管理主要是针对数据库类型，建立数据库管理档案，包括：数据库的分类、数据库主题、建库标准、建库方案、责任单位、服务对象、物理位置、备份手段、数据增量等内容。
数据查询输出。提供各类数据的查询操作和显示界面，用于查询数据库中的数据。数据输出的主要功能包括屏幕显示、报表生成和打印、不同格式的文件输出等。
数据维护管理。主要完成对数据库的管理功能，包括数据库的更新、添加、修改、删除、复制、格式转换等功能。
实时测量系统 篇7
被动定位是声呐、雷达等领域的重要课题。它利用目标自身辐射的信号对其位置进行估计, 测量系统本身不发出任何信号, 有相当强的隐蔽性;同时, 由于它利用目标发出的连续噪声信号进行测量, 可以得到比主动定位更高的取样率, 实现对高速目标运动轨迹更精细的刻画[1,2]。
相对于需要大量运算的匹配场定位 (MFP) 和跟踪速度慢的目标运动分析 (TMA) , 被动定位中的成熟应用是根据信号空间分布差异进行目标位置估计。一般由多个接收基元组成短基线测量基阵, 通过信号到达不同位置的接收基元信号的时间差异 (TDOA) 来估计目标位置[3,4,5]。
用被动方法完成对运动目标的定位跟踪是水声测量中的难题, 特别在浅海复杂多变的物理场和现场测量强干扰条件下, 被动测量获取的TDOA数据往往野值多、离散性大, 给目标定位带来很大困难。
在现有被动测量时延数据精度水平下, 采用主控计算机和微控制器主从结构, 以微控制器为中心实现系统控制、数据采集和数据交换等, 以主控计算机和改进的多点球面内插法为核心实现目标运动轨迹的实时处理和显示。
1 总体方案设计
要实现被动测量中的数据实时处理, 需要解决的问题有:时延数据的采集和存储、时延数据的综合处理、测量平台的姿态修正、定位解算和输出显示。其中, 多通道的时延估计需要在统一节拍控制下实现每秒20次时延解算和输出, 而没有人工参与的实时定位解算也需要对时延数据进行适当的预处理。
根据实际需求, 需要计算机平台实现基于球面内插法和最小二乘估计的定位算法, 对水下目标运动轨迹进行实时处理, 同时存储原始时延数据用于目标运动轨迹事后精细处理与分析。因此, 实时处理平台采用主控计算机和MCU主从控制结构, 由主控计算机实现目标运动轨迹的实时处理和显示并完成人机交互, 而基于MCU的数据采集控制电路根据主控计算机的指令实现对时延信号处理等部分的可靠控制、采集测量数据和向主控计算机传送数据。
2 实时处理平台结构设计
基于上述总体思路, 部署实时处理应用软件的平台由主控计算机 (工控机) , 人机交互设备, 数据采集控制设备, 模拟调试设备和数据转换接口设备等组成。其部署的结构视图如图1所示。
主控计算机作为系统的控制中心, 采用工控计算机以提高强干扰环境下系统工作的可靠性, 用于实现人机交互, 通过键盘鼠标和触摸屏等多种方式, 接收操作者发出的控制指令, 并通过液晶显示屏和声音提示告警向操作者提供系统的运行信息。系统测量计算得到的信息, 如目标位置、轨迹和设备状态信息等都在显示终端上实时显示。主控计算机作为上位机对数据采集控制设备发出控制命令、采集并存储测量数据, 根据获取的测量数据实时处理并显示目标轨迹。通过网络或磁盘交换等手段实现与后置处理计算机的数据交换, 将数据用于事后目标运动轨迹精细处理, 并实现对测量系统任务的管理。
数据采集控制设备由CPU, 通道选择, 总线扩展, 状态指示, 信号接口和调试接口等组成。
数据采集控制设备的CPU采用AVR MEGA16单片机, 与外围相关器件构成了数据采集控制设备的智能中心, 完成对全系统各分机的控制, 包括数据采集和与上位主控计算机的通信传输等。
数据转换接口一方面通过译码通道选择, 确定读取通道的数据内容;另一方面根据工作状态, 选择数据来源是现场测量还是模拟调试数据。
模拟调试电路, 模拟各测量分机的工作过程, 向数据采集控制设备逐点提供测量数据, 以便系统隔离单独调试, 实现故障快速诊断。
系统的硬件设计采用了抗干扰等技术措施, 确保了在强电磁干扰环境下的工作可靠性。
3 软件设计
在硬件设计基础上, 开发了主控计算机软件和数据采集控制分机软件, 二者之间通过专用数据通信协议实现信息交换。主控计算机软件包括时延数据综合预处理、目标轨迹综合处理及显示、系统管理以及计算机操作系统等;数据采集控制分机软件包括对系统各分机测量控制、控制接口应用、数据采集存储等。
3.1 专用数据通信协议
数据采集控制分机与主控计算机采用标准串行口通信[6], 通信协议主要内容包括通信波特率为38.4 Kbps, 无奇偶校验位, 8位数据位, 1位停止位。二者采用一问一答方式, 数据采集控制分机收到控制命令并确认后, 应答包文序号从0到0x FFH循环。
主控计算机对数据采集控制分机发出的控制命令主要有:自检命令、校准命令、目标轨迹测量、外同步轨迹测量、通信测试、结束运行、上传异常特征码等。在命令间切换时, 先发送停止命令, 再选择新命令。
专用通信协议的采用, 保证了系统控制和数据传输的可靠性, 同时提高了执行效率和响应速度。
3.2 数据采集控制分机软件
数据采集控制分机在主控计算机的控制下, 实现对全系统各分机的管理控制和数据采集存储。其主要功能包括:
接收主控计算机的控制命令;
向主控计算机发送测量数据;
响应按键实现系统重新启动;
根据主控计算机的控制命令, 完成特定状态下的系统控制、数据采集和传输;
系统没有启动工作时定时上传电源异常特征码;
通过状态指示灯提示系统工作状态。
数据采集控制分机的软件可分为初始化和测量采集循环两部分。为了在规定的时间内完成规定的任务, 数据采集控制分机的软件设计成死循环模式, 通过查询50 ms工作周期定时器标志的方式来提高执行的效率。当系统加电或重新启动后, 进行系统初始化设置, 完成后进入硬件看门狗→显示状态→查询定时器标志的死循环。
当定时时间到后, 根据查询的检测命令标志和执行命令标志, 确定系统软件执行的流向。在没有命令需要处理的情况下, 定时上传电源异常特征码。而所有的命令操作, 包括对时延估计分机发送控制字和启动命令、采集测量数据、与主控计算机的串口通信、设备状态显示、没有任务时定时监测上传电源状态等, 都设计成独立的子程序, 根据需要调用。这样, 就可以保证在50 ms的工作周期内, 完成所有必需的操作。
3.3 球面内插法实时定位解算
目标轨迹实时处理的核心是对球面内插法的最小二乘估计。球面内插法SI (Spherical Interpolation) 定位是一种基于TDOA的目标被动定位估计方法[7]。能够直接给出目标位置估计结果, 不需要迭代和搜索, 其效果优于球面交汇法SX (Spherical Intersection) 和平面交汇点法PX (Plane-Intersection) 。它的计算量很小, 而且仅仅涉及一些矩阵的代数运算, 容易实现, 在实时信号处理中有很大的应用价值。
球面内插法没有直接利用测量方程进行计算, 而是用方程差代替一般估计中的测量误差, 将非线性优化问题转变为一个带有非线性约束条件下的线性优化问题;它放弃了非线性约束条件下的线性优化问题中的非线性约束条件, 进一步将问题简化为一个简单的线性优化问题, 从而用加权最小二乘方法求得解答, 简化了问题的求解过程, 使之可以实时实现[8,9]。基本原理如图2所示。
设基阵坐标系原点为O, 被测目标为S, OS=Rs, Oi=Ri, Di=Rs+di, di为程差。
在基阵坐标系中, S的矢量为, i的矢量为
将Di=Rs+di代入式 (1) , 得:
由于存在干扰和噪声, 其等式右边不可能为0, 可设为一个误差εi。
这样就可以对半空间6基元测量阵列出5个线性方程:
写成矩阵形式:
其中:
用方程差代替一般估计的测量误差, 它与待估计的参数R和X成线性关系。这样一来, 问题就转化为线性估计问题。从严格的意义上讲, 这里的估计问题应该是一个带有非线性约束条件的线性优化问题, 因为参数R和X必须满足非线性约束条件XTX=R2。这个非线性约束条件的引入将给优化问题带来很多困难。在球面内插算法中, 放弃了这个约束条件, 使问题得到简化。而模拟计算结果表明, 放弃了这个约束条件以后的解答基本上可以近似满足这个约束条件。
利用式 (2) 求解目标坐标可以有很多种方法, 如最大似然和最小二乘方法等, 最大似然方法必须知道误差的概率分布函数, 一般用最小二乘求解, 因为这种估计方法不需要知道误差的概率分布。
采用最小二乘方程差估计定位算法LSEE (Least Square E-quation Error) 求解目标位置时, 仅仅涉及矩阵的代数运算, 比较方便, 容易实现。但是, 在实时测量中, 对每一个测量点都要矩阵求逆运算, 计算量比较大。
另一种求解目标位置的方法是采用两重最小二乘估计算法。它将未知数分为两部分, 分两次使用最小二乘估计方法分别求得其解。
首先, 假设方程中的R已知, 对X求方程差最小二乘解。由最小二乘估计理论知, 要使ε值达到最小, 就要对上述矩阵求导, 令其导数为0, 从而解出Xs。
令 (δ-2R, Rd) =Z, H=2S, 可得:
令其为0, 则HTZ=HTHZs, 可得:
代入式 (3) 得:
令PS1=I-S (STS) -1ST, 其中I为单位矩阵, 而S (STS) -1ST和PS1皆是对称矩阵。式 (5) 化成:
这样令PS1·δ=Z, 2PS1·Rd=H, 得ε=Z-H·Rs。再作一次最小二乘, 得:
代回式 (4) , 可得:
可求得目标得轨迹点的x, y, z坐标值。
式中很多部分与TDOA测量值无关, 可以事先算好;不用进行矩阵求逆运算, 减少计算量, 计算时间要少, 适宜运用在实时处理中。
3.4 坐标方位摇摆修正
利用球面内插法求出的目标坐标值, 都是以测量基阵坐标系为参考的。实际情况基阵是刚性固定在测量船上, 而测量船在海上抛锚时随着风浪、海流俯仰倾斜, 而且其船首在测量过程中也不是在一个固定的方向, 因此, 目标在水平面及大地坐标的位置必须进行补偿。即把相对于测量船的坐标转换成相对于大地的坐标。尤其在风浪较大时, 摇摆更大, 不考虑这个, 甚至会计算出目标出现在海面上的情况。
方位摇摆系统由陀螺仪指示船首方向与正北方向的夹角, 由水平仪提供每组数据中测量船的俯仰角、倾斜角。根据这三个量, 在求出基阵坐标系中每个点的坐标后, 进行实时补偿, 以求出大地坐标系中的目标坐标值。
基阵的X轴是船艏向顺时针旋转45°Y轴是船艏向逆时针转过45°, Z轴指向天, 安装情况如图3所示。方位摇摆系统的坐标系固定在船上, 水平仪的内环轴安装在基阵Y坐标上, 外环轴安装平行于X轴。由基阵坐标系求出的目标坐标XS[0], XS[1], XS[2]可以通过式 (10) 运算, 转换到大地坐标系中。
其中各角度的定义及正负号按照右手螺旋法则, Z轴定义向上为正。
rry为纵摇角或俯仰角, 为基阵Y轴绕X轴旋转的角度, 上翘为正。
rrx为横摇角或倾斜角, 为基阵X轴绕Y轴旋转的角度, X轴下沉为正。
rrz为方位角, 当船首与正北方重合为0°, 与正东方向重合为90°。
3.5 时延数据预处理
在数据实时处理过程中, 通过记忆滤波、稳健技术、自适应技术[10], 及时准确剔出野值, 实现了对时延数据的实时综合预处理。
记忆滤波根据时延数据和定位计算获得的目标距离的变化快慢, 采用单极点滤波、最小二乘法、卡尔曼滤波和最大似然估计等记忆处理;稳健技术包括处理离散异常点的中值滤波、处理非高斯数据的L型滤波、处理复杂数据的迭代加权拟合等, 在出现异常时仍具有较好性能;自适应技术是根据实时获取数据的变化, 自动调整数据处理的相应参数, 包括对通道的自适应加权、进行时间窗口自适应变化。
采取上述措施, 使后续处理的目标轨迹既能保证连续性, 也能满测量精度要求。避免了因起始段距离远、误差大导致的计算结果过于离散, 无法显示准确方位的问题, 实时处理效果较好。
4 应用情况
利用模拟调试电路提供的预设螺旋线目标轨迹数据对系统进行考核, 对被动测量数据实现实时处理, 与预设理论轨迹完全一致, 系统的数据采集交换正确可靠, 轨迹处理和显示实时性好。
应用上述处理方法, 对某水下高速运动目标被动测量数据进行实时处理, 实时处理显示目标轨迹截如图4所示。
其中, 左图显示目标在第二象限由远及近向第三象限运动, 过靶规避向右回转;右图显示目标回转再搜索后过靶, 向第四象限运动的轨迹。由图4可以看出, 水下目标由远及近追踪位于第三象限的声源, 经100米左右的回转半径后第二次追踪目标。从运动轨迹的离散特点也可以看出, 朝测量阵径向运动时运动轨迹离散度小于回转时, 远距离轨迹离散程度大于近距离, 符合被动测量对方向的估计较距离估计更精确的规律。利用数据综合预处理和球面内插法, 由被动测量时延数据实时处理的目标轨迹离散度小, 连续性高, 可以清楚地掌握目标在水下运动的现场状况, 目标的回转、机动等动作趋势明显, 最终停止的方位基本准确。同时, 通过与内测数据和事后精细处理的轨迹比对, 一致性好, 充分证明了球面内插法实时处理的目标轨迹准确、可信。
5 结语
水下高速运动目标的被动测量和测量的实时性是测量设备的难点所在。针对被动测量的实时性需求, 采用高速同步数据处理控制电路, 在主控计算机的调度下自主实现节拍式时延数据采集、传输和处理。采用高性能工控机, 对时差法被动测量时延数据实时综合预处理, 利用球面内插法定位解算实现了轨迹的实时处理并显示, 提高了水下运动目标轨迹测量数据的实时处理精度。
采用时差法被动测量数据实时处理, 已成功保障ХХ装备海上定型试验任务。试验结果证明:系统设计合理, 功能完善, 具有良好的通用性和海上适应性, 并可推广应用于舰船、潜艇等其它水中运动目标的被动测量定位跟踪, 具有明显的军事、经济效益。
摘要：为实现时差法被动测量数据的实时处理, 采用主控计算机和微控制器主从结构及其相关软件功能设计和实现一个实时处理系统。该系统的核心处理软件采用改进的多点球面内插法, 结合数据的综合预处理步骤, 实现了对高速运动水下目标测量数据的轨迹实时处理与显示。实际使用验证, 该系统实时处理结果离散度小、与事后处理结果一致性好、通用性和海上适应性良好, 具有明显的军事和经济效益。
关键词：被动测量,球面内插法,实时处理,时差法
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实时测量系统 篇8
反应堆周期是核反应堆工程中的一个非常重要的概念, 是核反应堆控制和保护系统中的一个十分重要的参数。周期太短表示反应堆内中子通量或功率水平增长太快。如果周期超过整定值, 就需要触发保护系统紧急停堆动作, 关闭反应堆。在核反应堆工程中, 通常使用倍周期反映核反应堆功率水平的变化情况。在核反应堆启动和功率提升过程中, 通过限制反应堆的倍周期来控制反应性。
1 系统测量原理
1.1 中子增殖-反应性算法
中子增殖定义为核增殖系统对中子源的放大倍数。这里采用的数学表达式为:
式中:
N0-无外源情况时, 核装置在某一固有装量下探测器测得的本底计数 (率) 。
N1-核装置在某一中间固有装量下探测器的计数 (率) ;
M1-核装置在某一中间固有装量下的中子增殖;
N-测量点处探测器测得的计数 (率) ;
M-为测量点中的中子增殖;
测得中子增殖M后, 可由下式得出以元 ($) 为单位的负反应性,
式中C是与系统特征参数相关的常数
1.2 渐进周期拟合算法
在“点堆”模型下, 系统超缓发临界的反应性为一定值时, 设初始时刻无外源情况下系统内中子密度 (功率) 为n (7) 0 (8) , 则t时刻系统内中子密度n (7) t (8) 可由动态方程导出为:
XX试验装置需要对反应性引入后的暂态过程进行研究, 中子密度 (3) 式中的暂态分量不能忽略, 根据物理计算结果, 仅考虑其中2个主要暂态分量。假设探测器对中子通量的响应是线性的, 则由 (3) 式可得:
式中, I (t) 为探测器的输出电流, C为常数, 0T即为渐进周期。
2 系统设计
在线式增殖周期及反应性实时测量系统包括一套物理员测量设备、一套副物理员测量设备和一套值班长监控计算机。两套测量设备和值班长监控计算机通过网关进行访问。
物理员测量设备和副物理员测量设备硬件配置相同:包括PXI机箱、PXI控制器、脉冲计数模块、可编程电流表、GPIB通讯模块以及显示器。脉冲计数模块与甄别放大器相连, 实现中子探测器脉冲计数的测量;可编程电流表采集10B电离室的微电流信号, 并将测量结果通过GPIB通讯模块传输到PXI控制器。PIX控制器自带RS485接口, 实现与温度测量模块和棒位测量模块进行通讯, 获取各位置温度值和控制棒棒位。
在线式增殖周期及反应性实时测量系统的组成框图如图1所示。
可编程电流表用于采集10B电离室的微电流信号, 用于反应堆功率及渐进周期的测量计算。可编程电流表选用吉士利公司的Keithley6485, Keithley6485可编程电流表的主要参数:
(1) 各档位精度指标。 (表1)
(2) 通讯方式:IEEE488 (GPIB) ;
(3) 读数速度:900次读数/秒;
(4) 存储容量:2500个读数。
3 软件算法
3.1 增殖-反应性软件实现
在进行中子增殖-反应性测量时, 首先测量反应堆某一固有装量下探测器测得的无源本底计数和有源本底计数。然后按照1/3原则逐步加入反应性,
每次改变反应堆状态后, 操作员根据计数率水平选择采集周期T然后手动启动测量, 程序自动重复完成10组计数测量。为避免反应堆状态调整或者信号干扰引起计数波动, 在软件中采用戈罗贝斯舍弃标准检验所测得10个计数值的有效性 (戈罗贝斯舍弃标准的显著水平α取0.05, 当被舍弃数据达到2个或2个以上时, 整组数据无效) 。
图2通过对有效测量数据的处理可以得到当前状态的中子计数率。从而进一步得到中子增殖M和负反应性。
3.2 周期-反应性软件实现
渐进周期拟合结果的精确性影响因素包括:电流采样值的实时性, 电流采样值的精度和拟合算法。在软硬件综合设计阶段, 从如下几个方面进行优化。
首先, 采样数组的实时性主要须保证微电流采样值采样时刻的精确性。通过设置采样频率和采样数据个数, Keithley6485可编程电流表可以测量到一组电流值及其测量时刻, 其中测量时刻是以可编程电流表的测量启动时刻为基准的, 在就需要硬件定时器板卡对测量时刻数组进行同步处理, 从而保证电流采样数据的实时性。软件流程如图3所示。
其次, 可编程电流表在同一档位下的测量值精度和线性都比较好, 但是不同档位之间存在一定波动, 为避免换档数值波动引起拟合结果误差增大, 周期-反应性软件中根据换档数据阶跃情况对换档后的数据进行平滑处理, 或者对换档前后的数据分段拟合。
最后, 渐进周期的拟合算法需要有良好的收敛性, 由于XX试验装置微电流随时间变化的理论函数为多项指数函数, 在拟合算法选择上就须采用非线性拟合算法。考虑到中子通量测量结果的统计涨落, 在进行数据拟合之前需要对微电流数组进行预处理, 包括采用数字滤波来降低统计涨落的影响、对微电流数组进行比例放大, 减小数据拟合中舍入误差对拟合精度的影响。该软件的拟合程序后台调用Matlab计算程序, 使用其非线性指数拟合算法XX算法实现拟合。该拟合算法具有良好的收敛性, 根据微电流函数模型, 电流值表达式中的只有一个正指数项, 在程序中对拟合结果进行相应的限制, 这样就可以得到收敛准确的拟合结果。
4 系统界面及运行试验
4.1 增殖-反应性程序
增殖-反应性程序界面的最上部为功能菜单, 左侧上部为温度显示, 左侧中部为当前计数测量结果, 左侧下部为测量步骤控制;界面中间的上部为高压状态显示和外推临界结果显示, 界面中间为外推临界记录表格和外推临界曲线;界面右侧为副物理员测量通道当前测量结果。软件界面如图4所示。
4.2 反应堆周期-反应性计算程序
反应堆周期-反应性计算程序对反应堆功率测量数据进行处理, 得到反应堆的渐进周期和反应性, 程序界面如图5所示。
点击渐进周期拟合界面左上角原始数据路径按钮, 选择需要进行拟合的测量数据。测量数据文件以时间~电流曲线的形式显示在原始数据窗口, 曲线颜色为红色, 电流换档位置用绿色方点标出。
选择界面左上部测量档位的某一档位, 程序自动确定拟合数据的左右边界。用户可以键盘输入或鼠标点选修改左右边界。选定周期拟合数据左右边界后, 点击确定。
设置周期初值, 周期初值的第一项为渐进周期预估值。模拟信号试验表明, 预估值的准确性要求不高:当渐进周期为50s时, 选择10s或100s的周期初值, 最后计算结果的偏差小于0.5%。拟合完成后, 拟合结果显示在右侧并且自动记录在数据拟合记录表中。
重复选择测量数据段, 拟合计算不同测量段的测量数据。对不同测量段的数据汇总处理可以得到试验装置的反应性。
5 结语
在线式增殖周期及反应性实时测量系统已在XX试验装置的若干试验中得到了应用。实验结果表明, 该系统具有测量精度高、响应快、分辨率高、使用方便、工作稳定可靠等优点。在反应堆外推临界试验及提升功率试验中起到了重要的作用。在试验过程中, 软件直观全面地显示了测量参数及设备状态, 试验人员通过该系统非常方便地实现了反应堆参数的测量和计算, 有助于XX试验装置反应性相关测量实验研究的开展。
摘要：XX试验装置在线式增殖周期及反应性实时测量系统建立在PXI硬件平台上, 采用Labview8.0进行应用软件开发。实时完成增殖-反应性、反应堆功率及周期-反应性的测量和数据处理。实时测量系统计数率通道的脉冲采集模块接收来自核测量系统的放大甄别整形后的方波脉冲信号, 通过数据处理程序计算出增殖-反应性。实时测量系统功率通道的可编程电流表直接采集10B电离室的微电流信号, 并进行滤波和数据拟合, 完成功率、周期-反应性测量。基于PXI硬件平台的在线式增殖周期及反应性实时测量系统采用硬件定时采集, 信号采集单元与计算单元独立运行, 保证了反应堆周期计算的准确性和及时性。
实时测量系统 篇9
在半导体技术发展的基础上, 智能仪表的主体为单片机, 并结合了计算机技术和测量控制技术, 广泛地应用到了生产当中。微处理器存在于这些智能仪表当中, 设计独特的结构, 测试可以独立进行, 能够灵活方便地使用, 系统软件决定了其主要功能。在计算机应用中, 人们开始关注的一个新领域是嵌入式实时系统, 具有简洁、高效等非常显著的特点。将嵌入式实时操作系统向智能仪表进行移植, 从而让仪表拥有更为方便的功能, 同时规范并简化软件的开发与测试, 从而推进模块化编程的实现, 同时使开发周期进一步减小。
一、系统功能描述和模块划分
大规模的集成电路被应用到了这一智能仪表当中, 多点温度传感器与二次仪表是其组成部分。能够将分度号不一样的热电阻与热电偶应用到温度传感器上, 具有较强的互换性和较大的测试范围。仪表能够对16个不同分度号的温度测点同时进行巡回检测, 同时能够以用户要求为依据将其增加到64个。借助键盘可以在安装现场设定传感器型号并修改仪表运行参数。电位器在整个仪表中一个都没有, 软件负责全部的的校准与配置。以测点类型的不同为依据, 线性化、数据滤波与冷端补偿等都能自动完成, 使智能化的优势得以充分发挥[1]。
为使仪表的功能得以实现, 使信号间的干扰得以避免, 以此为依据, 由主控制模块、I/0模块与显示模块共同构成了整个系统。如图1所示:
作为系统核心的主控制模块, 对数据采集通道进行选择、调理信号、分析处理输入数据、对系统温度进行实时监控、报警各种异常、将显示数据发送给显示模块、监视电源、冷端补偿热电偶等。对用户的输入进行监控, 同时以用户输入信息为依据, 对系统参数进行调整是其主要功能。
基于主控制模块的控制, 借助输入通道选择开关, I/0模块向主控制模块的信号调理转换器发送检测信号, 并针对温度异常将报警信号输出。
将键盘接口、检测测点号与相应温度显示出来是显示模块的主要功能, 同时能够进行LED报警 (针对温度异常) 。
二、系统硬件实现
2.1数据采集模块设计。对热敏元件的模拟信号进行采集使本温度巡检仪模拟输入通道的用途, 热电阻与热电偶是其所接的主要热敏元件, 0-80m V是其输入信号的范围, 同时为慢速变化信号。若温度范围与精度要求给定, 需要对合适分辨率的ADC进行选择。若传感器有-272-+1700℃的测温范围与±0.1℃的精度要求时, 其有意义的电压级为 (1700-272) ×20=39440, 所以ADC的选择应为16位的。
作为一种高分辨率、高集成度与低价格的ADC, 对低频信号 (针对宽动态范围测量、工业控制或工艺控制) 进行转换是AD7705的设计初衷, 低频测量的双通道的模拟前端是其主要应用点。由于0-80m V是热电阻与热电偶输入信号的取值范围, 同时信号又是慢速变化的, 所以AD7705是非常适合在温度测量系统中转换调理信号的[2,3]。图2为主控制板中AD7705与AT89C52的连接。
借助一个上拉电阻 (110K) , 从而得以连接DOUT与DIN (AD7705) 和RXD口线 (AT89C52) , INTO、TXD与#WR (AT89C52) 分别连接了#DRDY、SCLK和#CS。向AD7705接供电源与参考电压的是LM1403。
2.2冷端补偿电路设计。冷端补偿的进行采用的是DS18B20 (DALLAS公司生产) 。单总线数字温度传感器是其结构特点, 其优点是微型化、功耗低、性能高和抗干扰等, 由其可以作为多点温度测控系统的构成要素。在不需要任何外围硬件的基础上简单的完成温度检测系统的构建。
图2所示为DS18B20和MPU的连接。DS18B20的数据输入/输出端 (即单线总线) 是DQ, 该脚是漏极开路输出, 高电平是其常态, 连接DQ线 (DS18B20) 和P17口 (89C52) 。外部的+5V电源端是VDD, 接地时并不使用, 在这里, 和电源端VCC相连接。
2.3 I/0板。输入传感器信号并输出继电器信号依靠I/0板。借助一片74HC154, I/0板译码来自主控制板的信号, 将数据采集通道选择出来。I/0板用二片PCF8574进行I/0扩展。一个8位准双向口与I2C总线接口包含于PCF8574中, 产生很低的电流消耗, 同时大电流驱动能力是输出锁存的特点, 能够对LED进行直接驱动。
2.4显示板。对测点号、温度与LED报警进行显示是显示板的作用, LED显示与键盘接口的所有功能由仪表内使用串行接口的HD7279A来完成。HD7279A能够对8位共阴式数码管与64键连接的键盘矩阵进行同时驱动, 2种译码方式与译码器存在于片内, 能直接将BCD码或16进制码接受。同时, 通过对多种控制指令的运用, 芯片能够对显示与键盘接口进行方便的控制。
三、结束语
基于不断发展的科学技术, 温度检测与控制越来越重要, 精度、系统稳定性、响应速度与适应能力等是其主要表现。将嵌入式实时操作系统移植到智能仪表中, 通过软件方便的控制仪表的功能与行为, 使其开发周期得以减小, 使仪表的可靠性、稳定性与可维护性得以提高。设计并实现本仪表, 作为一次尝试是非常有意义且非常成功的, 以期提供一定的借鉴意义, 并促进国产电力智能仪器仪表的技术进步。
参考文献
[1]李军.51系列单片机高级实例开发指南[M].北京航天航空大学出版社, 2004.
[2]敖振浪.十六位模数转换器AD7705及其应用[M].成都信息工程学院学报, 2003, 9:35-37.
[3]仇国庆.AD7705/7706在仪器仪表中的应用[M].自动化与仪器仪表, 2001, 6.
[4]张海藩.软件工程导论 (第四版) [M].清华大学出版社, 2003, 11.
[5]邵贝贝译.嵌入式实时操作系统[M].北京航天航空大学出版社, 2003.
实时测量系统 篇10
斗山公司率先在韩国国内推出过此类测量系统的, 其注册商标为B-WACS (轴承报警和控制系统) 和O-WACS (润滑油报警和控制系统) 。这2种系统在韩国的年市场规模为1000亿韩元 (8250万美元) , 斗山公司希望通过本土自主研发, 每年为韩国减少160亿韩元的进口费用。
B-WACS系统包括1台非接触远距离传感器和1台高速信号传输装置, 安装在主机室里。可实时测量主轴承的磨损, 一旦运行时出现危险, 报警信号将传送至船员, 从而延长发动机使用寿命, 减少维修费用。
O-WACS系统则能通过超小型半导体传感器和温度传感器, 实时测量润滑油状况, 检查油中的含水量和温度, 当含水量增加时, 就会发出报警信息。
实时测量系统 篇11
本课程通过对企业的现实状况进行深入的研究分析，在改变企业决策层的商业格局与审美视角的同时，通过从格局到品牌、到战略、到商业模式、到管理运营、到产品、到营销、到渠道、到服务、到循环复制—10大微创新商业创意思维系统的历练与优化；以点破线，以线开面；以面创体；以小搏大，以弱搏强；以无搏有，以微成渐；逐步打破营销传统思维对“人性的弱点”的利用，充分挖掘、调动、鼓励人们发挥“人性的优点”；志在给企业带来脱胎换骨的改变，实现由量变到质变的飞跃。
用“微创新思维系统”来不断优化完善企业商业格局，导入商业创意审美系统；以企业管理与品牌运营的关联环节的关联点为主线，启动渐进式的微小创新与微小变革；引导企业持续刷新升级产品（服务）的信任以赢得更长效更广泛的顾客忠诚，进而以更长足的品牌发展空间为企业创造更长远的市场前景。
授课对象
企业投资人/决策者 + 经营管理者/事业接班人（全面保障实战效果落地，特邀决策者与执行者共同组合学习）
适合行业
新兴产业/文化产业/传统行业/快消品行业/服务行业
适合企业
中小微企业创业初期/升级转型期/跨越式发展期/困局品牌突围期/多元化发展期
课程构成
1.《企业格局微创新》→《品牌内涵微创新》
2.《战略规划微创新》→《商业模式微创新》
3.《管理运营微创新》→《产品系统微创新》
4.营销体系微创新》→《渠道建设微创新》
5.《服务系统微创新》→《循环复制微创新》
课程时长
2天3晚，总计28小时，并有1～3个月的后续咨询服务
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课前：系统调研考量需求—知己知彼精准聚焦，明确定位落点需求；课中：实时创意实战辅导—实时分析劝业悟道，创意辅导微利千秋；课后：后续顾问同步跟踪—实战落地扶上马 ， 扬鞭远行伴一程。
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实时测量系统 篇12
中国空气动力研究与发展中心低速所再传捷报, 该所自主创新研究的基于线阵CCD的高精度实时空间位移测量系统成功应用于某型号试验, 标志着该系统具备了型号试验能力。该系统的研制, 成功解决了低速风洞试验中的瓶颈问题, 提高了模型位移、姿态角、轨迹、振动等参数的实时测量能力, 为天平校准和有关型号低速试验研究提供了有力的技术支撑。
在风洞试验中, 由于模型风载时的姿态与零载时的姿态不一致, 造成数据误差, 比如某大型飞机阻力系数0.0001的不确定度, 在远程巡航中将改变1%的有效载荷。采用光学非接触方法进行实时位移测量, 准确获取模型姿态角、轨迹、振动等参数, 是提高风洞试验精细化程度的一项关键技术。
该所研制了基于线阵CCD的高精度实时空间位移测量系统, 满足了低速风洞试验中模型位移、姿态角、轨迹、振动等参数的测量需求, 建立了低速风洞实时空间位移测量试验技术, 满足型号试验的工程实用要求。