实时测量

关键词： 负载 测量 频率 电网

实时测量（精选十篇）

实时测量 篇1

某雷达信号模拟辐射源由多个波段设备组成,该系统要求实时监测模拟辐射源主动发射的参数已知的雷达模拟信号,提供载频,脉宽和脉冲到达时间(TOA)等测量参数。

适用本软件的硬件载体模块是设备中的参数测量模块,该模块主要实现对射频下变频到宽带中频的信号直接采样,采样后的信号直接进入FPGA芯片使用本软件处理。为减少设计的复杂性和系统设备量,系统要求各波段射频下变频到统一高中频,该中频大于300 MHz,信号带宽大于100 MHz,而采用的参数测量模块的采样时钟最高不超过200 MHz,由于信号中频频率远大于采样频率,因此本模块模拟信号采样形式是欠采样。如何有效地对欠采样的大带宽,高中频信号进行实时处理及传输,由本软件创新实现。本软件设计思想和方法可适用于通信,雷达及电子对抗领域。

1 设计思路

参数测量中的主要参数-频率参数的测量是难点。本软件提出了基于数字下变频(DDC)的数字正交化,用CORDIC算法实现的相位测量,再用直接相位差法数字瞬时测频的方法,最后在FPGA中完成工程实现,该方法适用于单频脉冲信号的高精度,快速实时频率测量,在窄脉冲的情况下也可以获得比较好的测量精度,同时该方法也适用于线性调频信号的调频参数测量(本项目主要测量脉冲单频信号)及其他参数测量。

本软件中处理的采样数字中频信号为:多种频率类型,多种调制样式,多种重频类型,常规脉冲脉宽跨度大:从几百纳秒到几百微秒;重频变化多:几十赫兹到几十千赫兹,在工作频带内伪随机捷变频。射频下变频到模拟中频的带宽大于100 MHz,而选用硬件模块采样时钟最高为200 MHz。因此主要的宽带处理要在数字化后的FPGA中用软件实现。一般取信号带宽为不超过采样时钟的40%,因此在这里信号采样后有部分混叠。针对既成的硬件条件,本模块采取变时钟采样,子带处理的设计思想:根据波段码和频段码将大于100 MHz的中频信号带宽分成4个子频带,每个子频带带宽为40 MHz。该子带的划分的前提是信号不混叠,依据是带通信号的采样定理,然后由软件分别对落入4个子带的不同脉宽的单频信号进行实时信号处理。

数字下变频(DDC)后的数字测频采用直接相位差法[1],直接相位差法测频的基础是I/Q基带信号的数字鉴相,传统数字鉴相的方法中的NCO是ROM查找表法,该方法缺点是当精度要求较高时ROM表非常大,本设计中采用CORDIC算法来实现数字鉴相。直接相位差法频率测量的基本思路是首先获得输入信号的I/Q复信号,通过CORDIC算法流水迭代获得瞬时相位值,然后计算相邻样本点的相位差,根据相位差以及采样间隔就可以获得信号的频率值。

2 CORDIC算法原理

本软件中数字下变频(DDC)是采用CORDIC算法[2]实现的数字本振NCO级联数字滤波器的设计,该方法特别适合FPGA实现,优点是高速流水线实现,不需要占用FPGA片内ROM资源,是以时间换资源。求模模块的数字下变频(DDC)中NCO也采用CORDIC算法实现,另外瞬时测频中采用CORDIC算法来流水迭代求相位,因此本软件中CORDIC算法被多处运用。

CORDIC算法全称:基于坐标旋转数字式计算机,最早是J.Volder于1959年提出,该算法包括旋转模式和向量模式,可进行向量旋转求三角函数,反三角函数和求向量的模等运算,算法的基本思想是通过一系列固定的,与运算基数相关的角度的不断正负偏摆以逼近所需的旋转角度。以后,J.Walther提出了统一的改进型,CORDIC算法可工作在6种不同的模式,其中,CORDIC算法的基本原理如下所示:

式中:(xi,yi)为输入矢量;(xi+1,yi+1)为输出矢量;αi是每次旋转角度;di是每次迭代旋转的方向;+1表示逆时针旋转,-1表示顺时针旋转。di=sign(zi)是旋转模式的旋转方向,对于向量模式:di=-sign(yi),求正弦,余弦值是用旋转模式,初值x0=x,y0=0,当n→∞,|z n|→0,则得xn=kx0cos z0,yn=kx0sin z0。数字下变频中的NCO就是用CORDIC算法的旋转模式求正弦、余弦。求相位是用向量模式:旋转的目标是使y趋近于0。CORDIC算法通过n次微旋转αi来获得φ的相位值,由zi+1=zi-di⋅αi,则当n→∞,|y n|→0,zi→φ=arctan(yi/xi),从而完成输入向量(xi,yi)的相位提取。

由于CORDIC算法可采用流水线型蝶形旋转结构实现,特别适合FPGA技术的实现,同时每级流水线只包括加减法,移位寄存器和tan-1(2-i)系数存储器,适用FPGA实现时占用的逻辑单元以及存储器资源比较少,如果输入的I/Q信号位数足够高,同时CORDIC算法流水线技术合适,可以获得高精度的相位输出。

本软件运行的FPGA芯片是EP2SGX90EF1152,该芯片包含90 960个逻辑单元,总RAM存储位4 520 448 b,嵌入式乘法器(18 b×18 b)192个。所有资源足以完成CORDIC算法和数字下变频(DDC)算法。

3 软件功能及构成

本软件主要完成雷达模拟辐射源多个波段信号参数实时处理,包括实现数字下变频(DDC)和信号参数实时测量,数据实时传输等。利用数字接收机的方法(或称数字鉴相法)对宽带高中频信号进行数字下变频,得到数字正交的基带复信号,再利用直接相位差法求信号频率参数。用计数器法求脉宽和脉冲到达时间(TOA)参数,利用秒脉冲接续计得脉冲的GPS时间参数。最后对测得的结果参数打包形成脉冲描述字(PDW)并实时上报。本软件是用Verilog硬件描述语言编程[3,4]在FPGA中实现硬件DSP功能。其中数字下变频(DDC)模块和频率测量模块以及CORDIC算法的实现没有采用ALTERA公司的IP核,为独立编程实现。

本软件包括以下几个主要功能子模块:数字下变频模块,频率测量模块,RS 422异步接口模块,数据求模模块,数据处理及实时传输模块等。

组成框图如图1所示,该框图也是本软件顶层软件的信号流程框架。

4 设计实现

经采样的中频信号进入数字下变频(DDC)模块,数字下变频的原理[5,6,7]如下:

设输入模拟中频信号为:

采样后得到序列:

式中ωc=2πf0fs。

本地数字振荡器(NCO)产生的正交信号为:cosωcn和sinωcn,与中频信号在混频器相乘后得:

通过低通滤波器,滤除带外倍频分量后可以得到有用的正交I/Q复信号:

由于信号的采样频率较高,也就是式(3)的I(n),Q(n)速率较高,一般远大于窄带信号的带宽,这时可对其进行速率转换(抽取)以降低此时的输出速率。以上的推算中数字混频实现了频谱搬移,数字滤波和抽取实现了有用信号提取。通常的DDC滤波器设计[8]是采用积分梳状(CIC)滤波器或半带(HB)滤波器作预处理,后用FIR滤波器做进一步成形滤波处理。本设计中信号带宽较宽,所以不适合采用CIC滤波器,而采用半带(HB)滤波器级联FIR滤波器的结构。数字下变频框图如图2所示。

半带滤波器适用于抽取率为2n情况,计算效率高,实时性强,半带滤波器特性有:滤波器偶数序列号(不包括0)冲击响应为0;HB滤波器频率输出抽取1/2后过渡带有混叠,通带无混叠;HB滤波器要求通带和阻带纹波相等。

根据HB滤波器特点以及滤波器系数对称性设计的HB滤波器需要的乘法器的数目是普通FIR滤波器的1 4,设计结构采用常用的横向滤波器结构,适合FPGA高速实现,一般作为DDC的前级滤波器。HB滤波器实际上是一种特殊的FIR滤波器。

图2DDC中有限冲击响应(FIR)滤波器主要目的是对整个通道信号进行整形滤波,作为基带低通滤波器,由于FIR滤波器位于半带(HB)滤波器之后,经过抽取数据率相对较低,因此阶数可以设计的比较高,可以获得较好的性能(通带纹波,阻带衰减以及过渡带带宽等)。一般常用的FIR滤波器是线性相位的,具有系数对称结构,总运算量可减少一半。DDC输出的高信噪比,高镜像抑制度I/Q复信号可以作为后续的频率测量和脉宽测量的输入信号。

在数字下变频模块中,本振信号的频率字(FTW)受控于频段码和波段码,根据不同的码值加载不同的频率字。数字本振(NCO)是利用CORDIC算法迭代实现的,数字混频是采样的数字信号与数字本振NCO相乘,实现了该频段的频谱搬移,之后是滤波处理,相乘后的信号经18级半带滤波器滤波并二分之一抽取,再经32阶FIR滤波器滤波并二分之一抽取,最终数据率降为原采样率的1 4,得到正交的I,Q信号。

模拟信号的瞬时频率f(t)与瞬时相位φ(t)的关系为:f(t)=[dφ(t)]dt,则在数字域瞬时频率fi和瞬时相位φi的关系为:fi=(φi+1-φi)(2πTs),φi为CORDIC算法计算获得的第i个样本点的相位值,Ts为采样间隔。频率测量模块就是利用上述数字下变频模块的I/Q信号,用直接求相位差的方法测频,即先求相位φi,φi=tg-1(Q(i)/I(i)),Q(i),I(i)分别为正交双通道下变频值,再计算相邻点之间的相位差Δφi,依据相位差可测得到信号的频率值fi,若是用查找表法求相位,要用很大的ROM资源存储(Q(i)/I(i))映射到φi的值。本软件采用CORDIC算法多次迭代求相位φi。相位的精度取决于迭代的次数,迭代的次数越多,越无限逼近实际相位。但是受限于窄脉冲的测量,迭代次数又不能太长,太长则无法有效测得窄脉冲的相位和频率,本系统的最窄脉冲为0.5μs,本模块中相位是根据CORDIC算法的矢量模式取23级流水迭代而得。该模块频率值用30位二进制数表示,精确到赫兹。实际测的频率值是中频的频偏值,最终的射频频率值在数据处理和传输模块中考虑不同情况分别计算。由于直接相位差法测频对噪声的影响比较敏感,因此最后需通过多点平均可获得高精度的频率。

将中频采样的中频信号送入信号求模模块,同样先将信号数字下变频(DDC),由于信号脉宽与采样的样本点有关,样本点越多,分辨率越高。为提高脉宽测量的精度,中频经数字下变频滤波后的数据只1/2抽取。直接经32阶FIR滤波器滤波并1/2抽取后数据率降为原来的1/2,将该信号送入信号求模模块,对正交的I/Q信号求模,也就是数字检波,以往的求模也是采用ROM查找表法,在不影响精度的前提下求模采用近似算法[9],该算法只有乘加运算,适合在FPGA中运用,计算公式如下:

abs(L)=max(abs(I),abs(Q))abs(S)=min(abs(I),abs(Q))

模值:

近似求模运算法最大偏差不超过0.12 dB。

因为求模并不是目的,求模只是为了提取脉冲沿的信息,有了沿的信息就可得到脉冲到达时间及脉宽信息。根据求得的模值特征设定比较门限,当模值超过门限时即可判定是脉冲信号,当判定是上沿时开始计数,当判定是下沿到达时停止计数,计算上下沿的总长度即为脉宽,本摸块的脉宽测量精度可达20 ns左右。

RS 422异步接口模块主要是实现直接对计算机板的RS 422异步串口通信,用以接收计算机发送过来的GPS时间数据,RS 422串口波特率是14 400 b/s,发送数据8位,起始一位0,停止一位1,每个字节共10位,接收任务是该模块通过用将采样时钟经数字锁相环锁相输出的16倍串口波特率的时钟将RS 422串口数据可靠地接收下来,确保在数据中间取数,每个字节先发低位,依据该GPS时间数据结合秒脉冲在本模块内继续计时,以供数据传输时实时取数打包结合其他参数形成脉冲描述字。

数据处理及实时传输模块:本模块先对来自频率测量模块的频率值作自适应多点求均值处理,所谓自适应即是自动调整求均值样本点数,有8点平均,16点平均,32点平均等,因为CORDIC算法采用了23级流水迭代,在窄脉冲的情况下有效数据只有一两个,因此在满足窄脉冲测量精度的前提下,尽可能采用多点平均,这样可提高宽脉冲的测频精度。再结合各波段各频段的情况计算出此时模拟辐射源的射频频率值。最终上传的频率值是发射射频信号频率值,需重新计算射频频率值,计算公式为:射频频率值=各波段中心频率值+各频段中心频率值+频偏值,此时的频率值为30位,精确到赫兹,受高重频传输数据的限制,不可能传输长序列数据,在满足测量指标要求前提下对频率值作截位处理,用19位二进制数表示,此时频率值精确到1 kHz。

本软件有一个200 MHz计数器作为本机秒脉冲接续计数的时钟,秒脉冲的前沿触发复位并开始计数,循环计数,因此秒脉冲的计数精度为5 ns。脉冲到达时间TOA的计算是当判定的脉冲上沿到达时记下此时的计时的时间值。因此TOA的精度也为5 ns。

另外来自RS 422接口模块的GPS时间数据在此接续计时,形成时分秒时间值,该时间值也比外送的GPS时间值精度高得多,这都得益于FPGA采用了EP2SGX90系列器件,能够运行200 MHz时钟。最后GPS计时值与频率值,脉宽值和TOA值按传输协议形成脉冲描述字(PDW)通过RS 422同步串口以10 Mb/s数据率实时发送出去,传输是当最后一个测量参数计算出来后开始打包发送。参数测量数据为同步串行一帧一帧传输,每帧88 b,每个重频周期传送一次,数据格式为:字头5H(4 b)+GPS时分秒(17 b)+频率值(19 b)+脉宽(16 b)+TOA值(28 b)+字尾AH(4 b)。

5 结语

本系统的参数测量模块实际上是软件无线电的应用,软件大框架不变,只要修改部分参数就可完成不同的任务。如只要改变NCO的频率字(FTW),并修改滤波器系数,就可完成不同中频及带宽的信号采样及下变频处理,因此使用硬件描述语言编程完成了大部分硬件功能或硬件不方便实现的功能,使硬件的设备量大大减少,系统成本也大幅降低,设计也更灵活。本软件已在某雷达产品中使用,验证,效果良好,具有一定的借鉴和示范作用,可适用于通信,雷达及电子对抗领域。

参考文献

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实时测量 篇2

实时动态GPS测量技术在水深测量中的应用研究

本文基于笔者多年从事水深测量的.工作经验,以实时动态GPS测量技术为研究对象,探讨了其原理,作业步骤及误差处理方法,文章首先简要介绍了水深测量定位方法和RTK定位技术,而后以此为基础,探讨无验潮水下地形测量的基本原理和方法,进而基于笔者的工作实践,给出了详细的作业步骤,最后,笔者基于大量相关文献,分析探讨了影响测量精度的因素及处理对策,相信本文的研究对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义.

作 者：罗凯 作者单位：广东海事局海测大队,广东广州,510320刊 名：科技资讯英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：2009“”(15)分类号：P2关键词：实时动态 GPS测量 水深测量 无验潮 RTK

实时测量 篇3

摘要：设计了一套应用于微机补偿晶体振荡器（MCXO）的自动调试测量系统.该系统集成了S&A4220高低温控制箱、高分辨率频率计、PC计算机、以及基于C8051F061单片机的控制器，能够同时调试测量8台MCXO.PC机的控制软件由LabVIEW编程实现，可对MCXO主要技术指标进行自动测量.运用该系统开发的MCXO，在-40～+85 ℃的宽温度范围内，频率温度稳定度达到±7×10-8.

关键词：微机补偿晶体振荡器（MCXO）；自动测量；频率温度稳定度；LabVIEW

中图分类号：TP273 文献标识码：A

随着现代科技的发展，稳定的频率源是电子系统关键器件之一.而微机补偿晶体振荡器由于其高精度、功耗低、开机即可工作等特点，得到了研究者的高度关注[1].现在，国外高水平微机补偿晶体振荡器频率温度稳定度己能达到2×10-8（-40～85 ℃）[2].如此高精度MCXO开发，离不开全自动实时在线调试测量系统的实现.实时在线自动测量可以提高温度测量精度、温度点补偿密度以及补偿电压插值精度，最大限度地降低MCXO由于多种因素造成的系统误差[3]；同时更加适应MCXO规模化生产的要求.基于这样的背景，本文提出MCXO的实时在线自动调试测量系统的设计和实现，是有积极意义的.

1系统构建

系统主要包括以下几个部分：计算机，S&A4220高低温控制箱，HD2000多通道高分辨率频率计，主控板，被测晶振，系统控制软件.图1为系统框架结构图.测量系统分为3层，顶层为PC机，中间层为主控单片机，底层为基于C8051F061的被测MCXO，其中绿色框和蓝色框内的部件置于S&A4220高低温控制箱内.这样的三层结构能够减少数字信号以及环境因素对测量精度的影响，减少系统连线，也使得系统趋于模块化，提高软件运行效率及编程效率，提高其可重复性.测量系统用S&A4220高低温控制箱实现-40～85 ℃的环境温度，HD2000频率计测量输出频率.整个系统为闭环控制系统，输出频率与标称频率之间的差值作为反馈传送给主控单片机，由主控单片机将此反馈信息传送给指定MCXO，以改变被测晶振的压控值，使系统的输出频率达到期望的稳定范围[4].图2为系统处于测试状态的照片，右下是S&A4220高低温控制箱.

为了实现同时对多台MCXO的自动测量，本系统设计了一块主控电路板，其核心器件为C8051F060单片机，通过UART接受PC机指令，控制各个MCXO参数测量及测量顺序，并向PC机返回标志值.通信指令以字符形式发送，包括5个字节，依次为操作内容、晶振地址、操作数据、操作数据、验证码.当出现不能识别的指令、总线传输错误、非识别操作码、传输超时、返回值不能识别等错误时，单片机将返回相应错误代码.当接收到有效指令后，主控单片机分解指令，经SMbus并通过3-8译码器74LS138向相应的晶振发送指令；并通过多路开关54LS151A选取对应MCXO连接到频率计测量当前频率.

2 软件实现

系统程序包括三部份：MCXO程序、主控单片机程序和PC机程序.各个程序之间有通信协议，PC机通过发送指令控制系统完成相关的操作，从而实现对MCXO的自动测量.PC机程序用LabVIEW编写，包括控制外围设备模块，测量UcT曲线模块，老化微调以及频率微调模块.它通过3个串口分别控制主控单片机、高低温测试箱和高精密频率计；主控单片机上的程序为一个C语言程序.它主要功能是接收、执行PC机的命令并返回相应的值.MCXO程序为一个汇编语言程序.它主要包括两大部分：工作部分和调试部分.采用汇编语言主要是为了提高定时精确度[5].程序之间的关系如图3所示.

2.1控制外围设备模块

系统中的外围设备S&A4220高低温控制箱和HD2000多通道高分辨率频率计都自带有RS232串口、主控板的设计也配有RS232的接口，很方便通过NIVISA来实现对仪器的读写功能.NIVISA为一个可调用函数库，通过调用底层的驱动程序来控制仪器，可实现计算机与仪器之间的I/O控制[6].图4为NIVISA控制温箱的流程图.在控制界面上设有温度设定、到达指定温度时间、当前温度等按键来操作温箱.

主控单片机与PC机通信频率为2 400 Hz，8位有效位、1位停止位、无效验位.通信指令以字符形式发送，包括5个字节，分别是操作内容、晶振地址、操作数据以及验证码.系统同时对可能出现的传输错误定义了特定的错误代码以及相应的自动处理措施；温箱的RS232通信协议为：波特率9600，无极性，8位有效位，1位停止位.

2.2测量UcT曲线模块

测量UcT曲线是测试系统调试MCXO的主要任务之一.其工作过程如下：系统首先向温箱发出指令，当温度稳定在指定温度时，测量每个MCXO的频率值.测量结果与设置在PC机内部的MCXO 频率标称值相比较，其差值作为反馈，使PC机发送改变补偿电压值指令.如此循环，直到输出频率满足设计精度，再保存此时的补偿电压值[7]，即Uc.

在同一温度下，依次对每个MCXO完成上述过程，并作相应的记录.然后控制温箱到下一个温度点，重复上述测量过程，直到所有设定温度点全部测量完成[8].图5所示为自动测量系统的工作流程图.图6所示为系统PC机的人机交互画面.

4结束语

介绍的MCXO自动测量系统操作便捷，人机交互界面良好.从系统实时测量过程来看，系统运行稳定，PC机、主控板、MCXO之间的通信有效，高低温箱与频率计工作正常，实现了MCXO的自动测量，运用该系统调试制作的MCXO频率30 MHz，在-40～+85 ℃的宽温度范围内，频率温度稳定度达到±7×10-8，符合设计要求.下一步工作是扩充系统规模，增加测试设备，提高测试精度和效率，使系统满足工业化生产需要.

参考文献

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实时测量 篇4

RTK是一种具有实时和动态特征的三围坐标定位技术, 如今已经广泛应用于地籍测量工程中。在测量精度方面, 它可以定位20 km以内的坐标, 并且精度可以达到厘米。GPS-RTK技术的出现, 很好的融合了GPS定位技术与数据传输两者的优势, 并且实现了互补, 弥补了GPS作为单一的静态观测在实际运用中的时间长、效率低以及无法实时的进行对数据的测绘和放样的一系列问题。

一、GPS-RTK技术的基本组成及其原理

GPS-RTK的工作方式主要由GPS接收设备、数据传输系统和软件系统三个部分组成。在我们日常使用过程中, 通常我们会习惯性的将它划分为基准站、流动站和中继站。其中, 基准站主要包括基准站GPS接收机和基准站电台两个部分;流动站主要有流动站电台、流动站GPS接收机和电子手簿三个部分;中继站一般是外设的电台, 主要用于扩展作业的范围。

它的主要工作原理是通过GPS定位系统接收、通过串口发射基准站观测的伪距和载波相位观测值, 并且通过基准站台将这些数据发射出去。这些数据被流动站电台接收, 并通过电子手簿将这些数据显示出来。有时对于距离较远测量, 可以在基准站和流动站之间设立外置的独立电台作为中继。它能够很好的接收基准站发出的信号, 并将这些信号发送出去。

二、GPS-RTK技术在地籍测量中的应用

1. 控制测量

传统的地籍测量一般使用导线网或者三角网的方式来进行测量, 这些测量的方式在实施的时候, 要求两个相邻的控制点之间必须没有阻挡, 而且对于导线的长度和图形也有严格的要求。如果测量的精度与规范不符的时候, 也必须重新进行测量。GPS-RTK技术很大地简化了传统测量中的步骤, 也很好的解决了传统测量存在的问题。它既不需要两点之间的透视, 对导线也没有那么严格的要求。更为重要的是, 在测量的同时它能够将获得的数值、精度以及图形的属性准确的存储到电子手簿中, 极大的提高了工作的效率。

2. 地籍碎部测量

地籍碎部的测量通常都是地籍测量中一项较为复杂的工作。传统的地籍测量一般是利用平板仪测图或者全站仪测图对测区的图根控制点施测。测绘时, 不仅需要多人合作, 而且要保证相邻点之前没有阻挡。采用GPS-RTK技术不仅极大的简化了程序, 而且仅需一人操作。采用RTK技术测绘时, 只需要装好基站, 然后一个人拿着, 就能够进行测量工作。在获得点的坐标、精度等信息后, 输入测试点的编码。当完成该区域所有点的测量后, 利用专业的数据处理软件就可以生成所有测量点的数据图。

3. 放样

放样是指通过科学的方法, 利用已有的仪器, 将设计好的点位在实地中标出。放样的方法主要有经纬仪交会放样、全站仪的边角放样以及距离交会等。传统的放样方法工作量大、要求高, 并且工作效率低下。为了确定点位, 需要根据测量的数据不断的移动目标, 耗费大量的时间和劳力才能最终确定点位。利用RTK进行放样, 可以提高放样效率, 缩短工作时间省下大量的人工。RTK技术放样时, 在室内用专门的软件标好需要放样的点的坐标。并将坐标传输到GPS手簿中, 直接在户外开始作业。户外作业时, 选择好放样点后, GPS-RTK会自动算好天线所在的地点。并且与即将放样的坐标相对比, 得出坐标差, 最终导航到点。

三、外业施测及作业精度控制

首先, 要对全测区进行控制测量, 再进行地籍测量, 统计好的数据用于地籍图件的测绘。地籍控制网点的精度以及密度主要用于测量土地界址点, 如果测区比较大, 应该先建立测区的GPS控制网。对一个城市、地区的测量时, 必然有市区和郊外之分。市区内由于障碍物较多容易干扰测量, 因此不宜使用GPS-RTK测量, 应使用全站仪进行测量;郊外障碍物较少符合GPS-RTK的测量要求。在使用GPS-RTK测量时, 可以将作业人员分为4人一组。一共四台接收机, 一台GPS在基准站上, 另外三台分别设在三个流动站上。流动站上的工作人员在各自点位上记录三次观测的结果, 取平均值记录在案。完成测量后, 到另一控制点重复以上测量工作, 以完成图根控制测量。

1. 基准站位置的选择

基准站位置的合理、科学选择有利于提高RTK测量的精度, 并且会对流动站的测量速度和精度产生重要的影响。基准站选择有以下几点要求:第一, 基准站至测区的地势平坦;第二, 没有太多的障碍物影响卫星信号, 附近没有高压线、信号塔等电磁波辐射源。只有符合以上两点要求, 才能确保卫星信号的有效接收和测量的准确性。基准站的架设也要符合要求, 距离比较远的情况下, 可以将基准站设立在地势平台并且较高的位置。并且远离建筑物、其他干扰源, 避免影响RTK数据链通讯以及电台的发射。同时, 在进行测量前, 要做好卫星星历的报告。PDOP值小于5有利于RTK的测量, 反之会影响到RTK的测量。

2. 流动站的选择

选择好基准站后要进行流动站位置的确定。流动站同样要选择开阔、平坦的地点, 避免建筑物或者信号塔、高压线对卫星接收的影响。流动站必须满足同时接收5颗星的要求, 才能进行测量作业。流动站与基准站的距离将会直接影响到测量的准确性, 因此两者之间的距离不宜过大。在市区中, 流动站与基准站的距离要小于4 km;在郊外, 流动站与基准站的距离小于7 km即可。

3. 数据链的设置

数据链与接收机同时集成在主机之中, 数据链中高增益天线的使用保证了数据通信的稳定性。同时数据链主要采用电脑通信的方式进行数据传播, 这也使得数据的可靠性得到了有效的保障。当然, 为了进一步保障RTK的有效工作半径, 信号天线宜架设在位置较高且阻挡较少的区域。

四、GPS-RTK地籍测量的优点及不足

1. GPS-RTK技术在工程测量中的优点

首先, GPS-RTK技术的运用很好的克服了地形、气候、天气等自然条件对地籍测量造成的不利影响。同时对于一般的测量, GPS-RTK技术省去了分级布网等繁琐的操作步骤。大大简化了工作程序, 节约了测量时间, 减少了测量的工作量, 极大地提高了地籍测量的工作效率。

其次, GPS-RTK技术的运用极大地提高了测量精度, 使测量的数据更加具有安全性和可靠性。特别是在地形条件复杂、地物较为杂乱的地区, GPS-RTK技术很好的弥补了传统测量易受地面障碍影响的不足。

第三, GPS-RTK技术的运用极大的提高了地籍测量的综合效益。与以往需要多人配合进行测量不同, GPS只需一人操作, 而且快速、简便。所得到的数据内业计算方便, 极大地节约了人力资源。

第四, GPS-RTK技术的自动化程度更高, 可以很好的处理处理各种内业和外业工作。GPS-RTK通信也更为方便, 在测量过程中全程与计算机、全站仪等仪器相连接, 数据的处理更加的及时准确, 存储也更加安全。

2. GPS-RTK技术在工程测量中的缺点

第一, 仪器在使用的时候观测值是相对独立的。仪器是否处于正常的工作状态很难判断, 因此所得到数据的有效性也缺乏监测。

第二, 在山区等特殊的地形条件下, 受高程异常值问题影响较大。由于某些地区高程值无法精确获得, 导致在使用RTK的时候精度无法得到很好的控制。

第三, 稳定性方面还有待增强。RTK的精度和稳定性受到卫星信号、天气、数据传输条件等影响较大。在信号传输的时候, 也容易受到周围自然环境或者其他信号源的影响, 使得作业的半径和精度达不到预期效果。

第四, 仪器的工作依赖于电池。由于本身的电池容量有限, 且测量过程中耗电较多, 因此在一些偏远地区容易受到电力条件的制约。

五、GPS-RTK的常见精度误差及其处理方法

GPS-RTK在使用的时候需要特别关注的, 就是因为各种因素导致的精度的误差。如果不能很好的处理精度误差, 会极大的影响数值的准确性。

1. 外部的自然条件影响产生的精度误差

通常由于受到密林或者高楼的阻挡, 会使得信号无法接收或者信号质量差, 从而影响到测量的精度和质量。那么, 我们可以采用什么样的办法在这些地区进行作业呢?经过思考和实践, 通常可以采用以下的办法:首先, 将基准站电台的功率放到最大, 并且尽可能的放置在没有阻挡的开阔区域;其次, 尽量把流动站GPS电台的天线放置在高点区域, 进一步扩大信号的覆盖范围;第三, 可以在条件允许的情况下使用中继站, 弥补信号传播距离的局限性。当然, 我们还可选择采用¼架双基准站工作或者½开通网络通讯等一系列专业化的测量技术, 从而弥补因地形自然条件等原因产生的测量误差或者难以测量的问题。

2. 测量过程中的伪值所产生的精度误差

在RTK测量中, 要想让测出来的精度更加准确, 就必须把解的类型从浮动型改成固定的。由于受到了卫星信号干扰、接收时间误差、后期软件处理故障、外部环境影响等干扰, 测量出来的结果会出现很明显的误差, 也就是所谓的伪值现象。

伪值现象的发生对整个数据的检测带来很大的干扰, 因此必须要想办法加以预防和控制。目前来说, 比较好的手段包括了以下几个:开始进行RTK测量前, 先复测两个以上的已经有过测量记录, 并且有相关数据的已知点。如果在测量过程中, 因为伪值的原因导致初始化丢失, 这时应立即关闭流动站接收机电源并迅速重启回到初始化程序。同时, 在测量工作时, 要注意高程值的变化, 看看起伏是否会比较大。在整个测量过程中, 会不会出现异常的数据。因为伪值产生之后最明显的变化之一, 就是高程值也会随之而发生明显变化。因此, 通过监察高程值的波动, 就能判断发生了伪值现象。这样就可以对产生高程变化的点再进行复测, 避免伪值所带来的影响。

3. 大地高转换成正常高所产生的精度误差

使用GPS仪器进行测量, 其大地高是WGS-84坐标系下的。必须经过七参数的转换才可转换成为地方坐标系的大地高, 有时也可使用三参数。其计算大地高的具体公式为:H=H常+F。公式中:大地高为H;正常高为H常;F为高程异常值。由于水利工程当中需要求解的是正常高的值, 根据H常=H-F, 使得对F的求解非常关键。目前, 对F (高程异常值) 的求解有高程拟合法、等值线图法、大地水准面模型等, 还可以利用系统程序软件进行计算求得。在高程异常值变动较小的地域, 如平原, 可采用基准站输入54平面坐标的方法。用基准站的高程改正数, 得出流动站的高程。但在高程异常值裱花较大的地域, 如在山区使用这种方法, 其间存在的误差就很大, 不能满足工程所需的高度测量数据。在高程异常值变化较大的地区, 对高程的解决办法具体为:野外用大地坐标放样, 并进行测量, 得出的大地高值用高程异常模型修正;然后, 再用地方平面坐标放样并, 进行测量, 得到基准站高程的实际海拔高度, 用异常图上的高程异常差值进行修正;最后, 用高程拟合法可以求得其高程。

4. 测量过程中的初始化问题产生的误差

在RTK测量模式下, 需要在测量流动站当中选取起始点。在起始点静止观察, 数分钟后完成相关的初始化工作。在初始化结束后, 处在运动状态中的接收机按照设定进行自动观测。并根据录入的基准站数据, 对采样点的空间位置进行实施测定。在实际操作当中, 仍然存在着如流动站无法完成初始化等一系列问题, 这就要对流动站进行相关检查。其检查的内容主要有:流动站周围是否存在障碍物、源干扰、和电台信号、流动站与基准站之间的距离、卫星提供数据精度的准确性、接收机与手簿和天线之间连接等。除了流动站的检查以外, 基准站需要注意的问题有电台电源的电压问题、基准站电台干扰问题等。当基准站与流动站检查无问题时, 还需要对流动站与基准站之间的电台频率进行校正等。

六、结语

GPS-RTK技术在地籍测量中的使用, 很好的解决了传统测量容易受到地形、天气等影响的缺点, 让我们在地籍测绘过程中的工作质量和工作效率发生了极大地改变。它不仅方便了我们测绘人的工作, 也使得工程建设的成本进一步降低, 工程建设的质量进一步提升。随着操作人员技术水平的不断增强, GPS-RTK测量技术的不断成熟, 它的测量精度也会越来越准确更加准确, 抗干扰的能力也会越来越强大, 从而也会越来越好的服务于地籍测量工作。

参考文献

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[2]王国祥, 梅熙.GPS RTK技术在工程测量中的应用[J].四川测绘, 2001 (04) .

[3]夏树新.GPS技术在土地测绘地籍控制测量中的应用[J].油气田地面工程, 2008 (03) .

[4]李奕文, 谢小丽, 禹小伟.利用GPS-RTK技术提高测量精度的探讨[J].城市建设理论研究, 2012 (25) .

实时测量 篇5

一种用于辉光放电光谱深度分析的激光实时测量新方法

摘要：辉光放电原子发射光谱仪可用于物质表面化学成分随深度分布的分析,在镀层分析、金属材料检验等领域有着广泛的应用.文章介绍了辉光深度分析的传统方法和局限性以及实时深度测量技术的近期研究,提出了一种用于辉光放电光谱深度分析的激光实时测量新方法.文章采用激光位移传感器和根据激光测最方法设计的.辉光放电光源构成实时深度测量系统,详细阐述了系统的设计方案和技术原理.系统的设计结构能够实现在辉光光谱分析的同时进行激光实时溅射深度的测量.通过实验验证和分析了激光实时测量样品溅射深度过程中产生的光源位移现象.采用双激光器实时深度测量系统对锌合金标准样品进行了溅射深度的实时测量,给出了实时深度测最曲线.通过将溅射面测量曲线与参考面曲线进行叠加,得到了样品溅射坑深度的实际值,与Dektak8型表面形貌仪测量结果一致. 作者： 万真真[1]李小佳[1]王永清[2]施宇[3]孙荣霞[2] Author： WAN Zhen-zhen[1]  LI Xiao-jia[1]  WANG Yong-qing[2]  SHINing[3]  SUN Rong-xia[2] 作者单位： 钢铁研究总院,国家钢铁材料测试中心,北京100081河北大学电子信息工程学院,河北保定,071002北京航空航天大学软件学院,北京,100191 期 刊： 光谱学与光谱分析   ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： , 31(9) 分类号： O657.3 关键词： 辉光放电原子发射光谱仪    深度轮廓分析    激光测量    实时深度测量    辉光放电    镀层    机标分类号： O65 O73 机标关键词： 辉光放电光谱    深度分析    激光位移传感器    实时测量    新方法    Analysis    Depth Profile    Laser Measurement    Determination Method    溅射    测量系统    原子发射光谱仪    合金标准样品    设计方案    测量曲线    表面化学成分    表面形貌仪    文章    位移现象    实验验证 基金项目： 国家科技部科学仪器设备升级改造专项课题

实时测量 篇6

关键词:卫星通信;超视距;真值测量

中图分类号:TN927.2 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)27-0025-02

1问题提出

目前,试验场用于真值数据实时传输的测量手段主要是有线网络、无线电台、无线局域网3种。然而,有线网络只适应于陆基,无线电台和无线局域网通信距离为视距,不能满足试验场超视距真值数据实时传输的要求。

随着高精端武器系统的不断发展,未来试验对试验场测量真值要求具有大跨度、高精度、实时性、多目标等特点。目前试验场远距离真值测量能力比较薄弱,提高试验场在电子干扰条件下高精度定位试验能力,完善试验场远距离实时差分处理方法,提高试验场动平台试验精度和效率是适应新时期试验鉴定工作发展的大趋势。

2主要用途及构设方法

2.1主要用途

系统主要用于舰艇作战系统试验任务真值实时传输;其次完成试验场的其它岸基雷达、电子战、通讯对抗等试验任务中真值数据超视距实时传输。具体用于多目标的精确定位、数据互传,目标指示与引导;被试品指标考核的快速判断,为试验指挥决策提供依据。

系统采用机动基准站和动态目标站的方式。其中机动基准站采用车载式,动态目标站采用分别安装在目标上的方式。

2.2预期功能

预期功能:①具有卫星(GPS、GLONASS、BD-2)定位、测速、授时功能;②具有卫星实时差分、事后精密差分解算功能;③具有向动平台中心实时发送信息功能;④具有实时记录、航迹实时显示和事后回放功能;⑤不同数据格式转换功能;⑥具有网络数据传输、网络引导、串口引导、目标指示、辅助决策功能;⑦具有系统自检和故障诊断功能。

2.3预期达到的主要战技指标要求

2.3.1卫星定位精度

单机定位精度:≤10 m(RMS)

网络差分定位精度:≤0.1 m+2 ppm•D

载波相位差分精度:≤0.01 m+1 ppm•D

实时定位精度:≤0.1 m+2 ppm•D

事后处理精度:0.04 m+1 ppm•D

测速精度:≤0.03 m/s

授时精度:10-6 s

数据记录更新率:1 Hz、10 Hz、20 Hz

2.3.2冷热启动及重捕时间

冷启动时间:<40 s

热启动时间:<10 s

重捕获时间:<2 s

2.3.3记录器

容量:≥ 4GB

2.3.4卫通数传系统技术特性

接口:RS-232C

接收机天线:卫通通信专用型天线

数据传输最大容量:≥480 byte

数据传输更新时间:≤1 s

误码率:≤10-5

2.3.5工作环境温度

工作环境温度:-40～+55 ℃

存放温度:-40～+85 ℃

2.4对外信息接口要求

系统设备接口采用标准数据接口,数据格式满足试验场数据处理格式要求和《试验场试验装备互联约定》《试验场测控信息实时传输规范》。

2.5其他要求

2.5.1电磁兼容性

系统在舰艇复杂电磁环境工作过程中,其它设备正常工作时,保证双方互不影响。

2.5.2使用维护性能

系统应具备操作安全可靠,使用维护、维修方便的特点,接插件等应具有开敞性、可达性、可视性。

2.5.3可靠性要求

充分考虑设备的应用环境和条件,突出质量第一的原则,确保设备可靠。系统平均无故障工作时间大于200 h;系统连续工作时间24 h;系统平均故障修复时间小于0.5 h;使用寿命大于10年。

3初步构想方案

3.1系统组成

系统有1套车载机动基准站、若干套动态目标站、辅助设备和相应软件组成。其原理图,见图1。

其中,车载机动基准站包括卫星接收机(定位卫星信号接收天线、电缆)、机动基准站数据链(通信卫星接收天线、电缆)、

机动基准站显示指控模块等组成;动态目标站包括卫星接收机(定位卫星信号接收天线、电缆)、动态目标数据链(通信卫星接收天线、电缆)、动态目标显示指控模块等组成;多套动态目标站中的一套作为动平台中心,用于目标信息汇总和辅助决策。

图1系统组成原理图

3.2系统工作流程

车载移动基准站定位后将差分改正信息发送到通信卫星,通信卫星向各活动站播发差分改正信息,各活动站将本站的位置、航向、航速等信息发送给通信卫星,通过卫星播发给指挥舰,指挥舰收到各活动站信息后计算本舰相对于各活动站之间的方位距离等真值,与被试品测量值进行实时比较,实时得出试验初步结果。指挥舰可以将试验过程中的航路调整、试验初步结果等信息通过通信卫星发送给各活动站,从而实现指挥调度。

3.3试验场可行性分析

通信卫星可以为海事卫星或专门申请的试验通信卫星(如北斗二号),卫星容量及信息传递由地面卫星控制中心统一调配。目前海事卫星已经成功应用于军队及国内民用机场,取得了良好的效果。

超视距通信是卫星通信最大的优点之一,北斗二号通信定位卫星发展正在逐步走向成熟,相信不久的将来一定会广泛的应用于军民用户。

在试验场外场超视距特别是海上超视距试验中,最好的通信数传手段为卫星通信,它不受外场场地的限制,可大大降低地面同频干扰,为试验任务的圆满完成奠定良好的硬件基础。

4结束语

卫星定位实时传输系统在试验场真值测量中的作用无可替代,是试验场超视距数据测量与传输的必然要求。

参考资料

1 吴晓进等.GPS理论与应用(上).西安导航技术研究所,1999

2 李 跃.导航与定位.北京:国防工业出版社,2008

3 言 中等.卫星无线电导航[M].北京:国防工业出版社,1989

4 王 钰.船载GPS姿态系统数字滤波算法[J].中国惯性技术学报,2009

Satellite Positioning Real-time Transmission System In Experiment Field True

Value Measure Of Applied Speculation

Yang Jingbao

Abstract:This text Chien say on trial field for outfield super sighting distance measurement of urgent requirement, put forward in keeping with on trial field super sighting distance true value measurement and deliver task solve method, and to test field of feasibility take into synopsis analysis, get conclusion.

变频故障下电压实时测量方法研究 篇7

随着电力电子技术的不断发展,电力系统负载的复杂程度也在不断增加,电力线上传输的已经不再是纯净的50Hz交流电,而变成包含着谐波和各种干扰的复杂的供电系统。比如由于重负载会导致发电机组频率下降(低周),电网频率异常情况下,对电网的各种参数如电压的测量也带来了很多新问题。常规的电压实时测量方法,在正常工况下其测量是准确的,但在非正常工况下,其测量就会产生较大的误差甚至错误。其测量不准确的原因在于电压、电流的波形已发生畸变。已不再是纯净的正弦波型,即波形因数发生了变化,此时采用常规的通过峰值或平均值测量再折算出有效值测量方法,就会产生很大的误差。由于高精度的电压测量运算量比较大,且在在测量电压参数时,还需要进行电网频率的测量,为了保证测量结果的实时性。本文的设计了采用TMS320VC5402作为电压测量的主控制器,充分利用DSP的运算功能来完成实时的测频算法,并根据测得的周期值来修改采样的定时间隔,完成实时的数据处理,最后利用DSP的控制功能来完成实时的数据输出。

2 频率测试方案

2.1 实时测频算法

本文设计的的硬件测频电路部分,采用一个可变域值电平的具有施密特特性的电压比较器来完成。最初的设计思路是将测频电路的输出连接到DSP的外部中断引脚上,每次测频输出的下降沿都要发出一次DSP的外部中断,再通过定时器来测量出中断的间隔时间,最后根据采样点数计算出采样定时间隔,并使用定时器的中断方式来完成数据的等间隔采样。尽管在该电路中采用了施密特比较器电路,并进行了有效的电磁兼容设计,也不能避免单次测量产生误差,该误差产生的原因如下:原因之一,由于计数器的计数间隔不可能无限小,因此计数器的测量会带来1个计数误差;原因之二,由于外部千扰会在测频比较器的输入端产生尖峰干扰,如果改尖峰干扰的正脉冲与输入波形叠加后的电平超过了施密特电路的正向域值翻转电平,或者干扰的负脉冲与输入波形叠加后小于施密特比较器的负域值电平,都可能引起比较器的误翻转,导致测频不准确。鉴于单次测量总是产生误差,又由于电网频率的变化具有相对稳定性,因此本文采用了改进的测频方案。

本系统是使用了将多测量周期值进行筛选并加权平均的算法,来测量出电压信号的频率的。如果采用单次测量周期的来确定下一周期的采样间隔的方法,显然响应速度快,但会受到单次测量误差的影响,导致测量不准确。然而采用多周期测量值平均的算法显然克服了单次周期测量误差的影响,但同时也带来了缺点,就是所测得的频率只是前几个周期频率的平均值,显然只适用于固定频率的系统,而不适用于频率变化的系统。为此,需要研究如何既消除单次的测量误差,又能使测得的频率更接近于下一周期的频率。本文采用了两种消除方法。第一、运用数据筛选法,从最新的5个采样周期数值中筛选出最接近的3个数值进行计算,通过此法来去除因干扰产生的错误周期测量值。第二、在系统中采用多周期进行加权平均的周期测量方法。鉴于实时测量系统的需要,因为系统的频率变化又是相对缓变的,因此采用了加权平均的方法,即越新的周期测量值使用的权值越大。因此是将当前最新的5个周期测量值中最接近的3个进行加权平均的。

每次周期测量结束后,都会将循环缓冲区中最新的5个周期值中的3个最接近的周期值进行加权平均,并将算得的周期值除以N(每周期的采样点数)算出采样间隔时间,并将此时间值转换成定时器的计数脉冲数并设置到定时器中,使定时器工作于连续工作、常数自动重载、中断方式。在每个定时中断时启动一次采样,并在转换结束时将此采样数值存入采样数组中,以备数据处理时使用。

2.2 频率测试电路

由于系统的测量是通过对信号进行周期采样的方法来实现的,因此其准确性不仅来源于采样的准确性还来源于系统频率测量的准确性,因此加入测频电路是必不可少的。测频电路设计如图1:

该电路是一个可变门限的具有施密特特性和低通滤波特性的比较器。将经调理后的电压信号接到本电路的输入上来。C18的接入使电路具有了低通滤波特性,可以滤除高次谐波,还可以有效的衰减二次以上的谐波。电路中加入了R51使电路具有了施密特特性。精密电位器POT2的引入可以调整比较器的比较门限。

2.3 电压测试方案

对于电压量的测量,采用电阻分压法进行电压测量,由于电阻的温度特性对测量的影响。由于电阻的阻值会随温度变化而发生变化,因此本文使用的是10PPM的精密电阻,即温度每变化一度电阻的阻值变化百万分之十。当温度从-10度变化到30度时,阻值变化0.04%,因此可以实现高精度的要求。

传统的测量电压的方法是利用功率等效的原理进行测量,即被测电压(或电流)与某一直流电压(或电流)在相同阻值的电阻上在相同时间发热相等,被测电压(或电流)的有效值等于该直流电压(或电流)的幅值。被测量不是纯交流量,所以不能使用(UM是峰值电压),或者从平均值折算得出有效值,因为不同的波形其波形因数也不同,这样会带来很大的误差。因此,从采样值计算出有效值即电压的均方根值,对于模拟量电压的有效值算法如下:

式中:U——电压有效值,V;u(t)——表示电压的瞬时值V;

在含有谐波成分时,将该公式展开为下面公式形式:

式中:U0——电压直流分量,V;U1、U2、U3…——电压的基波、二次谐波、三次谐波的分量的有效值,V

对于数字算法我们可以对信号进行每周期N点的等间隔采样,获得整周波的采样序列,就得到下面公式:

式中:U——电压有效值,V;N——每周波的采样点数;Ui——电压的瞬时采样值,V;

由公式3运用积分的知识,也可得出公式1。这两个公式具有等价性。因此可以使用公式2进行电压的有效值的运算。

由于本系统属于实时测量系统,因此所有算法都是实时算法。即在数据处理时,每读入一个新的采样值就进行一次有效值运算。每个周期都要对被测波形进行N点等间隔采样,所以连续的N点就代表一个周期内的所有采样值。同时也有最新的N个采样值就代表最新的一个周期的采样序列。将最新的N个采样数据按照上式进行有效值运算,得到的有效值就是当前电压的有效值。硬件接口电路设计如下:

将被测交流电压信号直接加在U_INPUT+和U_INPUT-之间,经精密电阻R31和R32分压后送到隔离放大器的输入端上,该放大器的输出由于带负载能力低,而且在输出端还有零偏电压,因此在隔离放大器的输出端加入了一级具有调零功能的一阶有源低通滤波器。调零的方法是通过调节精密电位器W2来实现的。又由于电路的最终输出要送AD进行数据采集,因此在低通滤波器的输出端又增加了一级反向放大器。最后将输入电压信号同相输出到A/D的输入端上。此外由于该采用了隔离放大器,因此该放大器的前级必须采用隔离供电的方法,本系统采用DC/DC芯片是与DCP010515DP功能相同的E0515D来实现的,该芯片将系统电压的5V供电电压经隔离开关变换器转变成与系统隔离的士15V电压,给隔离运放的前端进行供电。

2.4 测试结果

按照本文的设计方案,设计了一个频率故障情况下电压测量系统,该系统由主CPU板、模拟量采集板、人机接口板三块主要板卡组成,此外还配有直流电源升压变换模块,薄膜键盘,机箱等部分。其中主要的三块板卡都采用了多层插针式连接结构。为了使系统稳定工作,采用CPU板在中间,该板卡上面插接了人机接口板,下面插接了模拟量采集板,各板卡之间通过双通铜柱进行固定并与面板相连接。根据最终的设计方案进行测试,测试结果如下:

从测量的数据可知,各测量的精度都达到了0.4%的精度范围。

3 总结

本文的创新点提出并设计了一种高精度变频故障下的电压测量方案。通过测试证明该方案运行稳定,抗干扰能力强,测量精度可达0.4%以内,达到了预定的设计要求,因此具有很强的应用价值。但是本文的设计还有一些不足之处,如测频的实现方法还不够理想,在算法上尝试使用长序列的频谱分析方法来实现。

摘要：研究频率异常的情况下,高精度电压的实时测量技术,提出了一种基于DSPTMS320VC5402的实时测量方案,该方案首先对电网频率进行测量,避免因频率异常而导致电压的测量误差,对提出的电压设计方案进行分析和推导,证明了方案的可行性。

关键词：测频,电压测量,电网,故障,TMS320VC5402

参考文献

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[3]梁雁农高频电压测量中检波效率的线性化处理[J].仪器仪表学报,2006,27[6]:579-582,652.

基于多线程技术的天线实时测量系统 篇8

随着计算机技术和现代电子测量技术在仪器领域的应用和普及,特别是电子测量仪器计算机接口及相应标准的出现,使得计算机与仪器间的通信简单易得,用户可以通过计算机程序进行仪器控制和数据读取与存储,这些技术的发展使得天线自动测量系统的实现成为可能[1,2,3,4]。

以往基于单线程的简单测量系统,对用户操作的响应以及多任务之间的切换需要使用“中断处理”来完成,极大地影响了系统的实时性和工作效率,测量过程中软件进入数据读取与存储的循环过程,使得用户界面进入“假死”状态,无法对测量进行控制和了解系统测量的实时进度。为了弥补这些不足,需要做到多任务的并行工作,而多线程技术以其避免阻塞、同时执行多项任务、减小运行过程和用户界面的相互影响,以及最大程度地利用多处理器性能的独特优点很好地满足了这一要求[5,6]。

本文设计了一套基于多线程技术的天线实时测量系统,提供了布局简洁而功能完善的用户界面,可以完成所有测量参数的输入和设置并及时响应用户操作,使用不同线程实现多个任务的并行工作,提高系统实时性,在用户界面实时更新显示仪器的运行状态和系统的测量进度以供用户了解系统状态,同时实现了测量数据的实时读取和保存,便于后期的进一步处理和研究[7,8,9]。

1 系统概述

1.1 系统工作原理

本测量系统使用旋转天线测量法,辅助天线(源天线)连接到矢网发射端口,待测天线连接到矢网接收端口,使待测天线的待测平面与转台旋转平面平行,使用矢网测量不同角度的传输参数(S参数),利用这些数据便可以做出特定频率下的天线方向图。此外矢网的扫频特性为天线测量提供了另外一个优势,即在一次测量中,可以得到在某一频段内多个频点的测量数据,可以通过对比不同频点的数据和天线方向图对天线的频率特性进行比较和分析。

1.2 系统组成

该测试系统由五部分组成:微波暗室,计算机(系统软件),矢量网络分析仪,程控转台和源天线。其布局如图1所示。

主控计算机与矢量网络分析仪通过LAN线互连,与传统的GPIB总线模式比较,突破了通信距离限制,具有数据流量大、控制灵活、易于设备共享、数据共享等优点[10]。

矢量网络分析仪用于扫频信号的发射与接收,源天线通过同轴线与连接到矢量网络分析仪功率发射端的功率放大器相连,待测天线通过同轴线与矢量网络分析仪的功率接收端口相连。

主控计算机与转台控制箱通过USB接口相连,不需要考虑转台控制的机械流程,只需要编程完成与控制箱的通信,即可控制转台和获取转台状态数据。

矢量网络分析仪与转台控制箱之间通过BNC接头同轴电缆连接,转台控制箱通过此电缆向矢量网络分析仪发送测量所需的触发脉冲。

2 系统软件实现

编写系统软件使用的编译环境是基于VC++的MFC(Microsoft Foundation Classes),使用面向对象的程序设计(Object Oriented Programming,OOP)方法[11,12,13],分别使用基于VISA(Virtual Instrument Software Architecture)库的SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)指令和Mint运动控制语言进行编程完成计算机与矢量网络分析仪和转台的通信,控制仪器并读取信息和数据[14,15]。

2.1 软件分层结构与信息交互

系统软件是整个系统的控制核心,它的功能对用户是透明的,对于用户而言,只要选择和输入了正确的测量参数,系统就能自动完成相应的测量功能。

根据软件需求和功能,可将其分为三层结构部分:用户界面部分、数据处理部分和硬件接口部分。

系统软件各层之间的信息交互如图2所示。

用户界面部分,响应用户操作,将硬件设置传输到硬件接口部分,将输入数据送到数据处理部分,同时将数据处理部分送来的数据与状态信息显示给用户,使用户可以便捷地完成测量控制与监控。

数据处理部分,一方面将硬件接口传递来的数据与状态信息进行处理,转换为用户需要的格式以供显示和存储;另一方面将用户设置的数据信息转换为数据指令交给硬件接口部分。

硬件接口部分,完成计算机与仪器之间的通信,一方面将指令和数据等程序语言转化为仪器可识别的机器语言输送到仪器;另一方面将仪器传输回来的数据和状态信息等转换为可编程处理的数据,以供数据处理部分使用。

2.2 软件任务分析

根据系统工作原理,系统软件需要完成以下任务:

(1)建立计算机与转台控制箱之间的通信:建立通道,使计算机可以读取转台实时运行状态,并可以随时控制转台以改变其运行状态。

(2)转台运行状态的显示:将转台运动速度及角度信息显示到用户界面并实时更新。

(3)转台运行参数的设置:按照用户输入设置转台的运动速度、起止位置以及脉冲输出方式,并控制其运动的起止。

(4)建立计算机与矢量网络分析仪的通信:建立通道,使计算机可以读取矢网状态及测量数据,并可以随时控制矢网以改变其运行状态。

(5)矢量网络分析仪的初始化以及测量参数的设置:使用基于VISA库的SCPI指令,对矢网进行初始化使其进入测量状态,按照用户输入完成测量参数的设置。

(6)测量数据存储文档的建立与更新:在计算机中建立文档用于测量数据的存储,将测量过程从由矢网读取的测量数据按特定格式进行实时记录。

(7)系统测量进度的显示:在测量过程中的软件运行节点、测量过程中完成某次测量时以及测量完成后输出相应提示性文字到用户界面。

在实时测量系统中,要求计算机能同时完成多项任务,且具有很高的实时性要求,多线程技术以其避免阻塞、能同时执行多项任务、减小运行过程和用户界面的相互影响,以及最大程度地利用多处理器性能的独特优点很好地满足了这一要求[7,8,9]。

2.3 软件多线程的实现

MFC中有两类线程,用户界面线程和工作者线程。前者有自己的消息队列和消息循环,一般用于处理独立于其他线程执行之外的用户输入,响应用户及系统所产生的事件和消息等;后者没有消息循环,通常用来执行后台计算和维护任务,如冗长的计算过程,数据的循环读取等。

任意一个MFC程序至少具有一个线程,也是程序的主线程。通过主线程能够生成或终止任意多的线程,主线程一直存在直至程序终止[7]。其中用户界面线程是程序默认启动的主线程,主要实现软件的运行和响应用户操作及控制。根据软件任务分析部分,在主线程中生成三个工作者线程,通过计算机与测量仪器的通信,完成仪器参数的设置以及数据的实时采集、处理等后台工作。

各线程工作顺序及生存时间如图3所示。

三个工作者线程所完成的具体工作如下:

转台状态线程:建立计算机与转台控制箱的通信,不断读取转台的位置信息和速度信息并将其更新显示到用户界面,对应软件任务分析部分的任务(1)和(2),流程如图4所示。

转台启动线程:首先进入等待状态,在矢网初始化以及数据文档建立完成后,向转台控制箱发送指令设置转台的运行参数使其开始运动,对应软件任务分析部分的任务(3),流程如图5所示。

矢网工作线程:其功能为向矢网发送指令进行初始化设置,使矢网进入触发等待状态,并建立数据存储文档,在测量过程中不断读取矢网的测量状态,每完成一次测量,将测量数据读取并保存到文档中,同时将测量进度显示到用户界面,对应软件任务分析部分的任务(4)~(7),流程如图6所示。

3 系统性能

3.1 系统软件用户界面

系统软件用户界面根据功能进行区域划分和布局,保证视图清晰和操作方便,如图7所示,其中序号标注的区域功能如下:

(1)系统菜单:可以完成一些系统常规设置,如仪器切换,数据输出格式以及仪器运行方式的选择等。这些设置不需要经常改动,对于一般测试使用默认设置即可。

(2)常用设置:用于输入矢网测量参数和转台运行参数,以及文件输出位置的选择和自定义文件名的输入。此部分为系统运行时经常需要改动的设置,与用户交互频繁。

(3)测量控制:控制测量的启动与停止,也可以在非测量状态下控制转台的运行。用户对此部分进行操作便可完成对系统运行的控制,以及对转台进行位置调整等。

(4)系统运行状态显示:实时显示转台的转动速度和当前位置,在测量过程中不断更新显示系统的运行进度。通过这些信息用户可以对系统状态了如指掌,以便做出适当操作。

3.2 测量实例

选择实验室内BJ-32标准矩形角锥喇叭天线,使用Agilent和Anritsu矢量网络分析仪分别进行测量,相关参数见表1。

选取两次测量所得数据文档中3.26 GHz频率点的数据做出天线归一化方向图,如图8和图9所示。

4 结论

本系统以计算机为核心,充分利用了实验室先进仪器的计算机通信接口,系统软件的用户界面布局清晰、功能全面,减少了对仪器的直接操作,对贵重仪器起到了保护作用从而降低了维护费用。系统中使用矢量网络分析仪使得系统具有一次性扫描测量便可获得多频点天线数据的能力。编程中采用通用标准指令,增强了软件的可移植性和可扩展性。多线程技术的使用,实现了多任务的并行工作,满足了系统实时性要求,使用户可以通过用户界面直观了解到系统运行状态及测量进度,同时还可将天线测量数据即时读取并保存,以便进一步处理和研究。

摘要：建立了一套基于多线程技术的天线实时测量系统。实时测量系统具有很高的实时性要求,多线程技术以其能同时执行多项任务、最大程度利用多处理器性能的独特优点很好地满足了这一要求。系统软件用户界面可以完成所有测量参数的输入和设置并及时响应用户操作,除此线程外建立额外的工作者线程实现其他功能的并行工作,提高系统实时性,在用户界面实时更新显示仪器的运行状态和系统的测量进度以供用户了解系统状态,同时对测量数据进行实时地读取和保存,便于后期的进一步处理和研究。

实时测量 篇9

1 测量的误差源及局限性

(1) GPS误差源。GPS测量中出现的各种误差按其来源大致可分为三类。 (1) 与卫星有关的误差。主要包括卫星星历误差、卫星钟的误差、地球自转的影响和相对论效应的影响等; (2) 信号传播误差。主要为电离层影响、对流层影响、多路径效应的影响等; (3) 观测设备和接收设备即仪器误差的影响也很大。

通常可通过采用适当的方法减弱或消除上述误差的影响。

(2) RTK的误差源。 (1) 基准站点位精度的影响; (2) 模糊度解算误差; (3) 动态基线解算误差; (4) 坐标系统转换误差; (5) 天线对中等人为产生的误差。

其中 (2) (3) 项的解算, 程序已被编入主机, 其误差已得到了控制, 坐标系统转换误差在于如何解算坐标转换参数。因此, 外业过程中特别注意气泡居中, 减少偶然误差, 消除人为误差, 以提高精度。

(3) 局限性。 (1) 在树木茂密及城市高楼地区, G P S信号受到遮挡, 无法作业; (2) 数据链受发射功率及地形障碍物阻挡影响, 致使R T K作用距离有限, 一般丘陵地区, 城区为5 k m; (3) 数据链容易受到干扰, 距房屋、树木较近处信号接收较困难。在稍有树木遮挡的地方需几十分钟才能测定坐标。

2 RTK在测量工作中的应用

2.1 用于工程放样测量

一般作业方法是:首先确定控制点及其坐标系、坐标转换参数的求解方法。把放样点的坐标或线及桩号成批地存入掌上电脑R T K手薄中。选择地势高、无干扰、宽阔的已知点架设基准站, 设置好基准站, 使接收机至少收到5颗以上卫星, 数据链发射正常, 测量人员设置好流动站, 在快速初始化完成后可以开始作业。从R T K手薄中提取要放样的点或线, 手簿电脑中立即显示当前测量点距放样点或线的纵横坐标差D x、D y、S以及方位, 并以图形方式显示出来, 同时显示测量的点位精度水平, 当精度水平达到期望值可结束该点的放样, 操作起来比较直观、方便。采用RTK放样, 单人就可以作业, 工作效益很高, 同时, 作业时不必布测常规的导线, 节省了大量的人力, 在道路条件差的地方相当方便。如在某厂区的道路放桩中, 该地区灌木、小叶桉树密度高, 如果用全站仪放桩, 必须花费大量的人力去砍树开路以便通视, 并且还需要布置导线, 采用R T K方法不需要顾及这些, 常规方法需要1 0天的工作, 使用该方法约2天即可完成。高程测量方面。GPS测量的高程误差与常规水准不同。它主要取决于拟合面与大地水准面的符合程度。实践已经证明了G P S进行高程控制测量的可行性。为提高高程精度, 可采用适当控制流动站跟基准站的距离以及高程拟合等方法, 在小范围及地形起伏不大的地区, 一般可获得优于0.1 m的精度水平。

2.2 用于水下地形测量

以往水深测量多用经纬仪交会法或全站仪定位, 受气象因素影响大, 精度难以保证, 也很难控制测船行使在测深断面上, 而且手工成图时间长。如今, 当使用了D G P S或RTK定位技术, 配合专门的水下地形测量软件, 如H Y P A C K海洋测绘软件, 水下地形测量已走上了自动化测量的轨道。从水深断面的布设、水深点采集及最后成图等, 都可在计算机上完成, 即使遇到水上多雾天气也不会受影响, 大大缩短了测量时间, 并且做到测深定标与定位的时间完全同步。G P S天线与测深仪换能器可装在同一位置, 做到测深点与定位位置完全重合, 从而提高测深质量。以往一个水深测量组需要1 0人左右, 现在只要4~5个人就能完成。基准台的数据链在水上传播可达1 5 k m。作业时不紧张, 降低劳动强度, 提高工作效率。动态R T K技术用于水深测量, 如果增加换能器姿态修正, 则可实施高精度无验潮水下地形测量成图, 其精度完全满足任意比例尺的测图, 彻底改变了传统的作业方式。

2.3 RTK用于控制测量

由于RTK测量在20KM内点位平面标称精度为±3 c m, 根据控制测量规范要求Ⅰ级导线点的点位误差为±3 c m, 从理论上讲R T K测量完全可以满足Ⅰ级以下导线点的技术规范要求。

在某工程道路放桩R T K测量中, 我们对距离基准站1km~6km的一些四等GPS控制点采用一点法进行检核比较, 结果表明平面坐标分量最大差值为3.1 c m, 高程最大差值为4.9 c m, 完全符合Ⅰ级导线点的规范精度要求。

在某工程1∶1000数字地形图测绘任务中, 测区长约7km, 宽0.7km, 面积约5km2。整个测区采用Ashtech Z-X双频GPS接收机用静态法共布测了5个四等GPS点, 21个一级G P S点, 点位均匀分布, 最弱点点位中误差为 (Mx:4.0cm, My:3.9cm) , 并联测了四等水准高程。为了进一步检核Ashtech Z-X双频GPS系统的测量精度, 采用G P S控制点联测法均匀地检测了其中1 2个G P S控制点, 基准站设在测区中间。G P S测量坐标值与静态联测法坐标值的较差X坐标中误差为±3.1cm, Y坐标中误差为±2.3 c m, H高程中误差为±5.0 c m, 结果完全可满足Ⅰ级导线点 (5″以下) 的规范精度要求。

尽管GPS测量的标称精度及实测精度完全满足Ⅰ级导线点5″点以下的规范精度要求, 但目前的规范对利用G P S测量进行Ⅰ级导线甚至更高的精度的控制测量, 其采集数据的方法, 数量等等还没有明确的规定, 因此还需要用大量的实践来证实。实际测量中还必须采取足够的检核手段, 确保测量的确性。

3 应用RTK作业应注意的问题

(1) G P S作业由于每个测点都是独立的观测量, 缺乏相关联的检核手段。因此, 在作业前后, 在测区内找均匀分布的已知控制点进行检核, 是目前较好的检核手段。 (2) 坐标转换方法, 如控制联测法, 单点法等所测量的点位精度不同, 作业时应依据任务要求, 测区大小使用不同的方法。 (3) R T K采用V H F超高频无线电波做数据链, 容易受到电信发射塔, 无线电台, 高压电以及地形起伏条件的影响。因此, 基准站应尽可能远离干扰源, 并位于地势高处, 对天条件好。 (4) R T K系统测量时仪器的连线电缆, 配件较多, 特别是基准站发射电台的鞭状天线, 价格昂贵且目前国内没有替代产品, 因此注意保护仪器, 防止人为丢失及损坏也是值得注意的问题。

参考文献

[1]周忠漠, 易杰军, 周琪.G P S卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社, 1997.

实时测量 篇10

1 RTK在线路工程测量中的应用

在线路测量中, R T K主要用作线路定线、定位。即先任意假设一基准点, 并在此基准点上架好基准站:基准站的设置中输人假设的基准点的54坐标和84坐标 (84坐标可现场单点求得) 及假设高程, 然后由RTK流动站先测量选定的两转角的坐标及高程, 依据转角的坐标在其间由RTK动态测量中点放样或直线放样方式, 加密放样一定数量的直线桩以及定测塔位桩。注意: (1) 每个桩段测量必须使用同一基准站; (2) 两台流动站的转换参数必须一致。

RTK应用在线路测量中的优越性主要表现在:不用考虑现场通视情况, 误差不会累积, 不仅大大提高工作效率, 定线精度也提高了;RTK定线测量精度在随后的工测定位, 组校测时得到检验和保证, 证明RTK测量完全能够满足线路定线、定位测量的精度要求。如2004年某500kV终勘定位工程, 全长300km, 航测成图, 全线GPS外控作了许多基准点, 终勘定位时全部利用RTK定线、定转角塔位。见表1。

2 RTK在线路控制测量中的应用

控制测量时, 主要利用R T K静态测量作导线控制测量及动态测量做图根点测量。

(1) 导线控制测量:

用两套RTK (即每套有流动站和基准站各一台) , 将其电台频率点调为一致, 这样在静态测量时共有4台RTK。每时段构成一个四边形, 六条边, 固定强度较大。利用R T K静态作首级、Ⅱ级控制测量, 先依测区情况布置好控制网, 四台RTK测量, 每次二台RTK流动, 另二台RTK固定作上下两时段的公用边, 依次流动;注意:每天四台R T K最好每时段同时开、关机, 记录好每站的测量时间段、天线高、天线半径及测站名。

测量后, 在Windows下运行RTK静态观测数据平差软件WinPrism, 由Transfer传输数据至微机, 在Process下, 将每站的文件名及天线高、天线半径更改, 然后作基线处理, 处理完毕后, 查看summaty结果, 每条基线边必须为fixed即为正确, 否则应该去掉这条边:整个控制网观测完毕后, 合并全部观测数据, 重新整体基线平差处理, 去掉未fixed的基线边:基线平差处理完毕, 就该由Adjust进行网平差, 先进行无约束自由网平差, 再进行有条件约束自由网平差:最后Tools坐标投影, 将各个控制测量点坐标由84坐标投影为3°或6°带Grid网格坐标。

结果分析:分析网平差结果, 首先检查单位权中误差S.E的值:如果S.E小于或等于1, 说明平差初步结果是好的, 但还须检查平差向量A.V, 以分离有问题的基线, 比较V是否大于3.0, 一个向量的v’大于3.0意味着其残差大于3倍中误差, 可能是该向量离散有问题。如果某一测站所有向量都离散, 则该测站值得怀疑:如果S.E大于1, 说明数据有缺陷或约束条件不当, 可能的问题是基线处理不当或观测值的数据不适当所致。对有问题的测站和基线向量应修改或删除数据, 重新进行平差及分析结果。 (见表2:某公路工程观测数据) 。

(2) 动态测量做图根点:

即将一台RTK支在一基准点上作基准站, 设置好基准站后, 另一台 (多台) RTK作动态流动, 测量每个图根点时只要置平测杆且手持器上坐标及高程收敛 (显示fixed) , 即可作好注记并测量记录下来。

R T K静态作导线首级控制测量, 我们曾用工测激光仪加密作n级导线, 方位角闭合差为15″, 坐标及三角高程精度均完全满足导线测量精度要求:另外用动态测量对RTK静态导线控制1级导线测量进行了校测。

3 RTK在地形测量中的应用

R T K作地形测量, 即利用其动态测量方法来测量地形图。一台RTK架设在一己知控制点上, 设置好基准站, 另几台R T K则作为流动站:手持器上建立好工作簿, 即可由流动站开始测量地形图采集数据。每天采集的数据依TDS动态数据传输软件中Transfer传输到微机 (文件名为***.cr5) , 然后在软件中选conversion将****.cr5转换为ASCII码文件输出 (文件名***.dat) , 再由数据处理软件将文件****.dat转换为《工程测量CAD软件包》需要的数据格式文件, 由此软件包生成图形文件。

运用RTK来测量地形图, 可以一台作基准站, 另几台同时流动, 流动站操作只须一个人, 测量起来在手持器上只要观察好点位坐标及高程的收敛值 (最好显示fixed) , 按Fl (start) 开始测量记录, 正常情况下外业每分钟可采集一点:既节省人力, 减轻劳动强度, 又操作方便, 提高工作效率。如测量某公路工程时, 工程东西两侧的山区, 绿化得十分好, 树林高大而茂密, 通视条件十分困难, 甚至穿越行走都十分困难, 常规测量根本无法测量地形图, 于是利用RTK动态测量采集数据, 迅速而圆满地完成测量任务, 而且能较高地保证测图精度。

4 结语

R T K在测量中的应用, 带来了程测量技术的革新, 改变了过去对传统普通工程测量仪器的过分依赖, 既大大减轻外业劳动强度, 又提高了测量精度及工作效率。通过以后使用软件的不断升级, 以及后续的不断开发研究, RTK一定会在工程测量中得到更加广泛的应用。

参考文献

[1]吴展德.RTK技术及其原理研究[J].科技资讯, 2008 (1) .