基于GPS授時(shí)及時(shí)鐘細(xì)分的管線破壞定位

系統(tǒng)工作過程：在管線的相鄰四個(gè)站點(diǎn)上各安裝一只聲壓傳感器，探頭伸入到管道內(nèi)部與管內(nèi)流體相接觸，當(dāng)管路中部某處遭受破壞或發(fā)生泄漏時(shí)，破壞點(diǎn)的特征聲波分別沿管線向兩端傳播至聲壓傳感器，聲波信號經(jīng)預(yù)處理后，提取能表征此聲波信號的特征參數(shù)；當(dāng)特征參數(shù)與模式訓(xùn)練得到的模式特征相匹配時(shí)，立即啟動同步時(shí)鐘中斷程序并記下特征聲波到達(dá)的時(shí)刻，以便與特征聲波信號到達(dá)另外站點(diǎn)的時(shí)刻比較，為破壞點(diǎn)位置計(jì)算做好準(zhǔn)備；特征聲波在流體中的傳播速度和各站點(diǎn)的時(shí)鐘同步精度決定著破壞點(diǎn)的定位精度，利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)UTC時(shí)間，可提供TTL電平秒脈沖，通過時(shí)鐘細(xì)分處理可以獲得更加精確的秒內(nèi)時(shí)間信息；貼有時(shí)間標(biāo)簽的特征聲波信號經(jīng)編碼以后，以GPRS無線數(shù)據(jù)設(shè)備為數(shù)據(jù)終端單元(DTU)，以移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)GPRS網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)傳輸通道，并在此信道上提供TCP/IP連接，將測點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)中心。

2.2 定位原理
當(dāng)聲壓傳感器接收到特征聲波信號后，依據(jù)此特征信號傳播至上下監(jiān)測站點(diǎn)的時(shí)間差和管內(nèi)聲波的傳播速度可計(jì)算出破壞點(diǎn)的位置。傳播介質(zhì)的壓力分布和密度分布以及介質(zhì)的物理形態(tài)等因素都將影響聲波的傳播速度。另外，還要考慮流體本身的流動速度的影響，因?yàn)樘卣髀暡ㄏ蛏嫌蝹鞑ツ嬷黧w的流動方向，而向下游則是順著流體的流動方向，因此采用圖2所示的定位原理，具有很快的響應(yīng)速度和較高的定位精度。

圖2 定位原理示意圖

其中 ：

D ― 管線中兩監(jiān)測站點(diǎn)1、2之間的距離，m；

s ― 破壞點(diǎn)距上游站點(diǎn)1的距離，m；

△s ― 監(jiān)測站點(diǎn)1與3、2與4之間的已知距離，m；

t0 ― 聲波信號產(chǎn)生時(shí)刻，s；

t1，t2， t3，t4― 聲波信號傳播至站點(diǎn)1、2、3、4的時(shí)刻，s；

△t13,△t24 ,△t12,△t01,△t02―分別為兩站點(diǎn)1與3，2與4，1與2，站點(diǎn)1，站點(diǎn)2接收到聲波信號的時(shí)間差，s；

聲波沿管線向上、下游的傳播速度分別為：

v上=△s/△t13 v下=△s/△t24 （1）

根據(jù)已知條件列出定位方程：

s = v上?△t01 D－ s = v下?△t02 △t12=△t01 － △t02 （2）

將式(1)代入式 (2)整理得定位公式：

s = (D?△t24+△s?△t12) / (△t13+△t24) （3）

由式(3)知，只要管線中上、下游各監(jiān)測站點(diǎn)準(zhǔn)確接收到貼有時(shí)間標(biāo)簽的特征聲波信號，即可精確確定破壞點(diǎn)位置。

3 基于GPS基準(zhǔn)時(shí)鐘同步與細(xì)分
3.1現(xiàn)場處理單元
現(xiàn)場處理單元是采集、處理和傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程終端單元(RTU)，包括核心處理單元、聲壓傳感器、聲音識別單元、GPS接收裝置以及GPRS數(shù)據(jù)無線通訊裝置等。圖3為現(xiàn)場處理單元的各部分硬件連接關(guān)系。

圖3 RTU系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)框圖

現(xiàn)場處理單元利用C8051F020單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，不用另行擴(kuò)展串口、ROM以及RAM。MCU有兩個(gè)硬件串口，這兩個(gè)串口的波特率產(chǎn)生是獨(dú)立的，而且不占用定時(shí)器，使用起來相當(dāng)靈活，分別對GPS授時(shí)模塊和GPRS DTU通信。GPS模塊把時(shí)間信息以固定的格式從串口發(fā)出，MCU接收GPS模塊送來的數(shù)據(jù)，解析出其中有用的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后以規(guī)定的格式通過第2個(gè)串口交給GPRS DTU，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送上Internet網(wǎng)。

3.2 GPS基準(zhǔn)時(shí)鐘同步
破壞點(diǎn)定位需要已知特征聲波信號傳播至上下游各站點(diǎn)的時(shí)刻，顯然，如果想得到準(zhǔn)確的時(shí)間差 ，必須保證用于分析的數(shù)據(jù)其起始時(shí)間保持一致。否則，即使能夠準(zhǔn)確捕捉到聲波的到達(dá)時(shí)刻，也會因?yàn)樾盘柕钠鹗紩r(shí)間不一致而得到有偏差的 。站點(diǎn)采樣時(shí)刻不同步，以此計(jì)算出的時(shí)間差就毫無意義，更談不上精確定位。因此，選用一個(gè)精度較高的授時(shí)系統(tǒng)以提供各站點(diǎn)的統(tǒng)一時(shí)間非常重要。

常規(guī)時(shí)鐘頻率產(chǎn)生方法都存在一定的問題，定位精度不能滿足要求。如晶體會老化，易受外界環(huán)境變化影響；原子鐘長期使用后也會產(chǎn)生偏差，需要定時(shí)校準(zhǔn)。在本設(shè)計(jì)中，解決這一問題的途徑是利用全球定位系統(tǒng)(GPS)為各站點(diǎn)統(tǒng)一授時(shí)，保證各站點(diǎn)時(shí)鐘同步，同時(shí)在采集到的數(shù)據(jù)內(nèi)加入其被采集到的時(shí)間信息，從而減少誤差。

GPS向全球范圍內(nèi)提供定時(shí)和定位的功能，全球任何地點(diǎn)的GPS用戶通過低成本的GPS接收機(jī)接受衛(wèi)星發(fā)出的信號，獲取準(zhǔn)確的空間位置信息、同步時(shí)標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間[4]。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將遠(yuǎn)程終端裝置RTU嵌入GPS信號接收裝置，定時(shí)校準(zhǔn)采樣時(shí)鐘，各遠(yuǎn)程終端裝置都以校準(zhǔn)的采樣時(shí)鐘為采樣依據(jù)，徹底解決了分布系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)鐘不同步問題。

選用Trimble Lassen SQ/IQ GPS接收模塊，使用NEMA0183格式的GPZDA數(shù)據(jù)信息。當(dāng)GPS接收器與GPS時(shí)鐘同步后，即會接收到信息。其格式為$ GPZDA，hhmmss.ss，xx，xx，xxxx，，*hh。信息包含時(shí)，分，秒，日，月，年以及加和校驗(yàn)等。