基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的炮彈落點(diǎn)定位技術(shù)的研究*

孔雁凱，關(guān)詠梅，郭 濤，*，馬其琪

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中北大學(xué)，太原030051；3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的炮彈落點(diǎn)定位技術(shù)的研究*

孔雁凱1，2，關(guān)詠梅3，郭 濤1，2，*，馬其琪1，2

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中北大學(xué)，太原030051；3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

針對(duì)現(xiàn)有的炮彈落點(diǎn)定位的缺點(diǎn)，提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)炮彈落點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)。首先，采用到達(dá)時(shí)間差對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自定位，然后在傳感器節(jié)點(diǎn)中集成加速度傳感器，利用炮彈撞擊地面產(chǎn)生的地震波對(duì)炮彈落點(diǎn)進(jìn)行定位。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)炮彈落點(diǎn)的定位。對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明，隨著振動(dòng)信號(hào)的減弱，接收到的信號(hào)幅值明顯減小，利用此方法可以對(duì)炮彈落點(diǎn)進(jìn)行初步的定位。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；炮彈落點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)定位；加速度傳感器

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Networks）作為傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的交叉與融合的產(chǎn)物，它將地域上分散的、具有通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)有機(jī)互聯(lián)起來(lái)，為實(shí)現(xiàn)全球物理感知提供了可能，并在工業(yè)安全、交通管制、精細(xì)農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及國(guó)防等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景［1］。如圖1所示為典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，其中包括傳感節(jié)點(diǎn)（Sensor Node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node）以及互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星和管理節(jié)點(diǎn)等。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要目的是收集監(jiān)測(cè)到的原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行多調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)和處理［2］。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署到研究區(qū)域中收集和轉(zhuǎn)發(fā)信息、協(xié)助完成指定任務(wù)的對(duì)象。傳感器節(jié)點(diǎn)由四個(gè)模塊組成：微處理器模塊、無(wú)線通信模塊、傳感器模塊和電源管理模塊，如圖2所示。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

對(duì)于無(wú)線定位技術(shù)而言，由于其通信環(huán)境的復(fù)雜性及不確定性，導(dǎo)致了無(wú)線定位技術(shù)本身十分復(fù)雜，但就總體而言，無(wú)線定位技術(shù)是朝著提高定位精度、定位穩(wěn)定性及可行性方向發(fā)展。根據(jù)傳播介質(zhì)的不同，無(wú)線定位技術(shù)分為超音波定位技術(shù)、紅外激光定位技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（GPS）、雷達(dá)定位技術(shù)及無(wú)線電定位技術(shù)［3］。

超音波在空氣中傳播時(shí)，頻率越高衰減的越厲害，所以對(duì)于范圍較廣的定位環(huán)境，超音波定位技術(shù)不再適用。紅外激光定位技術(shù)受天氣因素影響較大，且方向性強(qiáng)，對(duì)于移動(dòng)的目標(biāo)的找尋較困難。全球定位系統(tǒng)（GPS）由于其定位原理的特殊性，要求信號(hào)路徑上不能有遮擋，且GPS定位成本較高，同樣不適用于炮彈落點(diǎn)定位中。雷達(dá)定位系統(tǒng)的探測(cè)距離可以遠(yuǎn)至數(shù)千米之外，但由于雷達(dá)造價(jià)很高，整體設(shè)備過(guò)于龐大，不能滿足體積小、成本低等條件。無(wú)線電定位技術(shù)方向性不強(qiáng)，容易接受，且無(wú)線電設(shè)備具有造價(jià)較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)［4］。綜上所述，無(wú)線電定位技術(shù)比較適合于炮彈落點(diǎn)定位中。

靶場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試彈丸的射程、射擊精度等，均需要確定彈丸的落點(diǎn)，以便獲取事先安裝在彈頭的“黑厘子”［5］。目前，我國(guó)的靶場(chǎng)試驗(yàn)中，對(duì)炮彈地面落點(diǎn)的檢測(cè)還主要釆用人工排查的方法。但由于試驗(yàn)靶場(chǎng)的地形、地貌比較復(fù)雜，人工檢測(cè)落點(diǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、安全性差，很難找到彈丸，對(duì)于連發(fā)炮彈的落點(diǎn)檢測(cè)更是無(wú)能為力［6］。所以，尋找一種彈丸落點(diǎn)的自動(dòng)檢測(cè)方法時(shí)非常有必要的，為靶場(chǎng)彈丸性能試驗(yàn)時(shí)落點(diǎn)定位裝置的研究奠定基礎(chǔ)。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自定位

若要進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，其重要條件就是節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的自定位。由于節(jié)點(diǎn)工作區(qū)域或是人類不適合進(jìn)入的區(qū)域，或者是敵對(duì)區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)有時(shí)甚至需要通過(guò)飛行器拋撒于工作區(qū)域，因此節(jié)點(diǎn)的位置都是隨機(jī)且未知的［7］。在許多應(yīng)用中，傳感器感知的數(shù)據(jù)需要結(jié)合其位置信息才有實(shí)際意義。所以，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的自身定位對(duì)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分重大的意義。

1.1 定位原理及定位模型

TOA算法的定位精度與信號(hào)到達(dá)時(shí)間的精度有非常密切的關(guān)系，對(duì)各個(gè)傳感器通道響應(yīng)的時(shí)間同步性要求很高，容易受到微小誤差的影響；DOA法在平面定位中易受到角度分辨率、多路徑效應(yīng)和噪聲等的干擾；TDOA法是利用不同通道間的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差而實(shí)現(xiàn)定位，該方法可以抵消相同干擾因素對(duì)信號(hào)造成的時(shí)間誤差，是一種應(yīng)用廣泛的目標(biāo)定位技術(shù)［8］。因此，采取TDOA定位法對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自定位。

1.2 TDOA定位法

TDOA定位原理的實(shí)質(zhì)是利用雙曲線進(jìn)行定位，該方法通過(guò)對(duì)三個(gè)或多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)釆集到信號(hào)所用的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位［9］。以信號(hào)源的目標(biāo)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差可以確定一條雙曲線，該雙曲線以這兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為焦點(diǎn)。雙曲線上的任意一點(diǎn)到兩焦點(diǎn)的距離差為定值，該定值即為信號(hào)源到兩檢測(cè)點(diǎn)的距離差。如果利用三個(gè)檢測(cè)點(diǎn)就可以確定兩條雙曲線，并且能夠得到兩個(gè)雙曲線的交點(diǎn)，信號(hào)源必定在雙曲線的交點(diǎn)中，利用方向信息可以排除虛假點(diǎn)，最后剩下的唯一交點(diǎn)即為目標(biāo)的位置［10］。

圖3 TDOA定位算法

設(shè)三個(gè)可用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)記錄到目標(biāo)信號(hào)的時(shí)間分別為T1、T2和T3（T1＜T2＜T3），信號(hào)的傳播速度為光速c，可得雙曲線方程：

經(jīng)過(guò)解方程，即可得到目標(biāo)信號(hào)源的位置M（x，y）［11］。

2 炮彈落點(diǎn)定位及硬件設(shè)計(jì)

彈丸落地時(shí)會(huì)與地面撞擊產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和震動(dòng)，此時(shí)的沖擊和震動(dòng)與人工振源相類似，通過(guò)加速度傳感器感應(yīng)此振動(dòng)并分析振動(dòng)信號(hào)，即可推斷出彈丸的落點(diǎn)。對(duì)于彈丸落地時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，采用Colibrys VS9000系列的加速度計(jì)來(lái)進(jìn)行感知和采集。

Colibrys VS9000系列是一個(gè)電容式MEMS加速度計(jì)，它是由一個(gè)體硅微加工工藝制成的硅表頭元件，一個(gè)低功耗ASIC專用信號(hào)處理器和一個(gè)存儲(chǔ)補(bǔ)償值的微處理器以及一個(gè)溫度傳感器等元件組成。該產(chǎn)品是一個(gè)低功耗的，校準(zhǔn)的，耐用的和性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。其電子配置中帶有一個(gè)電源重置以防止電壓不穩(wěn)的全保護(hù)裝置。這種可變電容傳感器可專門用來(lái)提供大的帶寬。VS9000系列的引腳定義如圖4所示。

圖4 VS9000系列引腳定義圖

VS9000系列的電氣連接如表1所示。

表1 VS9000電氣連接

采用加速度傳感器VS9100來(lái)感知彈丸撞擊地面產(chǎn)生的振動(dòng)，加速度傳感器的原理圖如圖5所示。

加速度傳感器的工作電壓為5 V，所以第5引腳VAGND應(yīng)為2.5 V。加速度傳感器的輸出為2.5 V加采集到的振動(dòng)信號(hào)，滿量程為4.5 V。之后采用AD623對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)電阻分壓后已符合CC2530的輸入要求。由式（1）和式（2）可以得出R3與R4的阻值。如圖6為信號(hào)放大電路。

圖5 加速度傳感器電路圖

圖6 信號(hào)放大電路

放大倍數(shù)的計(jì)算公式：

對(duì)于超出測(cè)量范圍的振動(dòng)信號(hào)而言，采用MAX293對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波，濾波電路如圖7所示。

圖7 濾波電路

MAX293是單片8階低通橢圓開關(guān)電容濾波器，當(dāng)外部時(shí)鐘改變fc時(shí)，等效電阻R改變，從而改變了濾波器的時(shí)間常數(shù)，也就改變了低通濾波器的通頻帶［12］。等效電阻R的表達(dá)式如式（3）所示。

式中，C為開關(guān)電容組電容，fc為濾波的時(shí)鐘頻率。

MAX293的8腳為輸入接VS9100的輸出，5腳為輸出，調(diào)整電容C5即可改變截止頻率，完成預(yù)期的濾波過(guò)程。

系統(tǒng)的供電電路如圖8所示，78L05是單片集成電路穩(wěn)壓器，其中都含有濾波電路，可以有效的降低外界噪聲的干擾。但由于78L05最大輸出電流只有100 mA，所以采用兩個(gè)穩(wěn)壓器來(lái)提高輸出電流以滿足整個(gè)系統(tǒng)的要求。

圖8 供電電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序需要完成對(duì)硬件電路的初始化、核心芯片的工作方式、組網(wǎng)以及射頻模塊的通信狀態(tài)等。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即感知節(jié)點(diǎn)的工作流程圖如圖9所示。感知節(jié)點(diǎn)加電啟動(dòng)后首先要完成節(jié)點(diǎn)初始化。初始化完成之后，即可準(zhǔn)備加入網(wǎng)絡(luò)，若已存在網(wǎng)絡(luò)，則向網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求；若不存在網(wǎng)絡(luò)則需繼續(xù)等待加入網(wǎng)絡(luò)。感知節(jié)點(diǎn)選擇網(wǎng)絡(luò)完畢后，自組織地進(jìn)行分簇，將采集到的數(shù)據(jù)以多跳的方式發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，再由簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送至網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)［13］。為了能夠最大化的使用有限的能量，當(dāng)無(wú)任何命令時(shí)，節(jié)點(diǎn)將會(huì)進(jìn)入休眠模式，當(dāng)有新的命令要執(zhí)行即操作中斷發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)立刻進(jìn)入工作狀態(tài)完成命令。

簇頭節(jié)點(diǎn)工作流程如圖10所示。簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收狀態(tài)之后，接收端會(huì)持續(xù)的檢測(cè)空中的信號(hào)，判斷系統(tǒng)工作的關(guān)鍵字ID是否匹配，濾掉雜波。若匹配的話則接收下面所發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)加以校驗(yàn)判斷，數(shù)據(jù)無(wú)誤再發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)［14］。發(fā)送完畢后進(jìn)入低功耗模式。

圖9 感知節(jié)點(diǎn)工作流程圖

圖10 簇頭節(jié)點(diǎn)工作流程圖

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖11所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)加電啟動(dòng)后首先創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，等待傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。待節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，會(huì)對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇并推選出簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的命令，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、收發(fā)及控制設(shè)備。

圖11 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程圖

4 測(cè)試結(jié)果與分析

本次測(cè)試采用的是TIRA傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，測(cè)試環(huán)境如圖12所示。

圖12 振動(dòng)臺(tái)測(cè)試環(huán)境

該系統(tǒng)包括TV5220型振動(dòng)臺(tái)，BAA1000功率放大器，ENDEVCO公司生產(chǎn)的電荷放大器以及TIRA自主研發(fā)的VibrationVIEW校準(zhǔn)軟件，能夠?qū)Σ煌淼募铀俣燃斑M(jìn)行校準(zhǔn)，并且能夠測(cè)試與標(biāo)定過(guò)載、振動(dòng)以及沖擊傳感器的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。

利用振動(dòng)臺(tái)對(duì)加速度傳感器進(jìn)行高頻振動(dòng)。由于彈丸落地時(shí)與地面撞擊產(chǎn)生的沖擊和震動(dòng)人工振源相類似，所以使用振動(dòng)臺(tái)模擬彈丸落地時(shí)的震動(dòng)，來(lái)測(cè)試在不同的頻率和g值下傳感器輸出的電壓值。首先將整個(gè)系統(tǒng)固定于振動(dòng)臺(tái)上，設(shè)置不同的頻率和g值對(duì)其進(jìn)行定頻振動(dòng)測(cè)試，設(shè)置如圖13所示，記錄其輸出的電壓值，將記錄的數(shù)據(jù)寫入如表2所示的表格中以方便計(jì)算。

圖13 定頻振動(dòng)測(cè)試

測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表2可以看到在不同g值時(shí)的輸出電壓差別較大，而相同g值且不同頻率的情況下輸出電壓十分接近。這是由于采用的加速度傳感器只對(duì)加速度敏感，而頻率的加入是為了測(cè)試系統(tǒng)的頻響。

表2記錄的輸出值為有效值，乘以 2即為最大值，最后除以該輸出值對(duì)應(yīng)的g值即可計(jì)算出該系統(tǒng)的靈敏度。為了靈敏度計(jì)算的準(zhǔn)確性，取中頻即1 000 Hz時(shí)的輸出值來(lái)計(jì)算，所以有X軸的靈敏度為：

表2 定頻振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

系統(tǒng)的Y軸和Z軸靈敏度的計(jì)算同上。

最后將整個(gè)系統(tǒng)與振動(dòng)源放置于同一平臺(tái)，移動(dòng)振動(dòng)源使兩者之間的距離變化，記錄系統(tǒng)的輸出值。如圖14所示為振動(dòng)源與系統(tǒng)距離1 m時(shí)的輸出波形，圖15所示為振動(dòng)源與系統(tǒng)距離10 m時(shí)的輸出波形。

圖14 距離1 m時(shí)輸出波形

圖15 距離10 m時(shí)輸出波形

所以當(dāng)振動(dòng)源遠(yuǎn)離系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)的輸出減小，且變化十分明顯。當(dāng)炮彈落地時(shí)產(chǎn)生沖擊，系統(tǒng)可以根據(jù)靈敏度及輸出值推算出落地點(diǎn)，從而對(duì)炮彈落點(diǎn)進(jìn)行定位。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)綜合利用傳感器技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與模擬電子技術(shù)等方面的知識(shí)，完成了對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了以微處理器、射頻芯片與加速度傳感器為核心的定位系統(tǒng)。利用TDOA定位算法首先對(duì)布撒在工作區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自定位，確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。然后采用VS9100加速度傳感器敏感元件及儀表放大器

AD623采集周圍環(huán)境中的振動(dòng)信號(hào)，并上傳至監(jiān)控中心進(jìn)行處理。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠完成初步的定位任務(wù)，具有傳感器節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確性好、可靠性高、體積小等特點(diǎn)，為炮彈落點(diǎn)的定位提供了有力的保障，具有較大的應(yīng)用價(jià)值與前景。

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孔雁凱（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

郭 濤（1971-），男，教授，碩士，主要研究方向?yàn)閼T性測(cè)量系統(tǒng)、微器件的設(shè)計(jì)與制造。

Research of Projectile Impact Point Positioning Skill Based on Wireless Sensor Network*

KONG Yankai1，2，GUAN Yongmei3，GUO Tao1，2*，MA Qiqi1，2
(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Beijing Institute of Aerospace System Engineering，Beijing 100076，China）

In order to solve the disadvantage of projectile impact point positioning already have，a system positioning projectile impact point based on wireless sensor network is designed.First of all，sensor nodes were location themselves by TDOA.Acceleration sensor was integrated in sensor node.Projectile impact point localization by using seismic waves impact on the ground.On the basis of this，the software flow of the system is described so that the impact point location can be achieved.The test result show that with the signal of libration bate the amplitude received reduced apparently.Projectile impact point localization can be fulfilled.

wireless sensor network；projectile impact point；node location；acceleration sensor

TP212

A

1004-1699(2015)08-1201-06

??6150P；7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.08.017

項(xiàng)目來(lái)源：山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014011021-5）

2014-12-11 修改日期：2015-05-21