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        地鐵移動測量系統(tǒng)時間基準(zhǔn)傳感器性能測試技術(shù)研究

        2022-04-06 06:16:58鄒祿杰花向紅巢佰崇趙不釩李琪琪
        測繪工程 2022年2期
        關(guān)鍵詞:晶振穩(wěn)定度恒溫

        鄒祿杰,花向紅,巢佰崇,趙不釩,李琪琪

        (1.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院,武漢 430079;2.武漢大學(xué) 災(zāi)害監(jiān)測與防治研究中心,武漢 430079)

        地鐵移動測量系統(tǒng)(Subway Mobile Mapping System,SMMS)是一種由多個傳感器集成的軌道測量車[1],它具有快速、動態(tài)、高效、安全、精確的優(yōu)點[2],是移動測量技術(shù)在地下軌道交通的一次重要應(yīng)用[3]。對于SMSS這種多傳感器集成系統(tǒng)來說,由于參與集成的各個傳感器精度不同,其對目標(biāo)的測量周期不同步,且具有不同的傳輸時延等原因,導(dǎo)致融合中心接收到的不同傳感器的測量數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)異步問題,這些測量數(shù)據(jù)不能反映目標(biāo)同一時刻的運動狀態(tài)[4]。因此,要使SMMS包含的各種傳感器在動態(tài)測量過程中同步工作,必須要給各個傳感器提供一個統(tǒng)一的、高精度的時間基準(zhǔn)[5]。目前,在大地測量、地上工程測量、航空攝影測量等能接收GNSS衛(wèi)星信號的測量領(lǐng)域內(nèi),多傳感器集成系統(tǒng)的測量時間基準(zhǔn)一般由高精度的GNSS信號[6]來提供。然而,在地下工程測量[7]、隧道測量等無GNSS衛(wèi)星信號或弱星環(huán)境[8]下的測量領(lǐng)域內(nèi),需要找到一個穩(wěn)定、高精度且受外界環(huán)境干擾小的時間基準(zhǔn)傳感器。

        精密晶體振蕩器作為重要的頻率源在通訊、郵電、電子儀器、航空航天、國防軍工等方面具有很廣泛的應(yīng)用[9],是目前來說比較好的能代替GNSS時間基準(zhǔn)的時間基準(zhǔn)傳感器。但是,高精度晶體振蕩器提供的時間基準(zhǔn)的穩(wěn)定性和精度仍需要研究,這就需要對高精度晶體振蕩器進(jìn)行性能測試。目前常用的評估晶振頻率穩(wěn)定度的方法為量值傳遞法[10],該方法需要選用一個比待測晶振頻率穩(wěn)定度高 3 倍以上的頻率源作為參考,并且使用高精度的測量設(shè)備對待測頻率源進(jìn)行頻率測量[11]。無論是高穩(wěn)定度的頻率參考源還是高精度的頻率測量設(shè)備,其成本都較高,獲取不便,對常規(guī)測試的應(yīng)用推廣造成了一定的困難[12]。為此,文中設(shè)計一個地鐵移動測量系統(tǒng)時間基準(zhǔn)傳感器性能測試平臺,利用成本低廉但精度夠高的GNSS秒脈沖信號對待測精密晶體振蕩器進(jìn)行性能測試,并分析其在地鐵移動測量系統(tǒng)中替代GNSS信號成為時間基準(zhǔn)的可行性。

        1 時間基準(zhǔn)傳感器性能測試方法

        1.1 地鐵移動測量系統(tǒng)時間同步方法

        在地鐵移動測量系統(tǒng)中,要使各傳感器時間同步[13],需要建立一個時間基準(zhǔn)平臺,通過該平臺給系統(tǒng)中其他傳感器發(fā)送一個脈沖信號以及一個串口時間數(shù)據(jù),其中串口時間數(shù)據(jù)精確到整秒。待目標(biāo)傳感器接收到脈沖信號后,在到達(dá)脈沖上升沿(也可設(shè)置為下降沿)時,將傳感器內(nèi)部計數(shù)器清零并重新計數(shù),并在此時開始工作,從而保證各傳感器同步測量。系統(tǒng)工作一段時間之后,由于不同傳感器工作周期不同、內(nèi)部計數(shù)器精度不同,時間又會產(chǎn)生誤差,此時時間基準(zhǔn)平臺會再次發(fā)送脈沖和串口時間數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn),以保證系統(tǒng)在長時間工作狀態(tài)下也能同步測量。

        1.2 高精度晶振性能測試原理

        受時間基準(zhǔn)同步原理的啟發(fā),將待測晶振看作傳感器頻率輸出源,將GNSS秒脈沖信號看作脈沖信號,利用單片機(jī)CPU的計數(shù)器功能[14]模擬傳感器內(nèi)部計數(shù)器,進(jìn)而解算出晶振相較于GNSS信號的誤差。假設(shè)以該單片機(jī)CPU的最高頻率84 MHz作為計數(shù)脈沖,以GNSS秒脈沖1次輸出作為時間間隔,采用上升沿中斷方式(減少計算機(jī)的響應(yīng)時間),若晶振精度與GNSS秒脈沖信號相當(dāng),此時CPU上的計數(shù)器應(yīng)該計數(shù)84 000 000次。若精度有差距,設(shè)單片機(jī)CPU計時器在一次GNSS秒脈沖時間間隔內(nèi)的計時次數(shù)為N。那么在1次GNSS秒脈沖時間間隔內(nèi)晶體振蕩器振蕩頻率精度與GNSS秒脈沖精度誤差S(單位:s)為:

        (1)

        假如晶體振蕩器連續(xù)工作Mh,它與GNSS秒脈沖的精度誤差累積Sm(單位:s)為:

        (2)

        1.3 高精度晶振性能測試方法

        一般來說,對恒溫晶振頻率精度和穩(wěn)定度影響最大的外界因素就是溫度[15]。文中利用恒溫箱改變測試平臺所處外界溫度環(huán)境,研究溫度對恒溫晶振頻率精度和穩(wěn)定度的影響。測試在地鐵移動測量系統(tǒng)時間基準(zhǔn)傳感器性能測試平臺上進(jìn)行。該平臺由GNSS天線接收器、單片機(jī)、接收數(shù)據(jù)所用計算機(jī)以及USR-TCP232-Test串口轉(zhuǎn)換軟件組成。其中單片機(jī)是由GNSS天線模塊、JDWZ25晶振、DOCSC24晶振、單片機(jī)CPU以及供電電源等集成,如圖1所示。測試前,一定要保證GNSS接收天線位于戶外寬敞地帶,保證GNSS信號不受干擾。測試時,待測試平臺紅燈閃爍后打開串口軟件,設(shè)置好對應(yīng)參數(shù),開始接收數(shù)據(jù)。當(dāng)看到串口數(shù)據(jù)接收界面有數(shù)據(jù)顯示后,表示測試平臺能正常工作。利用溫度計記錄下當(dāng)時的室溫,然后將輸出的數(shù)據(jù)以文本的形式保存,待實驗數(shù)據(jù)收集完成后,在記錄表中記錄下實驗相關(guān)信息,如日期、試驗開始時間、結(jié)束時間、數(shù)據(jù)文件號等。

        圖1 測試平臺組成圖

        1.4 高精度晶振性能評價指標(biāo)

        評估晶體振蕩器性能[16]主要從兩個方面考慮:一是晶體振蕩器振蕩頻率精度;二是晶體振蕩器振蕩頻率穩(wěn)定度。前者可以通過計算樣本計數(shù)值算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之差,進(jìn)而計算其與GNSS秒脈沖精度誤差來體現(xiàn);后者可以通過計算樣本計數(shù)值均方差以及誤差分布曲線圖來直觀表達(dá)。

        由于GNSS秒脈沖信號的精度要比待測晶體振蕩器精度高3個數(shù)量級以上,故評估晶體振蕩器振蕩頻率精度只要比較待測晶振精度與GNSS信號精度的接近程度。即比較待測晶振對應(yīng)的計數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值的差距,記為計數(shù)誤差D。由式(1)可知,計數(shù)誤差D與精度誤差S的關(guān)系為:D越大,S越大,精度誤差越大,晶體振蕩器精度與GNSS秒脈沖精度相差越大,晶體振蕩器精度越低;D越小,S越小,精度誤差越小,晶體振蕩器精度與GNSS秒脈沖精度相差越小,晶體振蕩器精度越高。

        評估晶體振蕩器振蕩頻率的穩(wěn)定度,即評估測試平臺在一段時間內(nèi)輸出的計數(shù)值是否穩(wěn)定,可用均方根衡量,即:

        (3)

        2 實驗與分析

        一般來說,溫度是晶體振蕩頻率變化的主要因素,為此文中將溫度作為自變量來測試晶體振蕩器的性能,考察晶體振蕩的精度及穩(wěn)定度,以便選擇合適的高精度晶體振蕩器。文中采用JDWZ25和DOCSC24兩種晶體振蕩器,在室溫和-30~80 ℃溫度環(huán)境下進(jìn)行。-30~80 ℃的環(huán)境溫度控制采用的是合肥安科環(huán)境試驗設(shè)備有限公司的編程式恒溫濕熱試驗箱,它的溫控范圍大概在-70~100 ℃,可以滿足文中實驗要求。

        2.1 室內(nèi)溫度環(huán)境下晶體振蕩的性能

        選擇室溫大致在20~25 ℃范圍內(nèi),每次測試前通過溫度濕度計測量溫度,通過平臺測試獲得兩種恒溫晶振在室溫條件下的大量實驗數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,其結(jié)果見表1。

        表1 室溫條件下兩種晶振實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

        由表1可以看出:在室溫條件下JDWZ25晶振的計數(shù)誤差要比“DOCSC24晶振小,但JDWZ25晶振的均方差要比DOCSC24晶振大。即在室溫條件下,JDWZ25晶振的精度要比DOCSC24晶振稍高,但穩(wěn)定性稍差。

        2.2 -30~80 ℃實驗環(huán)境下晶體振蕩的性能

        2.2.1 溫度影響整體性能分析比較

        圖2給出了JDWZ25誤差與溫度關(guān)系圖。由圖2可以看出:在-20~20 ℃區(qū)間內(nèi),隨著溫度的不斷升高,JDWZ25恒溫晶振的計數(shù)誤差D不斷下降,均方差也大致呈下降趨勢,即JDWZ25振蕩頻率精度和穩(wěn)定度都在不斷提高;而在20~80 ℃區(qū)間內(nèi),JDWZ25恒溫晶振的計數(shù)誤差D和均方差比較穩(wěn)定,且數(shù)值都保持在很低的水平,即JDWZ25恒溫晶振在常溫或者高溫狀態(tài)下振蕩頻率精度很高、穩(wěn)定性很強,且?guī)缀醪皇軠囟扔绊?;而在低溫狀態(tài)下,JDWZ25恒溫晶振振蕩頻率精度和穩(wěn)定度隨溫度的降低而降低。

        圖2 JDWZ25誤差與溫度關(guān)系圖

        圖3給出了DOCSC24誤差與溫度關(guān)系圖。由圖3可以看出:在-30~80 ℃區(qū)間內(nèi),隨著溫度的不斷升高,恒溫晶振的計數(shù)誤差D一直保持在50附近,均方差保持在1附近,即DOCSC24恒溫晶振無論在低溫、常溫或者高溫狀態(tài)下振蕩頻率精度和穩(wěn)定度都幾乎不受溫度影響。

        圖3 DOCSC24誤差與溫度關(guān)系圖

        2.2.2 特定溫度環(huán)境下性能分析比較

        為了進(jìn)一步分析兩種晶振器精度和穩(wěn)定度與溫度的關(guān)系,選擇1個高溫點(60 ℃)、1個室溫點(20 ℃)、3個低溫點(0 ℃、-10 ℃、-20 ℃)進(jìn)行分析。由于實驗的數(shù)據(jù)樣本過大且樣本數(shù)量無法保持一致,故采用隨機(jī)抽樣分析法,各采樣500組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

        在60 ℃和20 ℃的條件下,DOCSC24晶振的計數(shù)誤差穩(wěn)定在數(shù)值51附近上下波動,JDWZ25晶振的計數(shù)誤差穩(wěn)定在數(shù)值11附近上下波動。即JDWZ25的振蕩頻率精度要比DOCSC24的”振蕩頻率精度高,見圖4、圖5。

        圖4 兩種晶體在60 ℃時精度誤差指標(biāo)變化圖

        圖5 兩種晶體在20 ℃時精度誤差指標(biāo)變化圖

        在溫度為0 ℃的條件下,雖然JDWZ25晶振的計數(shù)誤差還是要比DOCSC24晶振的計數(shù)誤差小,但是它的計數(shù)誤差是在30~40之間波動且波動幅度較大。即在0 ℃的條件下,JDWZ25晶振精度比DOCSC24晶振高,但是與在高溫和室溫條件下相比,精度和穩(wěn)定度均有較大程度的下滑。DOCSC24晶振還是一如既往的穩(wěn)定,見圖6。

        圖6 兩種晶體在0 ℃時精度誤差指標(biāo)變化圖

        在低溫狀態(tài)下,JDWZ25的計數(shù)誤差要比DOCSC24高,且隨著溫度的降低,二者的差距越來越大,即JDWZ25的振蕩頻率精度要比DOCSC24的振蕩頻率精度低,且隨著溫度的降低,JDWZ25的振蕩頻率精度越來越差,而DOCSC24的振蕩頻率精度則幾乎保持不變,見圖7、圖8。

        圖7 兩種晶體在-10 ℃時精度誤差指標(biāo)變化圖

        圖8 兩種晶體在-20 ℃時精度誤差指標(biāo)變化圖

        2.3 綜合分析

        上面的實驗結(jié)果表明:JDWZ25恒溫晶振的振蕩頻率精度在低溫狀態(tài)下受溫度影響較大,精度低于DOCSC24;在高溫狀態(tài)下,幾乎不受溫度影響,精度高于DOCSC24。而DOCSC24 恒溫晶振的振蕩頻率精度受溫度影響不大。綜合穩(wěn)定性和精度兩方面,在低溫狀態(tài)下穩(wěn)定性很差的JDWZ25 恒溫晶振顯然不適合作為地鐵移動測量系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)提供者,而穩(wěn)定性很好的DOCSC24恒溫晶振在精度方面能否滿足高精度測量的要求,還需對它進(jìn)一步評估。

        根據(jù)式(2)可知,晶體振蕩器連續(xù)工作Mh,它與GNSS秒脈沖的精度誤差累積為Sm(單位:s),設(shè)人推測量車的運動速度為V(單位:m/s),那么晶振工作Mh與GNSS的誤差X(單位:m)為:

        X=Sm×V.

        (4)

        考慮晶體振蕩器連續(xù)工作1 h,M=1,推車以1 m/s速度前進(jìn),取V=1 m/s,計算可得DOCSC24恒溫晶振在工作1 h之后與GNSS工作1 h的時間誤差以及地鐵移動測量系統(tǒng)工作1 h后各個傳感器測量同一目標(biāo)位置誤差,見表2。

        由表2可以看出:DOCSC24恒溫晶振在1 h內(nèi),地鐵移動測量系統(tǒng)各個傳感器測量同一目標(biāo)與GNSS作為時間基準(zhǔn)誤差在2.27~2.31 mm左右,屬于可以接受的范圍。同時,DOCSC24恒溫晶振受溫度影響很小,符合穩(wěn)定性要求,因此DOCSC24恒溫晶振是可以作為地鐵移動測量系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)的。

        表2 不同溫度條件下DOCSC24測量誤差表

        3 結(jié) 論

        文中設(shè)計了一個地鐵移動測量系統(tǒng)時間基準(zhǔn)傳感器性能測試平臺。通過JDWZ25和DOCSC24兩種高精度晶振性能測試結(jié)果表明:JDWZ25晶振在高溫、室溫狀態(tài)下精度和穩(wěn)定度都表現(xiàn)得十分優(yōu)良,但在低溫狀態(tài)時,精度和穩(wěn)定度隨溫度的降低劇烈變化,總體呈下降趨勢;DOCSC24晶振在高、室、低溫狀態(tài)下都表現(xiàn)得十分穩(wěn)定,受溫度因素影響很小。且以DOCSC24晶振為時間基準(zhǔn),地鐵移動測量系統(tǒng)各個傳感器測量同一目標(biāo)與GNSS作為時間基準(zhǔn)誤差在2.27~2.31 mm/h左右,屬于可接受的范圍。對比兩種晶振,DOCSC24晶振可以作為地鐵移動測量系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)。

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