基于震动信号的靶场炮弹落点定位系统设计*

耿煜琛 张晓明，2 韩玉香

（1.中北大学仪器与电子学院 太原 030051）（2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 太原 030051）

1 引言

在炮弹、导弹的研发中，往往需要对弹体在空中的姿态信息、轨迹信息以及其他数据进行采集与分析，从而对弹体功能做出改进[1]。弹体数据采集多数采用弹载传感器的形式，系统上电后将采集数据保存在“黑匣子”中，在弹体落地后，通过回收弹体中的“黑匣子”来获取数据[2]。因此弹体的回收工作，对导弹、炮弹的研发是非常重要的。

目前，对于弹体落点的定位问题，国内外做了大量的研究，主要有以下几种方法，刘德耀等通过采集弹体落地时与地面撞击产生的声波信号，对弹体落点进行定位，由于多径效应、信噪比较低等因素导致并不能实际应用[3]；何永珍等通过将无线信号发射器装载到弹体内，在弹体落地后根据信号强度等对落点进行定位，无线定位方法虽然精度高，由于需要在弹体内装载其他装置，因此可能对弹体结构造成影响[4]；弹道雷达探测方法，是通过雷达追踪弹体在空中的速度与方向，通过简单计算后对落点做出大致估计，再由人工地毯式搜索的方式进行回收，定位精度较差且费时费力，目前我国绝大部分靶场采用此种方式对落点进行判断。李荣耀等对弹体产生的震动信号进行分析研究，验证了基于震动信号对落点进行定位的可行性[5]。与其他方式相比，震动信号在土壤内传播不易产生多径效应，也不需要在弹体内装载特定装置，且定位精度较高。

因此，本文设计了一种基于震动信号的弹体落点监测系统。根据靶场环境设计采集节点系统，系统具备自定位、震动信号采集与存储、低功耗等功能，并利用LoRa技术搭建无线组网实现分布式节点的控制以及震动数据的回传。接收回传数据后监控中心解算定位结果，根据解算结果回收弹体。该系统为靶场内弹体的回收工作提供了极大的便利，减少人工搜索弹体的工作量，避免出现弹体丢失等情况。

2 系统整体方案

2.1 系统组成与布局

系统主要实现对靶场炮射试验中弹体落点的定位监测，以便于弹体的回收工作。在实际试验中靶场场地多为长条状或者弧度较小、母线较长的扇形场地，将监测中心安装在靶场安全范围内，将采集节点按照200m×200m的间隔进行放置，布局方式如图1所示。

图1 系统布设方案

系统由若干采集节点、LoRa网关以及监控中心组成，采集节点按照指定方案布设于靶场中，用于采集震动数据；LoRa网关负责接收节点数据以及转发指令，搭建无线组网；监控中心与网关之间通过串口进行通讯，负责下达指令控制节点工作、休眠，以及接收节点采集数据解算定位结果。

2.2 方案流程

根据落点定位算法，节点位置精度直接影响着落点定位精度。然而人工布设节点难以保证节点位置准确，因此在布设完成后需要对节点位置进行自定位。本系统采用动态后处理-卫星差分定位技术（PPK），通过监控中心下达指令，节点采集星历文件并回传至监控中心，解算各个节点的准确位置，节点水平定位精度达到20mm。同时，在节点组装以及人工填埋节点的过程中，节点必然会存在安装误差，导致传感器敏感轴方向出现偏差，影响最终定位结果，因此需要在节点固定后，对节点传感器姿态进行采集，计算姿态补偿角，纠正采集到的震动数据。

在进行打靶之前，通过监控中心给采集节点发送“开始震动采集”指令，节点开始采集震动信号并保存，在弹体落地后，再由监控中心发送“停止采集”指令，节点停止采集转换为等待指令接收状态，在收到“回传标志数据”指令后，所有节点将各自震动标志数据回传至监控中心，监控中心通过对比标志数据选择部分采集节点回传震动数据，节点将震动数据以特定帧格式回传至数据解算中心，传输完成后系统节点进入休眠模式，通过解算中心分析震动数据，对落点进行计算，计算后根据解算位置再由人工将弹体进行回收。系统工作流程如2图所示。

图2 系统整体流程

3 采集节点设计

3.1 节点系统整体结构

节点系统由震动采集模块、无线模块、控制模块、存储模块组成。由于靶场环境复杂，对节点进行集成化设计，缩小体积，便于布设与安装。将节点主体设计为可填埋结构，减少被弹体击中的风险。并进行了低功耗设计，增加节点有效工作时间，设计可拆卸蓄电池，方便替换增强系统续航能力。节点组成概念图如图3所示。

图3 系统结构示意图

3.2 系统节点硬件设计

系统采用64GB容量SD卡作为存储模块，通过在嵌入式MCU中移植FATs操作系统进行存储与读取。卫星定位模块选用成本较低的ublox-M8T芯片组成，该芯片可提供10kHz的PPS秒脉冲且支持PPK技术。LoRa无线模块选择sx1278芯片通过SPI通讯方式与MCU进行数据传输。

震动采集部分由三个单一轴向的微振动传感器、三轴加计以及三轴磁传感器组成。将三个单轴传感器固定在六面体相互垂直的三个侧面上，三轴加计与磁传感器安装在六面体的上下两个平行面上，使三轴方向相互平行，用于采集传感器姿态。将六面体固连在采集节点的底部。微振动传感器采集震动信号输出模拟电压值。将模拟电压值通过调理电路，输入多通道同步采集ADC的1、2、3通道，转化为数字信号，由节点MCU进行读取。利用卫星接收模块输出10kHz的PPS秒脉冲，触发A/D进行采样转化，实现分布式多节点的同步数据采集，为TDOA定位算法提供基础。

3.3 节点采集系统软件设计

节点系统在上电后，完成初始化，进入待机模式，等待接收监控中心指令。接收到指令后根据指令内容执行相应的任务，执行完毕后再次进入待机模式。

当节点收到开始采集指令后，系统初始化A/D模块、DMA以及中断等相关配置。

本系统采用“乒乓操作”理念实现单片机高速采样存储，利用DMA传输半中断与传输完成中断，对DMA缓存区进行调整。在将缓存区的数据存储至SD卡中前，求取缓存区数据的平均值，并比较之前的均值，获得历史均值的极大值与极小值及其差值，差值将作为节点功能判断的重要指标。软件流程图如图4所示。

图4 震动数据采集流程图

4 LoRa组网设计

系统节点在布设完成后，需要通过无线传输实现指令的下达与采集数据的回传。对比多种无线通讯方式后，考虑到靶场范围较大，选用低功耗、远距离传输的LoRa通讯技术搭建无线组网，并通过优化数据协议与通讯流程保证数据传输的完整性。

4.1 LoRa技术

LoRa是一种基于线性扩频技术的远距离无线传输技术，该技术在传统FSK调制的基础上，通过添加扩频因子的方式增加了一定倍数的数据量，从而减低了传输时的误码率，提高了稳定性[6]。LoRa技术具有灵活的信号调制方式，在带宽和频率上均可进行扩展，拥有多个频段、多个扩频因子可供选择，并且只需配置LoRa模块的相关寄存器即可改变通讯参数，极大地便利了LoRaWAN的搭建。

4.2 搭建组网系统

LoRa组网搭建由节点终端和无线网关以星型拓扑结构组成，终端是采集节点的无线模块，负责接收指令、应答指令以及回传采集数据，网关是由多个LoRa模块组成的全双工收发系统，负责转发指令和接收回传数据。

系统上电后，根据节点序号随机延时一定时间，向监控中心发送组网请求，监控中心确认后回复应答报文，节点收到监控中心应答报文进入组网。之后由监测中心根据节点序号ID进行统一管控。

为了避免节点之间的通讯出现混叠，将节点-网关通讯信道调制在频点1（472300000Hz），网关-节点通讯信道频段调制在频点2（482300000Hz）。

4.3 数据回传协议及过程

在数据回传阶段，为了减少无线传输的数据量提高传输效率，对节点数据进行初步筛选，通过对比各个节点采集过程中每组（约0.8s）震动数据均值的极值，从而确定距离落点较近的节点，初步确定落点区块，选择极值较大的几个节点（至少4个）回传震动数据，详细解算落点精确位置。

无线传输难免会存在误码与丢包，在靶场落点监测系统中，必须要保证震动数据的完整性。本系统设计握手通讯协议，首先通过数据包中CRC校验码来验证数据的完整性，在发送指令过程中，通过应答信号来确认节点成功接收到指令，在数据回传过程中，为了加快数据回传速度，采用一对多接收模式，网关同时接收4个～5个节点数据，根据接收数据包中帧数的连续性来判断丢包率，CRC检验检测误码率。在一轮传输完成后，对于出现误码和丢包的数据包，以及错帧数据进行二次传输，直至数据全部完整传输至数据处理中心。

图5 震动数据回流程图

表1 采集数据回传报文

5 落点定位算法

得到各个节点的震动数据后，对含有噪声的震动波信号进行滤波处理[7]。滤波后通过到时提取算法，提取震动信号的到达时间[8]。

TDOA（Time Difference of Arrival）根据震动波达到各个节点的时间差信息，对震源也就是弹体落地位置进行定位[9]。

落点定位一般为二维定位。设落点坐标为(x,y)，已知节点i坐标为(xi,yi)，落点与节点之间的距离di则有：

dij=di-dj(i,j=1,2,3,4…k；i≠j)表示落点到节点之间的真实距离差，在震动测试中，默认震动波在相同介质内的传播速度保存不变，通过时延估计的方法可以测得震动波达到不同节点的时间差Δtij。

假设有k个节点，则可以得到k-1等式，通过解算得到(x,y)的值，即为落点坐标。

图6 TDOA定位原理图

6 实验验证

为了验证系统无线组网的可行性以及落点定位精度。在中北大学附近空地利用夯锤进行模拟弹体落地实验。

将节点布设在10m×10m的区域内，如图7所示。布设完成后，在三处落点多次利用夯锤敲击地面产生震动波，对夯锤落点进行定位，对比实际落点位置，从而验证该系统的定位精度以及系统的可行性。实验结果如表2所示，系统定位误差小于1m，满足靶场弹体落点定位需求。

图7 实验布局

图8 节点布设

表2 落点定位实验结果

7 结语

本文针对靶场弹体回收困难问题，设计了基于震动信号的落点监测系统。设计节点系统结构及功能使其能够便于安装与布设，并完成震动数据的高速采集与存储。通过LoRa技术搭建无线组网实现分布式节点的控制，并优化数据协议以及通讯过程解决LoRa传输中丢帧、错帧问题。最终通过模拟落点实验，验证了系统的定位精度可以达到1m。该系统能够对靶场试验中弹体的落点进行较为准确的定位，为弹体回收提供了极大的便利，对弹体研究与发展具有意义。

但是目前仍存在传输时间较长等问题，下一步将震动波的滤波与到时提取，在嵌入式系统中完成，从而降低传输时间，提高定位效率。