文獻標識： B
文章編號： 0258-7998(2013)11-0050-03
雷電是伴隨著強對流天氣過程而發生的一種長距離放電現象，因其強大的電流、炙熱的高溫、猛烈的沖擊波及強烈的電磁輻射等綜合物理效應而能夠在瞬間產生巨大的破壞作用。據不完全統計，我國每年因雷電災害造成人員傷亡3 000～5 000人，財產損失50～100億元。為了降低雷電災害造成的損失，開展雷電探測方法的研究具有重要意義[1]。
利用接收到的閃電電磁脈沖對雷電進行探測，在甚低頻段一般采用磁定向法（MDF）、到達時差法、磁定向和到達時差綜合法（IMPACT）；在甚高頻段一般采用窄帶干涉法或到達時差法[2]。在基于到達時差法的雷電定位系統中，其定位精度主要取決于系統中時間標記的精度。本文利用GPS全球定位系統的同步授時技術和可編程邏輯器件為探測站提供高精度的同步時間標記，并得到雷電脈沖到達各站之間的時間差，進而確定閃電發生的位置。
1 時差定位原理
如圖1所示[3]，假設閃電輻射源位于S(x，y，z)，探測站A、B、C、D的空間位置分別為(xi，yi，zi)(i=0，1，2，3)，其中A站為中心站，其他3站為輔助站，則定位方程為：
3 FPGA硬件邏輯設計
Altera公司的CYCLONE2 系列FPGA芯片EP2C8Q208包含8 256個邏輯單元和兩個PLL鎖相環。時標系統通過Verilog硬件描述語言在FPGA內實現對GPS信息的串/并轉換、數據解碼、微秒時標計數和時標暫存等。
3.1 UART串/并轉換模塊
GPS芯片通過UART串口TXD發送NMEA0183格式的GPS信息[5-8]。UART串口發送數據格式如圖3所示[9]。
UART串/并轉換包含下降沿檢測、波特率發生器、并/串轉換三部分。首先通過邊沿檢測捕捉UART數據格式開始位的下降沿，然后啟動波特率發生器產生數據位采樣脈沖進行串行數據采樣，將串行的8 bit數據全部接收并檢測停止位，若檢測到停止位則將8 bit數據并行輸出。
（1）下降沿檢測
RXD信號線上電平由高變低表明1幀UART數據開始傳輸，邊沿檢測是用寄存器保存上一時鐘周期RXD上的電平CURRENT，并與當前RXD上的電平NEXT進行邏輯運算。當下降沿到來時CURRENT為1，NEXT為0，邏輯運算之后的結果RXD_START為1，即表明檢測到數據傳輸起始位，則啟動波特率發生器產生數據位采樣脈沖序列。圖4所示為下降沿檢測RTL圖。
（3）串/并轉換
UART串行格式的每一幀數據中有8 bit數據位，經9 600 b/s的波特率發生器產生的采樣脈沖序列進行數據位采樣后依次存入一個8 bit的寄存器中，并在檢測到停止位時通過輸出端口并行輸出8 bit數據到GPS信息解碼模塊，同時將標志位置為1，該標志位表明1幀數據轉換完成，等待下一幀數據轉換。
3.2 GPS數據解碼模塊
GPS發送的NMEA0183數據格式中，時標系統只需對GPRMC幀進行解析，得到UTC日期和時間信息。
GPRMC幀的構成如下：
<1>UTC時間，hhmmss(時分秒)
<2>定位狀態，A=有效定位，V=無效定位
<3>緯度
<4>緯度半球
<5>經度
<6>經度半球
<7>地面速率
<8>地面航向
<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)
<10>磁偏角
<11>磁偏角方向
<12>模式指示
從該幀中提取的數據包括<1> UTC時間、<2> 定位狀態和<9> UTC日期。UART串/并轉換模塊輸出的8 bit數據為ASCII碼值，通過有限狀態機實現ASCII碼序列檢測器的狀態轉換，完成對GPS數據的解碼，流程如圖6所示。
秒脈沖是周期為1 s的方波，高電平持續約100 ms，其上升沿為秒脈沖輸出的精確時刻。GPS的秒脈沖上升沿用邊沿檢測進行判斷，當秒脈沖上升沿到來時將計數器清零并重新啟動計數器進行計數，直至下一個秒脈沖上升沿到來。當采集到信號時，將當前微秒時標計數器的計數值與UTC時間組合輸出，對信號進行時間標記。
圖9中，out_data表示GPRMC幀中的<2>定位狀態，其值為41h代表ASIIC字符A，表明GPS處于有效定位狀態；若該值為56h則代表ASIIC字符V，表明GPS處于無效定位狀態。DATE為<9> UTC日期，表示UTC日期為13年5月2日。TIME為<1> UTC時間，UTC時間與北京時間相差8 h，表示UTC時間為12時17分14秒。REG寄存器的值為微秒時標計數器的計數值，其最大值穩定在9 999 980左右，波動范圍1～2，該值與理論計數值10 000 000存在20的誤差，此誤差可能是由晶體振蕩器的隨機誤差累積而引起。恒溫高精度晶體振蕩器具有很高的頻率穩定度，晶振周期在短時間內保持不變，因此采用恒溫高精度的晶體振蕩器可以改善時標精度，使計數值更接近理論計算值。此外，GPS接收機秒脈沖也存在一定的隨機漂移誤差，選擇性能更好的GPS接收機也有利于時標精度的提高。測試結果表明，該時標系統可以提供精度達微秒級的時標，能夠滿足雷電定位的需要。
本文通過對GPS接收機輸出的時間數據進行解碼，提取UTC時間，同時利用GPS提供的秒脈沖產生更精確的同步時間，并與UTC時間組成完整的時標。時標系統中的串/并轉換、解碼、計數和暫存等模塊的硬件電路采用Verilog語言在FPGA上實現。在雷電定位系統中，采用該時標系統可以獲得精度達微秒級的時間差，結合多站定位算法，可以有效地提高到達時差法的雷電定位精度，為雷電監測預警及其工程防護提供有力支持。
參考文獻
[1] 李云敏，孫秀斌，楊崧令，等.云閃定位算法及誤差分析[J].電子測量與儀器學報，2012，26(10)：917-922.
[2] 張義軍，孟青，馬明，等.閃電探測技術發展和資料應用[J].應用氣象學報，2006，17(5)：611-620.
[3] 敖偉.無源定位方法及其精度研究[D].成都：電子科技大學，2009.
[4] U-blox.NEO-6 數據手冊[Z].2011.
[5] Navman.NMEA參考手冊[Z].2005.
[6] 曹潔，郭春禹.GSM模塊對終端GPS數據的通信實現[J].電子測量與儀器學報，2010，24(11)：1068-1073.
[7] 賀良華，張杰，游釗.基于FPGA的NMEA解碼和校正的算法設計[J].電力自動化設備，2010，30(2)：127-130.
[8] 李袆，王彪，黃海寧，等.基于GPS授時的異地同步數據采集系統[J].測控技術，2006，25(3)：40-42.
[9] 蔣艷紅.基于FPGA的UART設計與應用[J].計算機工程，2008，34(11)：225-227.