基于无线传感器网络的炮弹落点定位技术的研究*

孔雁凯，关咏梅，郭 涛，*，马其琪

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，中北大学，太原030051；3.北京宇航系统工程研究所，北京100076)

基于无线传感器网络的炮弹落点定位技术的研究*

孔雁凯1，2，关咏梅3，郭 涛1，2，*，马其琪1，2

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，中北大学，太原030051；3.北京宇航系统工程研究所，北京100076)

针对现有的炮弹落点定位的缺点，提出了一种基于无线传感器网络对炮弹落点进行实时监控的系统。首先，采用到达时间差对传感器节点进行自定位，然后在传感器节点中集成加速度传感器，利用炮弹撞击地面产生的地震波对炮弹落点进行定位。在此基础上，对系统的软件进行了设计，从而实现了对炮弹落点的定位。对系统的测试结果表明，随着振动信号的减弱，接收到的信号幅值明显减小，利用此方法可以对炮弹落点进行初步的定位。

无线传感器网络；炮弹落点；节点定位；加速度传感器

无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Networks）作为传感技术、计算机技术、网络技术和通信技术的交叉与融合的产物，它将地域上分散的、具有通信能力的传感器节点有机互联起来，为实现全球物理感知提供了可能，并在工业安全、交通管制、精细农业、环境监测、智能家居、远程医疗以及国防等领域都有广阔的应用前景［1］。如图1所示为典型的无线传感器网络体系结构，其中包括传感节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink Node）以及互联网或通信卫星和管理节点等。

无线传感器网络的主要目的是收集监测到的原始数据，并进行多调节点的数据发送、转发和处理［2］。无线传感器网络节点是无线传感器网络中部署到研究区域中收集和转发信息、协助完成指定任务的对象。传感器节点由四个模块组成：微处理器模块、无线通信模块、传感器模块和电源管理模块，如图2所示。

图1 无线传感器网络体系结构

图2 传感器节点结构

对于无线定位技术而言，由于其通信环境的复杂性及不确定性，导致了无线定位技术本身十分复杂，但就总体而言，无线定位技术是朝着提高定位精度、定位稳定性及可行性方向发展。根据传播介质的不同，无线定位技术分为超音波定位技术、红外激光定位技术、全球定位系统（GPS）、雷达定位技术及无线电定位技术［3］。

超音波在空气中传播时，频率越高衰减的越厉害，所以对于范围较广的定位环境，超音波定位技术不再适用。红外激光定位技术受天气因素影响较大，且方向性强，对于移动的目标的找寻较困难。全球定位系统（GPS）由于其定位原理的特殊性，要求信号路径上不能有遮挡，且GPS定位成本较高，同样不适用于炮弹落点定位中。雷达定位系统的探测距离可以远至数千米之外，但由于雷达造价很高，整体设备过于庞大，不能满足体积小、成本低等条件。无线电定位技术方向性不强，容易接受，且无线电设备具有造价较低、结构简单、可靠性强、功耗低等优点［4］。综上所述，无线电定位技术比较适合于炮弹落点定位中。

靶场试验时，测试弹丸的射程、射击精度等，均需要确定弹丸的落点，以便获取事先安装在弹头的“黑厘子”［5］。目前，我国的靶场试验中，对炮弹地面落点的检测还主要釆用人工排查的方法。但由于试验靶场的地形、地貌比较复杂，人工检测落点费时费力、安全性差，很难找到弹丸，对于连发炮弹的落点检测更是无能为力［6］。所以，寻找一种弹丸落点的自动检测方法时非常有必要的，为靶场弹丸性能试验时落点定位装置的研究奠定基础。

1 无线传感器网络节点的自定位

若要进行无线传感器网络的应用，其重要条件就是节点能够进行准确的自定位。由于节点工作区域或是人类不适合进入的区域，或者是敌对区域，传感器节点有时甚至需要通过飞行器抛撒于工作区域，因此节点的位置都是随机且未知的［7］。在许多应用中，传感器感知的数据需要结合其位置信息才有实际意义。所以，无线传感器节点的自身定位对整个无线传感器网络具有十分重大的意义。

1.1 定位原理及定位模型

TOA算法的定位精度与信号到达时间的精度有非常密切的关系，对各个传感器通道响应的时间同步性要求很高，容易受到微小误差的影响；DOA法在平面定位中易受到角度分辨率、多路径效应和噪声等的干扰；TDOA法是利用不同通道间的信号到达时间差而实现定位，该方法可以抵消相同干扰因素对信号造成的时间误差，是一种应用广泛的目标定位技术［8］。因此，采取TDOA定位法对传感器节点进行自定位。

1.2 TDOA定位法

TDOA定位原理的实质是利用双曲线进行定位，该方法通过对三个或多个检测点釆集到信号所用的时间数据进行处理来实现目标定位［9］。以信号源的目标信号到达两个检测点的时间差可以确定一条双曲线，该双曲线以这两个监测点为焦点。双曲线上的任意一点到两焦点的距离差为定值，该定值即为信号源到两检测点的距离差。如果利用三个检测点就可以确定两条双曲线，并且能够得到两个双曲线的交点，信号源必定在双曲线的交点中，利用方向信息可以排除虚假点，最后剩下的唯一交点即为目标的位置［10］。

图3 TDOA定位算法

设三个可用信标节点记录到目标信号的时间分别为T1、T2和T3（T1＜T2＜T3），信号的传播速度为光速c，可得双曲线方程：

经过解方程，即可得到目标信号源的位置M（x，y）［11］。

2 炮弹落点定位及硬件设计

弹丸落地时会与地面撞击产生强烈的冲击和震动，此时的冲击和震动与人工振源相类似，通过加速度传感器感应此振动并分析振动信号，即可推断出弹丸的落点。对于弹丸落地时所产生的振动信号，采用Colibrys VS9000系列的加速度计来进行感知和采集。

Colibrys VS9000系列是一个电容式MEMS加速度计，它是由一个体硅微加工工艺制成的硅表头元件，一个低功耗ASIC专用信号处理器和一个存储补偿值的微处理器以及一个温度传感器等元件组成。该产品是一个低功耗的，校准的，耐用的和性能稳定的产品。其电子配置中带有一个电源重置以防止电压不稳的全保护装置。这种可变电容传感器可专门用来提供大的带宽。VS9000系列的引脚定义如图4所示。

图4 VS9000系列引脚定义图

VS9000系列的电气连接如表1所示。

表1 VS9000电气连接

采用加速度传感器VS9100来感知弹丸撞击地面产生的振动，加速度传感器的原理图如图5所示。

加速度传感器的工作电压为5 V，所以第5引脚VAGND应为2.5 V。加速度传感器的输出为2.5 V加采集到的振动信号，满量程为4.5 V。之后采用AD623对信号进行处理，经过电阻分压后已符合CC2530的输入要求。由式（1）和式（2）可以得出R3与R4的阻值。如图6为信号放大电路。

图5 加速度传感器电路图

图6 信号放大电路

放大倍数的计算公式：

对于超出测量范围的振动信号而言，采用MAX293对采集到的振动信号进行滤波，滤波电路如图7所示。

图7 滤波电路

MAX293是单片8阶低通椭圆开关电容滤波器，当外部时钟改变fc时，等效电阻R改变，从而改变了滤波器的时间常数，也就改变了低通滤波器的通频带［12］。等效电阻R的表达式如式（3）所示。

式中，C为开关电容组电容，fc为滤波的时钟频率。

MAX293的8脚为输入接VS9100的输出，5脚为输出，调整电容C5即可改变截止频率，完成预期的滤波过程。

系统的供电电路如图8所示，78L05是单片集成电路稳压器，其中都含有滤波电路，可以有效的降低外界噪声的干扰。但由于78L05最大输出电流只有100 mA，所以采用两个稳压器来提高输出电流以满足整个系统的要求。

图8 供电电路

3 系统软件设计

系统的主程序需要完成对硬件电路的初始化、核心芯片的工作方式、组网以及射频模块的通信状态等。

无线传感器网络节点即感知节点的工作流程图如图9所示。感知节点加电启动后首先要完成节点初始化。初始化完成之后，即可准备加入网络，若已存在网络，则向网管节点发送加入网络请求；若不存在网络则需继续等待加入网络。感知节点选择网络完毕后，自组织地进行分簇，将采集到的数据以多跳的方式发送给簇头节点，再由簇头节点发送至网管节点［13］。为了能够最大化的使用有限的能量，当无任何命令时，节点将会进入休眠模式，当有新的命令要执行即操作中断发生时，节点立刻进入工作状态完成命令。

簇头节点工作流程如图10所示。簇头节点进入接收状态之后，接收端会持续的检测空中的信号，判断系统工作的关键字ID是否匹配，滤掉杂波。若匹配的话则接收下面所发送的数据，并对接收到的数据加以校验判断，数据无误再发送给汇聚节点［14］。发送完毕后进入低功耗模式。

图9 感知节点工作流程图

图10 簇头节点工作流程图

网关节点的工作流程如图11所示。网关节点加电启动后首先创建网络，等待传感器节点加入网络。待节点加入网络后，会对各节点进行分簇并推选出簇头节点。簇头节点接收网关节点的命令，对数据进行采集、收发及控制设备。

图11 网关节点工作流程图

4 测试结果与分析

本次测试采用的是TIRA传感器自动校准系统，测试环境如图12所示。

图12 振动台测试环境

该系统包括TV5220型振动台，BAA1000功率放大器，ENDEVCO公司生产的电荷放大器以及TIRA自主研发的VibrationVIEW校准软件，能够对不同原理的加速度及进行校准，并且能够测试与标定过载、振动以及冲击传感器的各项动态性能指标。

利用振动台对加速度传感器进行高频振动。由于弹丸落地时与地面撞击产生的冲击和震动人工振源相类似，所以使用振动台模拟弹丸落地时的震动，来测试在不同的频率和g值下传感器输出的电压值。首先将整个系统固定于振动台上，设置不同的频率和g值对其进行定频振动测试，设置如图13所示，记录其输出的电压值，将记录的数据写入如表2所示的表格中以方便计算。

图13 定频振动测试

测试结果如表2所示。从表2可以看到在不同g值时的输出电压差别较大，而相同g值且不同频率的情况下输出电压十分接近。这是由于采用的加速度传感器只对加速度敏感，而频率的加入是为了测试系统的频响。

表2记录的输出值为有效值，乘以 2即为最大值，最后除以该输出值对应的g值即可计算出该系统的灵敏度。为了灵敏度计算的准确性，取中频即1 000 Hz时的输出值来计算，所以有X轴的灵敏度为：

表2 定频振动测试数据

系统的Y轴和Z轴灵敏度的计算同上。

最后将整个系统与振动源放置于同一平台，移动振动源使两者之间的距离变化，记录系统的输出值。如图14所示为振动源与系统距离1 m时的输出波形，图15所示为振动源与系统距离10 m时的输出波形。

图14 距离1 m时输出波形

图15 距离10 m时输出波形

所以当振动源远离系统时系统的输出减小，且变化十分明显。当炮弹落地时产生冲击，系统可以根据灵敏度及输出值推算出落地点，从而对炮弹落点进行定位。

5 结论

设计综合利用传感器技术、无线网络技术与模拟电子技术等方面的知识，完成了对无线传感器网络终端节点的硬件和软件的设计。基于无线传感器网络构建了以微处理器、射频芯片与加速度传感器为核心的定位系统。利用TDOA定位算法首先对布撒在工作区域内的节点进行自定位，确定每个节点的位置。然后采用VS9100加速度传感器敏感元件及仪表放大器

AD623采集周围环境中的振动信号，并上传至监控中心进行处理。测试结果表明该系统能够完成初步的定位任务，具有传感器节点准确性好、可靠性高、体积小等特点，为炮弹落点的定位提供了有力的保障，具有较大的应用价值与前景。

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孔雁凯（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络；

郭 涛（1971-），男，教授，硕士，主要研究方向为惯性测量系统、微器件的设计与制造。

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

项目来源：山西省自然科学基金项目（2014011021-5）

2014-12-11 修改日期：2015-05-21