基于STM32的测量定位系统设计说明

第一章绪论1.1概述1.1.1研究现状在地质勘探或是油田勘探的过程中，常会用到地震勘探。

爆炸震源是地震勘探中广泛采用的非人工震源。

虽然目前已发展了重锤、连续震动源、气动震源等一系列地面震源，但陆地地震勘探经常采用的重要震源仍为炸药。

炸药安放的过程中需要测量起爆电缆的长度，准确的测定线路的长度是勘探顺利进行的前提和保证。

但是由于炸药安放在地面下的竖井中，难以直接测量线缆的长度。

目前勘测中常使用的方法是利用电阻表测量电缆的电阻值，再通过换算得出导线的长度。

测量过程中需要人工对测量结果进行换算和记录，不仅增加了勘探的工作量，在换算和记录过程中还容易产生错误。

在地址勘测中，勘测地点往往都在野外，缺乏固定的标记物和指示。

尤其在密林和荒漠等环境中，必须借助仪器来定位。

目前最常用定位仪器通常都要使用到GPS。

GPS是Global Positioning System（全球定位系统）的缩写，是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

该系统的建立从根本上解决了人类在陆地、海洋、航空、航天等各个方面的导航和定位问题, 具有很高的实用价值。

在电力系统通信和电力系统自动化等领域也有广泛的应用。

当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。

但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。

因此，GPS系统展现了极其广泛的用途。

用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。

对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。

用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

自从海湾战争中美军成功地使用了全球定位系统（GPS）后，GPS卫星导航技术及相关产品就成为全球军队武器装备追逐的对象。

与此同时，具有定位、测量、授时等功能的GPS技术被更多的行业所接受和采用，随着信息产业和现代交通工具的发展，GPS技术更渗透于工作与生活的各个方面。

近年来，水利事业中也频繁地应用到这项技术。

应用于水利部门，导航仪可以为防汛抗洪的指挥工作提供极大的方便和帮助。

大水之年，受灾地区已是水天一片，公路被淹没，通迅设施被冲毁，如何在没有任何参照物的情况下，将大量抢险物资运送到指定地点，将紧急救援人员准确调动到前线，"多用途卫星导航定位仪"可以担此重任。

它能为救援工作提供指导行进的电子地图，救援人员根据电子地图自行导航，借助卫星定位技术和电子地图显示自行判读，明确自己现在的地理位置和到达目的地的距离及所需时间。

为保障迅速到达目的地，救援人员还可以在电子地图中预设行进路线，并在重要的位置进行标定，当沿自选的路线行动，发生偏航时系统全自报警，保证正确地行动。

当前，对目的地及周边环境的查询需求带动了GPS导航市场的繁荣。

据相关统计，欧美国家导航设备普及率达到90%，日本更是超过95%。

一项对3G应用的展望和创意的专业调查显示，17.79%的被调查者选择了3G网络视频对话，15.34%的被调查者选择了GPS/地图搜索，在3G时代来临之际，人们对GPS/电子地图的关注，足以显现它对日常生活中的重要性。

2005年，我国民用汽车保有量就达到了3160万辆，但是装载导航设备的车辆，还不足2%。

尽管不少汽车厂家对其高端车型在出厂前就安装了导航系统，对其他低端车型也会有选装导航产品的服务，但价格不菲的车载导航仪让不少买车的人放弃了实用性很强的导航配置。

按照私人汽车拥有量年均增速20%测算，对导航产品的需求也是一个很大的增量。

1.1.2研究内容目前使用的导航仪或全站仪等仪器中大都带有GPS功能，但在地震勘测过程中，寻找的目标是事先安装好导线的目标，坐标是已知的，并不需要十分精确的目标定位，只需引导使用者找到目标即可。

因此使用全站仪之类的仪器虽然精度高，但是由于使用复杂，且使用者需要进行专门的培训，给勘测带来诸多不便。

而一般的导航仪采用的是电子地图导航，需要公路或其他标志物作为参考，显然不适合野外使用。

另外，由于仪器功能单一，使用者不得不携带多种仪器，更加重了使用者的负担，降低了工作的效率。

为解决上述问题，本设计将线路测量系统和导航系统集成在一起，并且在测量电阻的基础上增加了自动线长换算、换算参数标定和存储功能。

同时，系统在测量线长时会自动记录下测量点的坐标，系统可以通过手动输入坐标或调用系统内已存的坐标指引使用者到达目标点。

在实现功能的同时尽量减小使用的复杂程度，降低使用者的工作量。

第二章系统总体设计2.1功能分析本设计将导航仪和线路测量系统集成在一起，基本功能为两者功能的结合。

即线缆电阻测量和系统导航。

根据使用场合分析，由于系统测量的电缆为连接有雷管的起爆电缆，电流过大会造成危险。

根据工业电雷管的国家标准GB 8031—2005中规定电雷管的安全电流为0.18A，设计测量电流应远小于0.18A。

系统自动将测量得到的电阻换算成为线缆长度，由于线缆的长度不同将会导致换算系数的变化，系统需在更换线缆材料时能够对换算系数进行标定。

进行导航需了解系统本身的坐标和目标点的坐标。

系统本身的坐标需通过GPS定位实现，目标点的坐标可以通过手动输入，也可以通过选择系统曾经测试过的坐标点。

综上所述系统设计功能为：1.测量电缆电阻；2.测量电流不超过50mA；3.自动将电阻换算为长度；4.测量数据存储；5.换算系数标定；6.显示系统的GPS坐标；7.输入坐标定点导航；8.GPS坐标存储；9.存储坐标定点导航。

2.2方案选择2.2.1线路测量方案导线长度测量，主要用于各种电力电缆或电信电缆，为了找出适用于本设计的长度测量方法，有必要对己知的线路故障定位方法进行分析。

电力电缆故障探测的方法最早是在二战前提出的，发展至今己经出现了诸如:电桥法、驻波法等经典理论方法，以及五十年代的低压脉冲法、七十年代的脉冲电压法、八十年代的脉冲电流法等现代行波法。

下面简要介绍各种测量方法的原理，以便分析各种方法的优劣，分析更适合测量导线的长度的方法。

1.电桥法单相接地故障是最常见的电缆故障之一，通常占各类故障的总和的90%，传统的测试是用电桥法。

由于同一性质的单相接地故障，它的接地电阻可以从几欧姆至兆欧级，因此可用的电桥也稍有差别，但其原理均相同。

电桥法的基本原理和基本接线如图2-1所示。

图2-1 电桥法及接线当电桥平衡后，故障点距离用式（2-1）进行计算。

2122R X L R R =⨯+ （2-1） 其中，X －故障点距离(m)； L －电缆线路长度(m)；R1－电桥固定臂读数； R2－电桥可变臂读数。

用电桥法测试故障点的精确性与接地电阻值有关。

接地电阻值越小测试精度越高。

为达到可能高的精确度，常用大电流烧断接地电阻。

但接地电阻不宜过小，因为烧断接地电阻需要一定时间，也不利于其后的定点实验。

接地电阻为千欧数量级是最为理想的，其精确度可小于0.1%。

为了消除电桥法中临时引线带入的误差，除了将电桥接到电缆的二根引线轮换测试外，还应在电缆的另一侧进行重复测试。

经验表明在近故障点一侧测试的故障点距离比远离一侧的精度要高。

电桥法的优点是简单，方便，精确度高，但它的主要缺点是不适用于高阻故障、闪络性故障，因为故障电阻很高的情况下，电桥里电流很小，一般灵敏度的仪器，很难探测。

但是，实际上故障大部分是属于高阻与闪络性故障。

这样在使用电桥法测距之前，需用高压设备将故障点烧穿，使故障点电阻降到可用电桥测量的范围内。

而故障点烧穿是件十分困难的工作，往往要花费数小时，甚至几天的时间，十分不方便，有时会出现故障点烧断，故障电阻反而升高的现象，或是故障电阻烧得太低，呈永久短路，以至于不能用放电声测法进行最后定位。

电桥法的另一缺点是需要知道电缆的准确长度等原始技术资料，当一条电缆线路内是由导体材料或截面不同的电缆组成时，还要进行换算，电桥法还不能测量三相短路或断路故障。

随着新技术的不断进步，现在现场上电桥法用得越来越少。

2.低压脉冲反射法低压脉冲反射法主要用于低阻和断线故障测距。

是应用脉冲行波和时间成线性关系的原理，因此和电缆线路的结构无关，只要绝缘介质均匀，就可方便地检测故障范围。

它的原理及发射和断路反射波形如图2-2所示：图2-2 低压脉冲反射法院里及波形基本方法是首先向电缆导线首阶跃电压或脉冲电压)，通过测量入进行测距，见式(1-2)：（2-2）其中L为故障距离，为入射行波和反射行波之间的时间差，v为行波在电缆中的传播速度。

该方法简单直观，不需要知道电缆的准确长度，根据脉冲反射波还可以识别电缆接头与分接点的位置，测试简单，操作容易，且精度高。

该方法可用于电缆低阻和断路故障测距或用于电缆全长测量，这类故障占所有电缆故障的10%,在电缆故障测试中占有举足轻重的作用。

脉冲反射法中识别故障点的反射波和区别由其它由于不均匀性造成的反射波，如电缆接头反射波，是测试技术的关键。

反射波的幅值主要决定于故障点电阻对波阻抗之比。

接地故障的电阻对波阻抗之比(Rf/Z0)大于10时，反射波幅值只是等于或小于脉冲起始波的5%，而多数接地故障的测试局限了脉冲反射法的应用。

而断线故障由于断线电阻较大，可得几乎100%的反射波幅值，因此脉冲反射波法特别适用于断线故障。

3.脉冲电压法脉冲电压法，又称闪测法。

此方法实际上是行波法离线故障测距的一种形式。

此方法是70年代发展起来的用于测量高阻与闪络故障的方法。

该方法首先将电缆故障在直流或脉冲高压信号下击穿，然后通过记录放电脉冲在测量点与故障点往返一次所需的时间来测距。

脉冲电压法的一个重要优点是不必将高阻与闪络性故障烧穿，直接利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度快，测量过程也得到简化，是电缆故障测试技术的重大进步。

就大部分故障本质来说，基本都属于绝缘体的损坏。

高阻故障是由于绝缘介质的抗电强度下降所致。

因为故障点的阻值高，测量电流小，所以即使用足够灵敏的仪表也难以测量。

对于脉冲法，由于故障点等效阻抗几乎等于电缆特性阻抗，所以反射系数几乎等于零，因得不到反射脉冲而无法测量。

但从介质的电击穿现象出发，只要对电缆加足够高的电压(当然低于最高试验电压)故障点就会发生击穿现象。