基于GPS授时及时钟细分的管线破坏定位

3.3时钟细分
GPS时间信息与秒脉冲同步，每秒发一个脉冲，若接收时刻处于两相邻秒脉冲之间时，仅读取GPS UTC时间会产生较大误差，为使定位更加精确，对时钟进行了细分。C8051F020单片机16位定时器有高字节和低字节两个寄存器，计数最大可以达65536，经编程使每个机器周期为20μs，定时时间可以到1.31s，足以完成在每秒中断内的时间定时。赋值高字节数据给变量timerH，低字节数据给变量timerL，经过处理换算为十进制数值即为计数个数，再乘以20μs可以得到准确的秒内定时时间，赋值给一个存储定时时间的数据结构timerTime，精度可达到20μs。图4为时钟同步与细分时序图，C8051F020程序流程图如图5所示。

图4 时钟同步与细分时序图

图5 核心处理单元程序流程图

时钟细分的工作过程为： C8051F020采用中断方式接收GPS的UTC时间信息，每秒由GPS接收器的PPS产生INT0中断，响应中断后，在INT0 中断服务程序中，定时器先清零后启动，以便进行时钟细分，同时通过UART0接收GPS时间帧信息。当下一个PPS触发INT0时，同样定时器先清零后启动，存储时间数据结构更新。这样INT0中断周而复始，每秒中断一次；外部INT1由专用DSP芯片的P11端口触发，且被设为最高优先级，如果外部INT1中断被触发，表示声音识别单元已经将破坏声波识别成功，主程序立即转向INT1中断服务程序，读定时器的高字节和低字节寄存器的数据，CPU经过处理将时间信息与GPS时间帧合并制成时间标签。

3.4实验结果
破坏信息报文包含年，月，日，时，分，秒，精度20 s的微秒时间信息以及破坏方式特征编码等，例如如图6所示：20060423 085026.82366 06，表示在2006年4月23日8时50分26秒823660微秒时刻，DSC接收到来自站点13573100603的破坏方式编码为06信息报文。

图6接收的报文信息

如果DSC接收到管线上下游各监测站点的报文信息，解码提取声波信号传播至各站点的时刻后，经程序简单处理，对破坏方式进行识别，并由公式(6)可以对破坏点进行精确定位，理论误差小于1m。

4结论
运用GPS授时为基准的时钟同步细分技术，准确获得破坏特征声波信号传播至各监控站点的时刻，通过时间标签的换算可以分别确定破坏点特征信号向上游和下游传播的速度，然后再利用时间标签的差值和各监控站点之间的距离即可确定管道破坏的精确位置。实验中取得了良好效果。在管道安全受到威胁或造成破坏之前，提前发出警报，并快速准确地判定事发地点，使被动巡线转变为主动并有目标地出击，可有效遏制钻孔盗窃现象，节约大量的人力、物力和财力，为国家财产安全和环境保护提供一种新的有效的技术保障。

本文的主要创新点：(1) 给出声波沿管线不同方向传播的速度测定方法，推导出实际破坏点定位的计算公式；(2) 将GPS授时及时钟细分技术用于输送管线各监控站点的时钟同步，提高破坏点定位精度，实现了对传输管线破坏精确定位的预警监测。