CN103616710A

CN103616710A - 基于fpga的多传感器组合导航时间同步系统

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Publication number: CN103616710A
Application number: CN201310692521.3A
Authority: CN
Inventors: 靳文瑞; 王立端
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-03-05

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，包括GNSS接收机、导航传感器组、FPGA模块和组合导航计算机，所述的GNSS接收机和导航传感器组分别与FPGA模块连接，所述的GNSS接收机和FPGA模块分别与组合导航计算机连接；FPGA模块对GNSS接收机输出数据进行解码后获得接收机时间，将接收机时间作为时间标签添加到导航传感器组的测量数据中，编码获得同步测量数据，组合导航计算机对接收到的同步测量数据和GNSS接收机输出数据进行处理，输出最终的导航定位结果。与现有技术相比，本发明可有效消除导航传感器测量数据之间的时间误差，实现高速环境下高精度的组合导航。

Description

基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统

技术领域

本发明涉及一种导航设备领域中的多传感器组合导航时间同步技术，尤其是涉及一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统。

背景技术

多传感器测量数据的时间同步一直是GNSS／INS或多传感器组合导航系统设计过程中极富挑战性的问题。相比较而言，惯性导航(INS)中的测量元件IMU量测没有特定的时间基准，即使是数字化的IMU输出，也只带有连续的采样间隔标志，而没有绝对时间刻度。IMU数据经过导航计算机的数据传输接口进入导航计算机，目前最常见的仍是RS232／RS422等串行接口。接口硬件延迟或导航计算机采用的非实时操作系统，将导致IMU数据的传输延迟无法确认。IMU和GNSS(全球卫星导航系统)接收机(或其他辅助导航传感器)之间未知的时间同步误差，会引入严重的数据源误差致使滤波器发散，即使在好的情况下也只能得到次优的滤波结果。导致惯性传感器和GNSS接收机输出的数据不同步的因素主要可以归纳为：

首先，两个系统的数据更新率不一致。其次，即使选择的GNSS接收机和IMU的数据更新率一致，也不能达到数据的完全同步。另外，数据传输的延迟和两个导航系统不能同时启动等因素，都会对组导测量数据同步产生影响。

下面以GNSS／INS组合导航实际数据为例，探究量测数据的时间同步误差对组合导航系统性能带来的影响。

首先，假定IMU量测与GNSS接收机数据之间的时间异步误差为δt。如果载体速度保持不变，IMU和GPS接收机将经历相同且恒定的位置改变，那么δt就不会引入误差。如果有加速度a存在，异步误差δt将随着INS与GNSS两个系统位置和速度解算的不同而显现出来。为了简单其间，假定加速度a恒定。根据基本运动学方程，GNSS接收机速度与INS解算速度之间差别的累积：

δv=aδt

于是，位置误差的累积为：

δρ = \frac{1}{2} aδ t^{2}

如果时间异步误差为δt=1ms，加速度a=10m／s²，速度和位置累积误差分别为1cm／s和<<1mm。此时，不论IMU精度级别和性能如何，位置误差都可忽略。对于低成本导航系统，速度误差也处于可接受的范围。若是对于价格高昂的导航系统，时间异步误差引起的速度累积误差将成为必须考虑的误差权重，因为高性能INS的短时速度误差和GNSS的速度误差都是处于这一级别(0.01m／s)。由此发现时间同步精度的需求，与载体运动的动态范围(即加速度)的级别密切相关。若时间异步误差δt过大，速度和位置累积误差将达到GNSS／INS组合系统自身组合导航滤波器输出的误差级别，此时必须校正时间同步误差。

国外的研究学者曾将时间同步方法划分为三种：软件编程、硬件解决方案和混合式方案。硬件解决方案是商用产品最常用的方法，基于软件编程的方法的性能与载体的运行轨道密切相关，而且这种方法距离完成导航系统的研制相去甚远。不过有时候，软件同步能够提供足够的同步精度，以满足商用地面车辆导航系统。在国外同领域的研究中，引入了一种使用多功能数据采集卡的混合式时间同步方案。不过数据采集卡的成本往往较高，并不适用于实际组合系统的研制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，将通过对FPGA为IMU和辅助导航传感器的测量数据添加时间标签，将IMU和辅助导航传感器的测量数据统一到GNSS接收机时间上，从根本上消除导航传感器测量数据之间的时间误差，实现高速环境下高精度的组合导航。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，包括GNSS接收机、导航传感器组、FPGA模块和组合导航计算机，所述的GNSS接收机和导航传感器组分别通过FPGA模块的数据接口与FPGA模块连接，所述的GNSS接收机和FPGA模块分别通过组合导航计算机的数据接口与组合导航计算机连接；

FPGA模块接收GNSS接收机的输出数据和导航传感器组的测量数据，对GNSS接收机输出数据进行解码后获得接收机时间，将接收机时间作为时间标签添加到导航传感器组的测量数据中，编码获得同步测量数据发送到组合导航计算机，组合导航计算机对接收到的同步测量数据和GNSS接收机输出数据进行处理，输出最终的导航定位结果。

所述的导航传感器组包括惯性导航测量单元和辅助导航传感器。

所述的辅助导航传感器包括电子罗盘、高度计、深度计、风速仪中的一个或多个。

所述的GNSS接收机的输出数据包括秒脉冲信号、可变频率信号、接收机时间、位置、速度、伪距、载波测量信息和接收机导航状态信息。

所述的FPGA模块将接收机时间作为时间标签添加到导航传感器组的测量数据中，编码获得同步测量数据，具体包括数掘解码步骤、延时累计步骤和编码发送步骤，所述的解码步骤具体为：

101)设置GNSS接收机输出数据的输出格式、速率和类别；

102)设置导航传感器组测量数掘的输出速率；

103)FPGA模块对GNSS接收机的输出数据进行解码，判定接收机输出导航信息的状态，当导航状态可用时获得接收机时间；

104)FPGA模块接收导航传感器组的测量数据，根掘校验和判别测量数掘的有效性，然后剔除测量数据中的校验和及无用数据位；

所述的延时累计步骤具体为：

201)FPGA模块接收GNSS接收机的秒脉冲信号1PPS和可变频率信号VARF；

202)利用VARF作为时钟基准，将1PPS跨越到FPGA模块自身的时钟域系统，产生新的触发脉冲信号ppsFlag，其脉冲宽度持续一个FPGA时钟周期；

203)在FPGA模块中设置延时状态标志，该延时状态标志表示ppsFlag和导航传感器组测量数据之间的延时关系；

204)在FPGA模块中设置时钟延时计数器clknum1，用于累计从ppsFlag开始到它后面第一组导航传感器组的测量数据之间的时间间隔；设置时钟延时计数器clknum2，用于累计导航传感器组相邻两组测量数据之间的时间间隔；

205)根据步骤203)中的延时状态标志，获得ppsFlag和导航传感器组测量数据之间的时间延时；

所述的编码发送步骤具体为：

301)将ppsFlag和导航传感器组测量数据之间的时间延时，添加到相应的接收机时间中，得到当前测量数据接收时间；

302)按协调世界时格式，对当前测量数据接收时间进行二进制编码，获得二进制时间标签；

303)将二进制时间标签与有效的测量数据组合编码，并添加校验标志得到同步测量数据；

304)FPGA模块以大于或等于接收测量数据的速率，发送同步测量数据到组合导航计算机。

所述的二进制时间标签的内容包括：小时、分钟、毫秒、状态标志和延时计数。

所述的组合导航计算机对接收到的同步测量数据和GNSS接收机输出数据进行处理具体为：

组合导航计算机通过数据接口接收同步测量数据和GNSS接收机输出数据，比对GNSS接收机的接收时间和同步测量数据的时间标签，得到同步测量数据与接收机时间之间的时间差；根据同步测量数据带有的时间标签和已知的时间差，将同步测量数据插值到组合导航解算的时刻，采用多传感器融合的组合导航算法求解最终导航定位结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、由于本发明消除了导航传感器测量数据之间的时间误差，从而实现高速环境下高精度的组合导航，本发明适用于高速运行载体的组合导航系统

2、由于GNSS时间基准的存在，每一组GNSS数据都带有绝对时间标签，本发明将IMU和辅助导航传感器的测量数据统一到GNSS接收机时间上，时间同步精度高，对IMU和GNSS接收机之间的时间同步精度可达几十～几百μs，满足大多中高精度GNSS／INS组合系统的同步测量要求，本发明系统自身引入的时间误差处于几十ns的级别；

3、本发明配置方式灵活，具有很强的通用型，可满足多种不同GNSS／INS(或其他多传感器)组合导航系统测量数据的时间同步需求；

4、本发明基于FPGA(现场可编程门阵列)，具有成本低、结构简单的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为FPGA模块的输入输出示意图；

图3为FPGA模块添加时间标签的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，是一种灵活的低成本时间同步系统(FLTS)，实现IMU或其他辅助导航传感器测量数据与GNSS接收机数据之间的时间同步。该时间同步系统包括GNSS(Global NavigationSatellite System，全球卫星导航系统)接收机1、导航传感器组3、FPGA(现场可编程门阵列)模块6和组合导航计算机8，GNSS接收机1带有接收天线2，所述的GNSS接收机1和导航传感器组3分别通过FPGA模块6的数据接口7与FPGA模块6连接，所述的GNSS接收机1和FPGA模块6分别通过组合导航计算机8的数据接口9与组合导航计算机8连接。FPGA模块6接收GNSS接收机1的输出数据和导航传感器组3的测量数据，对GNSS接收机1输出数据进行解码后获得接收机时间，将接收机时间作为时间标签添加到导航传感器组3的测量数据中，编码获得同步测量数据10发送到组合导航计算机8，组合导航计算机8对接收到的同步测量数据10和GNSS接收机输出数据进行处理，输出最终的导航定位结果。

导航传感器组3包括惯性导航测量单元(IMU)4和辅助导航传感器5。所述的辅助导航传感器5包括电子罗盘、高度计、深度计、风速仪中的一个或多个。

本发明系统需要考虑IMU／其他辅助导航传感器、FPGA和GNSS接收机，这三方设备之间以及它们与导航计算机之间的数据通信。

IMU／辅助导航传感器、GNSS接收机与FPGA间的串行通信：FPGA相当于DTE设备(Data Terminal Equipment，数据终端设备)，GNSS接收机和IMU／其他导航传感器相当于DCE设备(Data Communicate Equipment，数据通信设备)。

IMU／辅助导航传感器、GNSS接收机与导航计算机间的串行通信：导航计算机相当于DTE设备，GNSS接收机和IMU／其他导航传感器相当于DCE设备。

FPGA导航计算机的串行通信：导航计算机相当于DTE设备，FPGA相当于DCE设备。

通过修改逻辑功能模块和FPGA器件引脚的调整，IMU与辅助传感器接入FPGA的串行通信接口可以互换，同步测量数据输出串口也可互换使用。

所述的GNSS接收机的输出数据包括秒脉冲信号1PPS(pulse per second)、可变频率信号VARF(Variable Frequency)、接收机时间、位置、速度、伪距、载波测量信息和接收机导航状态信息。FPGA模块6使用的是GNSS接收机1的1PPS、VARF信号和接收机时间为被同步的导航传感器组3的测量数据添加同步时间标签，传送到组合导航计算机8的GNSS接收机1输出数据包括：位置、速度、时间、伪距和载波测量以及接收机导航状态信息等接收机测量数据。

其中，1PPS秒脉冲信号的上升沿与GNSS接收机的解算时间同步。1PPS信号是作为中断信号传送到FPGA，用于触发用户计数器，确定最后一个1PPS脉冲到当前IMU或辅助传感器数据包起始时刻的时间间隔。VARF是一个可编程的频率输出信号，它的可变频率范围为0～20MHz，VARF常用作GPSS接收机时钟域的参考时钟信号。

IMU4的测量数据是数字信号数据包，每一组数据格式有明确定义，其内容包括：内部定时器输出、陀螺仪和加速度计测量结果、温度、校验和等。GNSS接收机1时间以数字时间标签的形式添加在每一组测量数据包之后，并重新进行编码得到IMU4的同步测量数据。

辅助导航传感器5的测量数据是具有明确格式定义的数字信号数据包。一个或多个辅助导航传感器均与FPGA模块6的数据接口7相连接。GNSS接收机1的时间以数字时间标签的形式添加在辅助导航传感器5的每一组测量数据包之后，并重新进行编码得到辅助导航传感器的同步测量数据。

FPGA模块6通过逻辑设计和硬件编程，使用接收机的输出信息和时间，为IMU4和辅助导航传感器5的测量数据添加时间标签来实现组合导航系统不同测量数据之间的时间同步，具体包括数据解码步骤、延时累计步骤和编码发送步骤，如图2-图3所示。

(1)数据解码

设置GNSS接收机1的输出数据的输出格式、速率和类别；

设置导航传感器组3中IMU4和辅助导航传感器5测量数掘的输出速率；

FPGA模块6对GNSS接收机1的输出数据进行解码，判定接收机输出导航信息的状态，当导航状态可用时获得接收机时间；

FPGA模块6接收导航传感器组3的测量数据，根据校验和判别测量数据的有效性，然后剔除测量数据中的校验和及无用数据位。

(2)延时累计

FPGA模块6接收GNSS接收机1的1PPS和VARF信号，1PPS是以VARF为时钟基准的脉冲信号；

利用VARF作为GNSS时间的时钟基准，将IPPS跨越到FPGA模块自身的时钟域系统，产生新的触发脉冲信号ppsFlag；其脉冲宽度持续一个FPGA时钟周期；

在FPGA模块6中设置延时状态标志，该延时状态标志表示ppsFlag和被同步的导航传感器测量数据之间的延时关系；

在FPGA模块6中设置时钟延时计数器clknum1，用于累计从ppsFlag开始到它后面第一组被同步的导航传感器组3的测量数据之间的时间间隔；设置时钟延时计数器clknum2，用于累计被同步的导航传感器组3相邻两组测量数据之间的时间间隔；

根据延时状态标志，确定ppsFlag和被同步的导航传感器测量数据之间的时间延时。

(3)编码发送

将ppsFlag和导航传感器组3测量数据之间的时间延时，添加到相应的接收机时间中，得到当前测量数据接收时间；

按协调世界时(UTC，Universal Time Coordinated)格式，对当前测量数据的接收时间进行二进制编码；二进制时间标签共7个字节，内容包括：小时(5bits)、分钟(6bits)、毫秒(16bits)、状态标志(I bits)和延时计数(28bits)；

将二进制时间标签与有效的测量数据组合编码，并添加新的校验标志得到同步测量数据10；

FPGA模块6以大于或等于接收测量数据的速率，发送同步测量数据10到组合导航计算机8。

FPGA模块6输出IMU4和辅助导航传感器5的同步测量数据，它们与GNSS接收机1输出数据一同被传送到组合导航计算机8。对于组合导航时间同步系统而言，GNSS接收机输出数据和IMU的同步测量数据是两种必需的组合导航数据，辅助导航传感器的同步测量数据是非必须的辅助导航数据。组合导航计算机8通过数据接口9接收同步测量数据10和GNSS接收机1输出数据，比对GNSS接收机1的接收时间和同步测量数据10的时间标签，得到同步测量数据10与接收机时间之间的时间差：通常同步测量数据更新速率要高于GNSS接收机输出数据的速率，因此组合导航解算的最终输出速率由GNSS接收机输出数据速率决定。同时，由于同步测量数据不能恰好出现在进行组合导航解算的时刻。因此，组合导航计算机8需要根据同步测量数据带有的时间标签和已知的时间差，利用高精度插值算法将同步测量数据插值到组合导航解算的时刻，采用多传感器融合的组合导航(滤波等)算法求解最终导航定位结果。

Claims

1.一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，其特征在于，包括GNSS接收机、导航传感器组、FPGA模块和组合导航计算机，所述的GNSS接收机和导航传感器组分别通过FPGA模块的数据接口与FPGA模块连接，所述的GNSS接收机和FPGA模块分别通过组合导航计算机的数据接口与组合导航计算机连接；

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，其特征在于，所述的导航传感器组包括惯性导航测量单元和辅助导航传感器。

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，其特征在于，所述的辅助导航传感器包括电子罗盘、高度计、深度计、风速仪中的一个或多个。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，其特征在于，所述的GNSS接收机的输出数据包括秒脉冲信号、可变频率信号、接收机时间、位置、速度、伪距、载波测量信息和接收机导航状态信息。

5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，其特征在于，所述的FPGA模块将接收机时间作为时间标签添加到导航传感器组的测量数据中，编码获得同步测量数据，具体包括数据解码步骤、延时累计步骤和编码发送步骤，其中，

所述的解码步骤具体为：

101)设置GNSS接收机输出数据的输出格式、速率和类别；

102)设置导航传感器组测量数据的输出速率；

104)FPGA模块接收导航传感器组的测量数据，根据校验和判别测量数据的有效性，然后剔除测量数据中的校验和及无用数据位；

所述的延时累计步骤具体为：

所述的编码发送步骤具体为：

6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，其特征在于，所述的二进制时间标签的内容包括：小时、分钟、毫秒、状态标志和延时计数。

7.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，其特征在于，所述的组合导航计算机对接收到的同步测量数据和GNSS接收机输出数据进行处理具体为：

组合导航计算机通过数据接口接收同步测量数据和GNSS接收机输出数掘，比对GNSS接收机的接收时间和同步测量数据的时间标签，得到同步测量数掘与接收机时间之间的时间差；根据同步测量数据带有的时间标签和已知的时间差，将同步测量数据插值到组合导航解算的时刻，采用多传感器融合的组合导航算法求解最终导航定位结果。