CN103823231A - 适用于gnss和mimu深组合的时间同步方法及系统 - Google Patents

适用于gnss和mimu深组合的时间同步方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统，包括：接收模块，接收模块用于接收卫星星历时间、卫星基带模块输出的脉冲信号以及MIMU系统发送的MIMU数据；计数器，计数器用于在接收模块接收到MIMU数据时，对脉冲信号进行计数；时间合成模块，用于根据计数器对脉冲信号的计数值得到MIMU数据的获取时间相对卫星星历时间的时间差，并根据时间差为MIMU数据生成时间标签以使MIMU系统与卫星系统进行时间同步。根据本发明的实施例的可消除不同数据源进行融合滤波时由时间不同步造成的误差，提高导航系统的姿态、速度和位置等状态量最优估计值.本发明还提出了一种适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法。

Description

适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法及系统
技术领域
本发明设计导航控制技术领域，特别涉及一种适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法及系统。
背景技术
目前单独卫星导航在低信噪比和高动态环境下会引起频率和相位跟踪误差的振荡，而捷联惯导能承受更高动态应力，短时性好、不受干扰。为实现优势互补，获得高精度、高抗干扰性能的导航系统，将各导航子系统从底层硬件对各系统进行组合。通过一体化架构设计，数字基带处理部分对射频部分输出的数字中频信号进行判断，确定卫星信号的多普勒频移和码相位值后，转入数字基带处理部分的跟踪环节，将跟踪环输出结果送入综合处理器。来自不同子系统的数据没有统一时间坐标系，且数据接口的传输延迟和操作系统的处理机制，造成进入综合处理器进行融合滤波的数据点不同步，影响滤波结果，将不可靠的滤波结果反馈回子系统进行校正，进一步导致融合滤波结果的精度下降。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统。该系统可消除不同数据源进行融合滤波时由时间不同步造成的误差，提高导航系统的姿态、速度和位置等状态量最优估计值。
本发明的另一目的在于提出一种适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提供了一种适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统，包括：接收模块，所述接收模块用于接收卫星星历时间、卫星基带模块输出的脉冲信号以及MIMU系统发送的MIMU数据；计数器，所述计数器用于在所述接收模块接收到所述MIMU数据时，对所述脉冲信号进行计数；时间合成模块，用于根据所述计数器对所述脉冲信号的计数值得到所述MIMU数据的获取时间相对所述卫星星历时间的时间差，并根据所述时间差为所述MIMU数据生成时间标签以使所述MIMU系统与卫星系统进行时间同步。
根据本发明实施例的系统能够将来自不同子系统（如MIMU系统和卫星系统）、没有统一时间坐标系且受数据接口传输延迟影响的数据流，通过北斗II星历时间和基带模块输出的1PPS脉冲，结合422接口对MIMU数据的脉冲计数和触发控制，将数据统一打上时间标签。使其在时间域内的非同步误差抑制在一定范围内，提高后续融合滤波效果消除不同数据源由时间不同步造成的误差。
另外，根据本发明上述实施例的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述接收模块包括：EMIF接口，所述EMIF接口用于接收来自卫星接收机发送的所述卫星星历时间；GP接口，所述GP接口用于接收来自所述卫星基带模块输出的脉冲信号；422接口，所述422接口用于接收所述MIMU系统发送的MIMU数据。
在一些示例中，所述MIMU数据包括MIMU系统输出的三轴角速度和加速度。
在一些示例中，所述时间合成模块用于通过同步和时间合成的方式为所述卫星星历时间和所述MIMU数据建立一个时间坐标，以根据所述时间坐标得到所述卫星星历时间和所述MIMU数据之间的时间差。
本发明第二方面的实施例提供了一种适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法，包括以下步骤：接收卫星星历时间、卫星基带模块输出的脉冲信号以及MIMU系统发送的MIMU数据；在接收到所述MIMU数据时，对所述脉冲信号进行计数；根据所述计数器对所述脉冲信号的计数值得到所述MIMU数据的获取时间相对所述卫星星历时间的时间差，并根据所述时间差为所述MIMU数据生成时间标签以使所述MIMU系统与卫星系统进行时间同步。
根据本发明实施例的方法能够将来自不同子系统（如MIMU系统和卫星系统）、没有统一时间坐标系且受数据接口传输延迟影响的数据流，通过北斗II星历时间和基带模块输出的1PPS脉冲，结合422接口对MIMU数据的脉冲计数和触发控制，将数据统一打上时间标签。使其在时间域内的非同步误差抑制在一定范围内，提高后续融合滤波效果消除不同数据源由时间不同步造成的误差。
另外，根据本发明上述实施例的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，其中，通过EMIF接口接收来自卫星接收机发送的所述卫星星历时间，通过GP接口接收来自所述卫星基带模块输出的脉冲信号，通过422接口接收所述MIMU系统发送的MIMU数据。
在一些示例中，所述MIMU数据包括MIMU系统输出的三轴角速度和加速度。
在一些示例中，所述时间差通过如下方式得到：通过同步和时间合成的方式为所述卫星星历时间和所述MIMU数据建立一个时间坐标；根据所述时间坐标得到所述卫星星历时间和所述MIMU数据之间的时间差。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统的结构框图；
图2是根据本发明一个实施例的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统的工作步骤示意图；以及
图3是根据本发明一个实施例的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述根据本发明实施例的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统及方法。
图1是根据本发明一个实施例的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统的结构框图。如图1所示，根据本发明一个实施例的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统100，包括：接收模块110、计数器120和时间合成模块130。
其中，接收模块110用于接收卫星星历时间、卫星基带模块输出的脉冲信号以及MIMU系统发送的MIMU数据。计数器120用于在接收模块110接收到MIMU数据时，对脉冲信号进行计数。时间合成模块130用于根据计数器对脉冲信号的计数值得到MIMU数据的获取时间相对卫星星历时间的时间差，并根据时间差为MIMU数据生成时间标签以使MIMU系统与卫星系统进行时间同步。在该实例中，MIMU数据包括但不限于：MIMU系统输出的三轴角速度和加速度。
在上述示例中，时间合成模块130可通过同步和时间合成的方式为卫星星历时间和MIMU数据建立一个时间坐标，以根据时间坐标得到所述卫星星历时间和所述MIMU数据之间的时间差。
进一步地，结合图1所示，接收模块110进一步包括：EMIF接口111、GP接口112和422接口113。EMIF接口111用于接收来自卫星接收机发送的卫星星历时间。GP接口112用于接收来自卫星基带模块输出的脉冲信号。422接口113用于接收MIMU系统发送的MIMU数据。
本发明实施例的系统可通过同步和时间合成消除各子系统数据接口传输延迟和操作系统非实时性引起的未知时间延迟。并且，可通过同步处理消除在高动态环境下，由高加加速度和高加速度造成融合数据点的非同步误差，提高融合滤波精度。
本发明实施例的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统用于消除来自例如MIMU系统和北斗II接收机两个系统的数据之间的时间异步误差，对数据源进行时间域误差上的消除。该系统可根据北斗II星历时间和基带模块输出的1PPS（Pulse Per Second）脉冲，结合MIMU数据输入到422接口实现计数脉冲和触发控制功能。计数器对1PPS脉冲计数结合卫星星历时间，通过时间合成模块将输入MIMU数据打上时间标签，以消除不同数据源由时间不同步造成的误差。EMIF接口可采用IP核来实现EMIF协议，为异步存储器、同步突发静态存储器、同步动态存储器等三类存储器提供无缝接口，通过EMIF接口读取卫星接收机导航处理器的星历时间。GP接口可采用FPGA的IP核配置端口为通用I/O，读取卫星接收机基带模块的1PPS，作为计数器的输入脉冲。422接口可采用IP核来实现422协议，读取外部MIMU三轴角速率w和加速度a。计数器和时间合成模块可通过对FPGA编程实现，在MIMU数据触发422中断同时管理计数器控制信号，对GP接口1PPS脉冲计数，得到MIMU数据源相对于卫星时间的时间标签。进而得到两者的时间差，再利用高精度插值法，消除由时间差造成的误差。
如图2所示，该系统首先从接收机导航处理器里读取卫星时间，用计时器1获取1PPS标志，当计数器2判断MIMU帧尾到达后读取计数器1/2，通过时间合成将MIMU数据打上时间标签消除非同步误差。
由上可知，本发明实施例的系统能够将来自不同子系统（如MIMU系统和卫星系统）、没有统一时间坐标系且受数据接口传输延迟影响的数据流，通过北斗II星历时间和基带模块输出的1PPS脉冲，结合422接口对MIMU数据的脉冲计数和触发控制，将数据统一打上时间标签。使其在时间域内的非同步误差抑制在一定范围内，提高后续融合滤波效果消除不同数据源由时间不同步造成的误差。
也就是说，本发明实施例的系统针对高动态环境下，导航系统受高加加速度和大g值加速度作用时，造成自于没有统一时间坐标系的不同子系统、不同接口传输延迟影响的数据流之间的异步误差不能忽略时，造成进入综合处理器进行融合滤波的数据点不同步。不同步数据点及不可靠的滤波结果反馈回子系统进行校正，进一步导致融合滤波结果精度降低或滤波器发散。本发明采用北斗II星历时间和基带模块输出的1PPS脉冲，结合422接口对MIMU输入数据的脉冲计数和触发控制，将数据统一打上时间标签。使其在时间域内非同步误差抑制在一定范围内，提高后续融合滤波效果。
图3是根据本发明一个实施例的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法的流程图。如图3所示，本发明实施例的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法包括以下步骤：
步骤S101：接收卫星星历时间、卫星基带模块输出的脉冲信号以及MIMU系统发送的MIMU数据。其中，MIMU数据包括MIMU系统输出的三轴角速度和加速度。
步骤S102：在接收到MIMU数据时，对脉冲信号进行计数。
步骤S103：根据计数器对脉冲信号的计数值得到MIMU数据的获取时间相对卫星星历时间的时间差，并根据时间差为MIMU数据生成时间标签以使MIMU系统与卫星系统进行时间同步。其中，时间差通过如下方式得到：通过同步和时间合成的方式为所述卫星星历时间和所述MIMU数据建立一个时间坐标；根据所述时间坐标得到所述卫星星历时间和所述MIMU数据之间的时间差。
其中，通过EMIF接口接收来自卫星接收机发送的所述卫星星历时间，通过GP接口接收来自所述卫星基带模块输出的脉冲信号，通过422接口接收所述MIMU系统发送的MIMU数据。
可以理解的是，本发明实施例的方法所采用的详细的技术手段与本发明实施例的系统所采用的详细技术手段类似，因此，本发明实施例的方法的具体实现过程可参见本发明实施例的系统的具体实现过程的描述，此处，为了减少冗余，不做赘述。
本发明实施例的方法能够将来自不同子系统（如MIMU系统和卫星系统）、没有统一时间坐标系且受数据接口传输延迟影响的数据流，通过北斗II星历时间和基带模块输出的1PPS脉冲，结合422接口对MIMU数据的脉冲计数和触发控制，将数据统一打上时间标签。使其在时间域内的非同步误差抑制在一定范围内，提高后续融合滤波效果消除不同数据源由时间不同步造成的误差。
也就是说，本发明实施例的方法针对高动态环境下，导航系统受高加加速度和大g值加速度作用时，造成自于没有统一时间坐标系的不同子系统、不同接口传输延迟影响的数据流之间的异步误差不能忽略时，造成进入综合处理器进行融合滤波的数据点不同步。不同步数据点及不可靠的滤波结果反馈回子系统进行校正，进一步导致融合滤波结果精度降低或滤波器发散。本发明采用北斗II星历时间和基带模块输出的1PPS脉冲，结合422接口对MIMU输入数据的脉冲计数和触发控制，将数据统一打上时间标签。使其在时间域内非同步误差抑制在一定范围内，提高后续融合滤波效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统，其特征在于，包括：
接收模块，所述接收模块用于接收卫星星历时间、卫星基带模块输出的脉冲信号以及MIMU系统发送的MIMU数据；
计数器，所述计数器用于在所述接收模块接收到所述MIMU数据时，对所述脉冲信号进行计数；
时间合成模块，用于根据所述计数器对所述脉冲信号的计数值得到所述MIMU数据的获取时间相对所述卫星星历时间的时间差，并根据所述时间差为所述MIMU数据生成时间标签以使所述MIMU系统与卫星系统进行时间同步。
2.根据权利要求1所述的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统，其特征在于，所述接收模块包括：
EMIF接口，所述EMIF接口用于接收来自卫星接收机发送的所述卫星星历时间；
GP接口，所述GP接口用于接收来自所述卫星基带模块输出的脉冲信号；
422接口，所述422接口用于接收所述MIMU系统发送的MIMU数据。
3.根据权利要求1所述的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统，其特征在于，所述MIMU数据包括MIMU系统输出的三轴角速度和加速度。
4.根据权利要求1所述的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步系统，其特征在于，所述时间合成模块用于通过同步和时间合成的方式为所述卫星星历时间和所述MIMU数据建立一个时间坐标，以根据所述时间坐标得到所述卫星星历时间和所述MIMU数据之间的时间差。
5.一种适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收卫星星历时间、卫星基带模块输出的脉冲信号以及MIMU系统发送的MIMU数据；
在接收到所述MIMU数据时，对所述脉冲信号进行计数；
根据所述计数器对所述脉冲信号的计数值得到所述MIMU数据的获取时间相对所述卫星星历时间的时间差，并根据所述时间差为所述MIMU数据生成时间标签以使所述MIMU系统与卫星系统进行时间同步。
6.根据权利要求5所述的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法，其特征在于，其中，
通过EMIF接口接收来自卫星接收机发送的所述卫星星历时间，通过GP接口接收来自所述卫星基带模块输出的脉冲信号，通过422接口接收所述MIMU系统发送的MIMU数据。
7.根据权利要求5所述的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法，其特征在于，所述MIMU数据包括MIMU系统输出的三轴角速度和加速度。
8.根据权利要求5-7任一项所述的适用于GNSS和MIMU深组合的时间同步方法，其特征在于，所述时间差通过如下方式得到：
通过同步和时间合成的方式为所述卫星星历时间和所述MIMU数据建立一个时间坐标；
根据所述时间坐标得到所述卫星星历时间和所述MIMU数据之间的时间差。
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