CN106154299A - 一种gps/sins组合导航系统时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种GPS/SINS组合导航系统时间同步方法,针对GPS/SINS组合导航系统数据融合时,必须保证来自两个子系统的数据时间同步的问题,提供一种GPS/SINS组合导航系统时间同步方法,该方法时间同步精度高,实时性好,可消除不同数据源进行融合时由于时间不同步造成的误差,提高组合导航系统的姿态、速度和位置等状态量的最优估计值。
Description
技术领域
本发明属组合导航技术领域,具体涉及一种GPS/SINS组合导航系统时间同步方法。
背景技术
GPS/SINS组合导航系统可以在长时间内提供高精度的导航数据。通过将两种导航系统输出的数据进行数据融合,可以弥补惯性导航误差积累和GPS导航受环境限制的缺点。而在进行数据融合时,必须保证从IMU和GPS接收机接收到的数据在时间上是同步的。所以,解决来自两个不同子系统之间的数据时间同步对于设计GPS/SINS组合导航系统来说非常重要。而GPS和SINS是两个不同的子系统,SINS中IMU有专门的时钟,但在导航过程中由于温度特性等因素的影响,IMU时钟会出现漂移;GPS采用世界协调时UTC时间,并且两者的数据更新频率也不一样,GPS的更新频率通常为1Hz,而SINS的更新频率一般大于20Hz,二者的导航信息在时间上不同步。为了解决二者在时间上的同步问题,一般是通过复杂的硬件电路或高性能的导航计算机来实现,虽然,这种时间同步方法可以得到较高的同步精度,但该方法硬件设计复杂,导致可靠性降低,成本提高,不具有广泛实用性。目前软硬件结合的时间同步方法常采用1PPS脉冲触发CPU中断,获得同步时间差和时标差,然后通过插值处理或多项式拟合,得到在GPS的1PPS时间点上的SINS同步数据。这种采用中断方式获得同步时间和时标差的方法避免了由于SINS频标漂移所引入的误差,比直接递推时标差的精度高,这种方法的缺点是占用较多的CPU时间,而且动态性越大,同步精度越低。中国专利申请200710119971.8所述的一种SDINS/GPS组合导航系统时间同步及同步数据提取方法,以1PPS秒脉冲为基准,生成IMU采样时钟,通过FPGA中的计数器对IMU采样次数进行计数,实现IMU采样与GPS数据的同步。但这两种方法都没有考虑GPS数据通讯延迟时间,限制了同步精度和实时性,因此有必要提出改进。
发明内容
本发明解决的技术问题:提供一种GPS/SINS组合导航系统时间同步方法,针对GPS/SINS组合导航系统数据融合时,必须保证来自两个子系统的数据时间同步的问题,提供一种GPS/SINS组合导航系统时间同步方法,该方法时间同步精度高,实时性好,可消除不同数据源进行融合时由于时间不同步造成的误差,提高组合导航系统的姿态、速度和位置等状态量的最优估计值。
本发明采用的技术方案:一种GPS/SINS组合导航系统时间同步方法,包括下述步骤:
1)以GPS接收机的1PPS秒脉冲为时间同步基准,以FPGA的系统时钟TB作为时基标准,分频产生IMU采样时钟Ts,通过FPGA中计数器1对IMU采样次数进行计数,实现IMU数据采样与1PPS的同步,即实现IMU与GPS数据同步,其中,采用FPGA器件实现时间同步硬件电路,采用DSP进行软件同步,DSP以外部中断方式通过EMIF接口与FPGA中的双口RAM通信读取IMU采集数据和GPS数据,其中,所述硬件电路由FPGA、DSP、配置电路和时钟发生电路组成;
2)每次IMU数据采样完毕,将采样计数值以及IMU数据存入FPGA双口RAM固定地址中,并产生中断信号1到DSP,DSP响应外部中断,通过EMIF接口读取当前时刻IMU数据包;
3)利用FPGA中的计数器2采集GPS串口通讯延迟时间,以系统时钟TB为基频,FPGA接收到1PPS信号的上升沿时触发FPGA计数器2,在FPGA中通过串口接收逻辑接收GPS数据,接收到串口最后一个字节时,计数器2停止计数,保存当前GPS采样数据和计数器2计数值到双口RAM固定地址中,并产生中断信号2到DSP,DSP响应外部中断,通过EMIF接口读取当前时刻GPS数据包;
4)基于SINS的输出变化量在短时间内是精确的基本原理,用SINS在通讯延迟时间的变化量外推计算GPS通讯结束时输出值,以同步后SINS解算结果和GPS通讯结束时输出值,作为观测值进行数据融合和相应的校正。
上述步骤1)中,以GPS接收机的1PPS秒脉冲为基准,在FPGA内,通过硬件描述语言Verilog HDL分频生成周期为1秒,占空比为50%的周期信号T1s。
上述步骤3)中,根据SINS输出频率要求,确定IMU采样时钟周期,当接收到1PPS脉冲信号后,在T1s上升沿时,以FPGA的系统时钟TB作为时基标准,分频产生IMU采样时钟Ts,实现IMU数据采样与1PPS采样时间同步,从而实现IMU数据与GPS数据同步;当未接收到GPS输出的1PPS脉冲时,IMU采样时钟Ts由FPGA的系统时钟TB产生,继续IMU数据采集,在重新接收到GPS的1PPS脉冲时,T1s为正常的周期信号,IMU数据采样时钟Ts在整秒点与GPS脉冲信号1PPS对齐,实现IMU数据采样与1PPS的再次同步,也即实现IMU与GPS数据同步。
上述步骤2)中,通过FPGA中计数器1对每一路IMU采样次数进行计数,在T1s整个周期内,通过采样计数器1对Ts上升沿计数,记录每秒内IMU采样次数,计数器1在下一个T1s上升沿时复位,在每完成一次IMU采样时,将IMU采样数据、当前采样计数值存为一个数据包,将该数据包存于FPGA的双口RAM固定地址中,每次采样完成触发中断1到DSP。
本发明与现有技术相比的优点:
1、以GPS接收机的1PPS秒脉冲为时间同步基准,以FPGA的系统时钟TB作为时基标准,分频产生IMU采样时钟Ts,通过FPGA中计数器1对IMU采样次数进行计数,实现IMU数据采样与1PPS的同步;
2、GPS数据采用RS232串口通信,存在着时间延迟问题,本方案利用FPGA中的计数器2采集GPS串口通讯延迟时间;
3、本方案基于外推法计算GPS通讯结束时输出值,其基本原理是认为SINS的输出变化量在短时间内是精确的,用SINS在通讯延迟时间的变化量外推GPS的输出;
4、本方案以硬件同步为基础,软件同步辅助,所用到的硬件环境全部由一片FPGA开发板来实现,所有时间同步功能通过VerilogHDL硬件编程语言,实现IMU数据与GPS数据在整秒时刻同步;软件同步中解决了由于GPS数据串口通信延迟,导致GPS数据输出不精确,限制同步精度的问题。
附图说明
图1为本发明原理框图;
图2为本发明同步是序图。
具体实施方式
下面结合附图1、2描述本发明的一种实施例:一种GPS/SINS组合导航系统时间同步方法,
1)以GPS接收机的1PPS秒脉冲为时间同步基准,以FPGA的系统时钟TB作为时基标准,分频产生IMU采样时钟Ts,通过FPGA中计数器1对IMU采样次数进行计数,实现IMU数据采样与1PPS的同步,即实现IMU与GPS数据同步,具体说,以GPS接收机的1PPS秒脉冲为基准,在FPGA内,通过硬件描述语言Verilog HDL分频生成周期为1秒,占空比为50%的周期信号T1s,其中,采用FPGA器件实现时间同步硬件电路,采用DSP进行软件同步,DSP以外部中断方式通过EMIF接口与FPGA中的双口RAM通信读取IMU采集数据和GPS数据,其中,所述硬件电路由FPGA、DSP、配置电路和时钟发生电路组成;
2)每次IMU数据采样完毕,将采样计数值以及IMU数据存入FPGA双口RAM固定地址中,并产生中断信号1到DSP,DSP响应外部中断,通过EMIF接口读取当前时刻IMU数据包;具体说,通过FPGA中计数器1对每一路IMU采样次数进行计数,在T1s整个周期内,通过采样计数器1对Ts上升沿计数,记录每秒内IMU采样次数,计数器1在下一个T1s上升沿时复位,在每完成一次IMU采样时,将IMU采样数据、当前采样计数值存为一个数据包,将该数据包存于FPGA的双口RAM固定地址中,每次采样完成触发中断1到DSP。
3)利用FPGA中的计数器2采集GPS串口通讯延迟时间,以系统时钟TB为基频,FPGA接收到1PPS信号的上升沿时触发FPGA计数器2,在FPGA中通过串口接收逻辑接收GPS数据,接收到串口最后一个字节时,计数器2停止计数,保存当前GPS采样数据和计数器2计数值到双口RAM固定地址中,并产生中断信号2到DSP,DSP响应外部中断,通过EMIF接口读取当前时刻GPS数据包;具体说,根据SINS输出频率要求,确定IMU采样时钟周期,当接收到1PPS脉冲信号后,在T1s上升沿时,以FPGA的系统时钟TB作为时基标准,分频产生IMU采样时钟Ts,实现IMU数据采样与1PPS采样时间同步,从而实现IMU数据与GPS数据同步;当未接收到GPS输出的1PPS脉冲时,IMU采样时钟Ts由FPGA的系统时钟TB产生,继续IMU数据采集,在重新接收到GPS的1PPS脉冲时,T1s为正常的周期信号,IMU数据采样时钟Ts在整秒点与GPS脉冲信号1PPS对齐,实现IMU数据采样与1PPS的再次同步,也即实现IMU与GPS数据同步。
4)基于SINS的输出变化量在短时间内是精确的基本原理,用SINS在通讯延迟时间的变化量外推计算GPS通讯结束时输出值,以同步后SINS解算结果和GPS通讯结束时输出值,作为观测值进行数据融合和相应的校正。
本发明方法具体步骤如下:
第一步:以GPS接收机的1PPS秒脉冲为基准,在FPGA内,通过硬件描述语言VerilogHDL分频生成周期为1秒,占空比为50%的周期信号,图2为本发明的同步时序图,其中T1s即为周期1秒,占空比为50%的周期信号。
第二步:根据SINS输出频率要求,确定IMU采样时钟周期。当接收到1PPS脉冲信号后,在T1s上升沿时,以FPGA的系统时钟TB作为时基标准,分频产生IMU采样时钟Ts,实现IMU数据采样与1PPS采样时间同步,从而实现IMU数据与GPS数据同步。当未接收到GPS输出的1PPS脉冲时,IMU采样时钟Ts由FPGA的系统时钟TB产生,继续IMU数据采集,在重新接收到GPS的1PPS脉冲时,T1s为正常的周期信号,IMU数据采样时钟Ts在整秒点与GPS脉冲信号1PPS对齐,实现IMU数据采样与1PPS的再次同步,也即实现IMU与GPS数据同步。
第三步:通过FPGA中计数器1对每一路IMU采样次数进行计数,在T1s整个周期内,通过采样计数器1对Ts上升沿计数,记录每秒内IMU采样次数,计数器1在下一个T1s上升沿时复位。在每完成一次IMU采样时,将IMU采样数据、当前采样计数值存为一个数据包,将该数据包存于FPGA的双口RAM固定地址中,每次采样完成触发中断1到DSP。
第四步:GPS数据通讯延迟时间TGPS的计算,GPS数据1秒接收1次,接收数据相对1PPS有延迟时间,延迟时间TGPS包括串口响应时间Td和数据接收时间Tr。Td可通过测量得到,但存在测量误差;Tr可根据串口接收字节数和波特率计算,但Tr与接收数据长短有关。
本发明利用FPGA中的计数器2对GPS串口通讯延迟时间计数,得到的计数值即为延迟时间TGPS。以系统时钟TB为基频,接收到1PPS信号的上升沿时触发计数器2,接收到GPS串口最后一个字节时,计数器2停止计数,保存当前GPS采样数据和计数器2计数值到双口RAM固定地址中,并产生中断信号2到DSP,DSP响应外部中断,通过EMIF接口读取当前时刻GPS数据包。
第五步:基于外推法计算GPS通讯结束时输出值,其基本原理是认为SINS的输出变化量在短时间内是精确的,用SINS在通讯延迟时间的变化量外推GPS的输出。简要处理步骤如下:
记第i个1PPS脉冲到来的时刻Tpi,GPS通讯结束时间为Tpi+TGPS,
通讯延迟时间为TGPS。
1)每一次IMU数据采样完成后,发送中断信号1到DSP,DSP读取存储在双口RAM中的IMU采样数据和采样计数值1,调用捷联惯导算法,计算当前姿态、速度和位置,并将1PPS秒脉冲内所有位置和速度存储;
2)1PPS脉冲信号内,GPS数据采样完成后,发送中断信号2到DSP,DSP读取存储在双口RAM中的GPS数据和采样计数值2。将得到的GPS采样计数值2与IMU采样计数值1比对,计数值1和计数值2相同的IMU惯性解算值作为Tpi+TGPS时刻的SINS解算的位置和速度值。
3)Tpi+TGPS时刻SINS的解算结果与1PPS上升沿到来时的Tpi时刻SINS的解算结果相减,得到1PPS内GPS通讯延迟时间TGPS内SINS的变化量。因SINS的输出变化量在短时间内是精确的,该变化量也可以作为GPS在通讯延迟时间TGPS内GPS应该具有的位置和速度变化量。4)将由DSP接收到的1PPS时刻GPS的输出数据进行外推,即加上SINS在通讯延迟时间内的变化量,得到Tpi+TGPS时刻GPS输出值。
5)利用Tpi+TGPS时刻的SINS解算结果和GPS外推输出值,作为量测值,在Tpi+TGPS时刻进行数据融合和相应的校正。
上述实施例,只是本发明的较佳实施例,并非用来限制本发明实施范围,故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化,均应包括在本发明权利要求范围之内。
Claims (4)
1.一种GPS/SINS组合导航系统时间同步方法,其特征在于包括下述步骤:
1)以GPS接收机的1PPS秒脉冲为时间同步基准,以FPGA的系统时钟TB作为时基标准,分频产生IMU采样时钟Ts,通过FPGA中计数器1对IMU采样次数进行计数,实现IMU数据采样与1PPS的同步,即实现IMU与GPS数据同步,其中,采用FPGA器件实现时间同步硬件电路,采用DSP进行软件同步,DSP以外部中断方式通过EMIF接口与FPGA中的双口RAM通信读取IMU采集数据和GPS数据,其中,所述硬件电路由FPGA、DSP、配置电路和时钟发生电路组成;
2)每次IMU数据采样完毕,将采样计数值以及IMU数据存入FPGA双口RAM固定地址中,并产生中断信号1到DSP,DSP响应外部中断,通过EMIF接口读取当前时刻IMU数据包;
3)利用FPGA中的计数器2采集GPS串口通讯延迟时间,以系统时钟TB为基频,FPGA接收到1PPS信号的上升沿时触发FPGA计数器2,在FPGA中通过串口接收逻辑接收GPS数据,接收到串口最后一个字节时,计数器2停止计数,保存当前GPS采样数据和计数器2计数值到双口RAM固定地址中,并产生中断信号2到DSP,DSP响应外部中断,通过EMIF接口读取当前时刻GPS数据包;
4)基于SINS的输出变化量在短时间内是精确的基本原理,用SINS在通讯延迟时间的变化量外推计算GPS通讯结束时输出值,以同步后SINS解算结果和GPS通讯结束时输出值,作为观测值进行数据融合和相应的校正。
2.根据权利要求1所述的GPS/SINS组合导航系统时间同步方法,其特征在于:上述步骤1)中,以GPS接收机的1PPS秒脉冲为基准,在FPGA内,通过硬件描述语言Verilog HDL分频生成周期为1秒,占空比为50%的周期信号T1s。
3.根据权利要求1所述的GPS/SINS组合导航系统时间同步方法,其特征在于:上述步骤3)中,根据SINS输出频率要求,确定IMU采样时钟周期,当接收到1PPS脉冲信号后,在T1s上升沿时,以FPGA的系统时钟TB作为时基标准,分频产生IMU采样时钟Ts,实现IMU数据采样与1PPS采样时间同步,从而实现IMU数据与GPS数据同步;当未接收到GPS输出的1PPS脉冲时,IMU采样时钟Ts由FPGA的系统时钟TB产生,继续IMU数据采集,在重新接收到GPS的1PPS脉冲时,T1s为正常的周期信号,IMU数据采样时钟Ts在整秒点与GPS脉冲信号1PPS对齐,实现IMU数据采样与1PPS的再次同步,也即实现IMU与GPS数据同步。
4.根据权利要求1所述的GPS/SINS组合导航系统时间同步方法,其特征在于:上述步骤2)中,通过FPGA中计数器1对每一路IMU采样次数进行计数,在T1s整个周期内,通过采样计数器1对Ts上升沿计数,记录每秒内IMU采样次数,计数器1在下一个T1s上升沿时复位,在每完成一次IMU采样时,将IMU采样数据、当前采样计数值存为一个数据包,将该数据包存于FPGA的双口RAM固定地址中,每次采样完成触发中断1到DSP。
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