CN109799523A - 一种天文组合导航系统时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天文组合导航系统时间同步方法，天文组合导航系统的FPGA接收到GNSS的有效PPS秒脉冲、外部授时源的PPS秒脉冲、微型芯片原子钟的PPS中的一种或者几种，通过PPS同步得到天文组合导航系统使用的PPS秒脉冲；天文组合导航系统的FPGA同时接收GNSS的有效协调世界时间和外部授时源的时间，FPGA将同步后的PPS秒脉冲作为时间计时起始基准，得到系统内部时间，满足天文组合导航系统对时间精度的要求。本发明不影响整个系统数据采样同步，生成不同频率采样脉冲、时间，评估各个单元时间系统精度并实时调整。

Description

一种天文组合导航系统时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种时间同步方法，属于组合导航技术领域，可用于天文组合导航系统时间同步，也可以用于其它组合导航系统时间同步。

背景技术

天文导航(CNS)是以已知准确空间位置的自然天体为基准，通过天体测量仪器被动探测天体位置，经解算确定测量点所在载体的导航信息。

由于从地球到恒星的方位基本保持不变，因此天体测量仪器就相当于惯性导航系统中没有漂移的陀螺仪，因此天文导航非常适合长时间自主运行和导航定位精度要求较高的领域，如：航空领域中的远程侦察机、运输机、轰炸机、预警机等；航天领域中的卫星、飞船、空间站、深空探测器、远程导弹等；航海领域中的舰船、潜艇等。虽然天文导航具有上述优点，但是也存在不足之处，如：输出信息不连续；在某些情况下会受到外界环境的影响，如航空、航海领域的应用容易受到气候条件的影响等。

而惯性导航系统(INS)具有连续输出载体位置速度和姿态信息、短时导航精度高、导航参数全、完全独立自主等突出优点。但是，受自身惯性器件误差漂移的影响，惯性导航系统导航误差随时间累积，不适用于长航时载体平台。卫星导航定位、授时精度高，但无法提供姿态，且易受干扰，战时可用性低。

天文/惯性/卫星(CNS/INS/GNSS)组合导航系统，该系统由天文导航、惯性导航、卫星导航组成。CNS、INS和GNSS三者构成组合导航系统具有优势互补性，能够有效提高导航系统的精度和可靠性，已成为远程长航时机载导航技术的重要发展方向。

根据天文导航系统中的星敏感器天文观测原理，天文模块需要根据系统时间实时解算恒星赤经赤纬，还需要解算天文格林威治角，该角的解算精度会直接影响天文定位精度，同时该角度的变化地球自转相关，为了尽量减小天文格林威治角的解算误差，使之远小于1〃，地球自转角速度大约为15〃/s，则需要系统时间精度△t*15<<1〃，也就是要求时间精度优于1ms。

在天文组合导航系统中，天文系统测量天体及定位、定向需要准确时间，惯性系统的IMU、转台等单元需要高精度的采样同步时间。另外天文组合导航系统内部有多个传感器，不同传感器的时间采样频率不同，例如GNSS的更新率是1Hz，INS的更新率是200Hz，CNS的更新率是50Hz，在进行组合导航时候需要知道同一个时刻不同传感器的数据。

为了保证整个系统具有准确绝对时间以及各个单元间通信的准确性和实时性,需要有一个有效的方法来实现系统的时间同步。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种天文组合导航系统的时间同步方法，通过FPGA完成时间同步，实现了组合系统的各个单元部件时间协调，保证了整个组合导航系统的精确授时与同步。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)天文组合导航系统的FPGA接收到GNSS的有效PPS秒脉冲、外部授时源的PPS秒脉冲、微型芯片原子钟的PPS中的一种或者几种，通过PPS同步得到天文组合导航系统使用的PPS秒脉冲；同步后的PPS秒脉冲作为天文组合导航系统的时间计数起始基准，同时也可以对微型芯片原子钟的PPS进行校准；

(2)天文组合导航系统的FPGA同时接收GNSS的有效协调世界时间和外部授时源的时间，所述的GNSS的有效协调世界时间是指UTC时间；所述的外部授时源的时间是UTC时间、北京时间或动态本地时间；FPGA接收时间后采用主寄存器和临时寄存器存储时间基准，将临时寄存器值将作为主寄存器时间修正值对时间进行同步，将同步后的时间作为系统绝对时间的起始计时基准；

(3)FPGA将同步后的PPS秒脉冲作为时间计时起始基准，同步后的时间作为绝对时间的计时起始基准，在计时起始基准上用综合时钟对绝对时间基准进行累加，得到系统内部时间，精度级别是ns级，满足天文组合导航系统对时间精度的要求。

本发明的有益效果是：

(1)采用FPGA接收PPS(GNSS的PPS、外部授时源的PPS、微型芯片原子钟的PPS)、时间(GNSS的UTC时间、外部授时源的时间)，其中一种或多种不可用时，FPGA仍可由系统时钟分频计数，不影响整个系统数据采样同步。

(2)采用主寄存器和临时寄存器，在时间同步时将临时寄存器值将作为主寄存器时间修正值，完成时间同步。

(3)FPGA根据每个传感器单元采样要求，生成不同频率采样脉冲、时间，并通过差分信号发送给每个传感器单元。

(4)FPGA周期性比较天文组合导航系统的各个传感器单元时间和自身时间差异，评估各个单元时间系统精度并实时调整。

附图说明

图1为天文组合系统时间同步组成框图，其中虚线框是利用FPGA实现的时间同步功能；

图2为PPS秒脉冲同步工作原理框图；

图3为时间同步工作原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明通过FPGA对接收的PPS(GNSS的PPS、外部授时源的PPS、微型芯片原子钟的PPS)、时间(GNSS的UTC时间、外部授时源的时间)同步，将同步的PPS、时间作为系统时间计时基准。依据不同传感器单元对时间同步要求，FPGA产生不同采样脉冲、时钟、时间作为传感器时间同步基准，实现天文组合导航系统中卫星导航、INS、CNS、转台等各个传感器单元时间同步，提高数据采样准确性和系统精度。

本发明的具体步骤如下：

(1)PPS秒脉冲接收同步：天文组合导航系统的FPGA可以同时接收三类PPS秒脉冲来源，即GNSS的有效PPS秒脉冲、外部授时源的PPS秒脉冲、微型芯片原子钟的PPS。天文组合导航系统接收到三类不同来源PPS秒脉冲的一种或者几种，通过PPS同步方法对一个或多个PPS进行综合处理，得到天文组合导航系统使用的PPS秒脉冲。同步后的PPS秒脉冲作为天文组合导航系统的时间计数起始基准，同时也可以对微型芯片原子钟的PPS进行校准；

(2)时间接收同步：天文组合导航系统的FPGA可以同时接收两类来源的时间，即GNSS的有效协调世界时(UTC时间)、外部授时源的时间(可以是UTC时间、北京时间、动态本地时间)。天文组合导航系统FPGA接收时间后，采用主寄存器和临时寄存器两组寄存器，将临时寄存器值将作为主寄存器时间修正值对时间进行同步，将同步后的时间作为系统绝对时间的起始计时基准。

(3)时间同步计时：天文组合导航系统的FPGA将同步后的PPS秒脉冲作为时间计时起始基准，同步后的时间作为绝对时间的计时起始基准，在计时起始基准上用综合时钟(10MHz和40Mhz综合)对绝对时间基准进行累加，得到系统内部时间，精度级别是ns级，满足天文组合导航系统对时间精度的要求。

保证天文组合导航系统长航时的时间精度，同时减少传输间信号干扰，FPGA将同步后的采样脉冲、时钟通过差分转换电路发送给天文组合系统的CNS、INS、转台等单元。

为了评估长时间工作过程中，天文组合导航系统的每个单元时间系统工作是否正常，天文组合导航系统的每个单元定时将时间通过串口发送给FPGA，FPGA比较传感器单元发送过来的时间和FPGA自身计数时间确定各个传感器单元的时间系统是否正常工作。

本发明的实施例中，通过FPGA对接收的PPS(GNSS的PPS、外部授时源的PPS、微型芯片原子钟的PPS)、时间(GNSS的UTC时间、外部授时源的时间)同步，将同步的PPS、时间作为系统时间计时基准。

天文组合导航系统中不同传感器单元对时间同步要求不同，如INS要求1000Hz采样，200Hz解算，CNS需要50Hz采样，FPGA产生不同采样脉冲、时钟、时间满足不同传感器采样同步需求，实现天文组合导航系统中卫星导航、INS、CNS、转台等各个传感器单元时间同步。

工作过程中FPGA会周期比较传感器单元发送过来的时间和FPGA自身计数时间确定各个传感器单元的时间系统是否正常工作，自动调整发送给每个传感器的时间。

天文组合系统时间同步组成框图参照图1，FPGA实现的时间同步方法具体实施步骤如下：

(1)FPGA的PPS秒脉冲接收同步：PPS秒脉冲同步工作原理如图2所示。系统初始上电时候，FPGA依据原子钟的PPS上升沿为基准产生脉冲宽度10ms，周期1s的本地参照PPS。

有输入PPS(GNSS的PPS秒脉冲、外部授时源PPS)时候，FPGA进行PPS同步操作，无输入PPS无效，退出同步操作，天文组合导航系统采用系统初始上电的本地参照PPS。

当有输入PPS时，FPGA首先进行有效性判决，避免干扰信号对系统的误触发。FPGA主要采用PPS秒脉冲宽带进行有效性判定，PPS秒脉冲宽度大于一定阈值(如10ms)，则认为是有效的PPS，否则认为是干扰信号。

FPGA进行PPS同步操作时，首先测量本地参照PPS和输入PPS的相差，根据相差测量结果进行数字移相，完成PPS同步，输出PPS。

(2)FPGA的时间接收同步：FPGA的时间同步采用两组寄存器存储时间基准，一组寄存器负责系统时间基准，叫主寄存器，另外一组寄存器负责临时时间基准，在每一个有效PPS的上升沿自动清零并开始从零计时，叫临时寄存器。参照图3，系统初始上电时候，主寄存器和临时寄存器均清零并从零开始计时。

主寄存器从零开始计时，如果有PPS上升沿则进入时间同步，否则持续累加计时，为系统输出相对时间。在PPS计时1s周期内，如果有输入时间，那么主寄存器值更新为输入时间并停止计时,接着利用临时寄存器计时的数值调整主寄存器值，完成时间合成并以合成时间为基准进行计时，为组合导航系统输出时间。

临时寄存器计时周期为2s，在每一个计时周期内判断是否有秒脉冲上升沿，如果在计时周期内没有秒脉冲上升沿，那么临时寄存器清零并重新开始计时，如果有秒脉冲上升沿，那么设置临时寄存器计时周期为1s，清零寄存器并重新从零开始计时。临时寄存器计时周期1s内，如果计时周期内没有输入时间，那么设置临时寄存器计时周期为2s，清零寄存器并重新从零开始计时，如果计时周期内有输入时间，那么将临时寄存器值将作为主寄存器时间基准修正值，进行时间合成。

通过上述操作，FPGA时间和输入时间同步，使系统具有了绝对时间。天文组合导航系统采用10M和40M时钟，可以实现ns级别计时，也就是天文组合导航系统的时间同步精度达到ns级别。

(3)FPGA的时间同步计时：FPGA将同步后的PPS秒脉冲作为时间计时起始基准，同步后的时间作为绝对时间计时起始基准，在计时起始基准上用综合时钟(10MHz和40Mhz综合后生成本地40M时钟)对绝对时间进行累加，得到精度级别是ns的系统内部时间。

在天文组合导航系统中，每个传感器采样频率不一样，INS要求1000Hz采样脉冲，200Hz解算同步，CNS需要200Hz采样脉冲，50Hz时间同步，转台需要8000Hz采用脉冲，200Hz解算同步，在FPGA产生的系统内部时间基础上通过分频产生不同频率采样脉冲，通过时间计时产生不同周期时间同步基准，为了减少传输间信号干扰，同步脉冲、同步时间通过差分信号传输给INS、CNS、转台等传感器单元。

在工作过程中，天文组合导航系统需要实时监测每个传感器内部时间精度，如果时间精度误差较大，通过调整发送的同步时间来调整。天文组合导航系统的每个单元定时将时间通过串口发送给FPGA，FPGA比较传感器单元发送过来的时间和FPGA自身计数时间确定各个传感器单元的时间系统是否正常工作。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种天文组合导航系统时间同步方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)天文组合导航系统的FPGA接收到GNSS的有效PPS秒脉冲、外部授时源的PPS秒脉冲、微型芯片原子钟的PPS中的一种或者几种，通过PPS同步得到天文组合导航系统使用的PPS秒脉冲；同步后的PPS秒脉冲作为天文组合导航系统的时间计数起始基准，同时也可以对微型芯片原子钟的PPS进行校准；

(2)天文组合导航系统的FPGA同时接收GNSS的有效协调世界时间和外部授时源的时间，所述的GNSS的有效协调世界时间是指UTC时间；所述的外部授时源的时间是UTC时间、北京时间或动态本地时间；FPGA接收时间后采用主寄存器和临时寄存器存储时间基准，将临时寄存器值将作为主寄存器时间修正值对时间进行同步，将同步后的时间作为系统绝对时间的起始计时基准；

(3)FPGA将同步后的PPS秒脉冲作为时间计时起始基准，同步后的时间作为绝对时间的计时起始基准，在计时起始基准上用综合时钟对绝对时间基准进行累加，得到系统内部时间，精度级别是ns级，满足天文组合导航系统对时间精度的要求。