CN111256691A - 基于gnss/mems惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法，同一晶振时钟驱动射频、GNSS基带以及MEMS传感器高频采样；将时钟误差加入组合导航滤波器来估计时钟误差并修正；在有星时形成时钟的绝对时间，在无星或存在干扰下进行时钟估计的精度外推获取时间基准；通过此时间基准的芯片对各个导航终端在同一时间基准下进行组网。本发明可靠有星状态下形成绝对时间基准，在无星或受干扰情况下根据外推形成绝对时间基准，从而使得装配该芯片的导航设备都处于同一时间基准下，形成组网设备的协同工作时间。

Description

基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种基于GNSS/MEMS组合导航芯片的组网硬件统一时间基准建立的。
背景技术
卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satellite System)具有提供绝对定位坐标和时间基准的特性，且误差不随时间积累，但存在无线电信号易受遮挡和干扰的不足，进而造成定位精度和时间精度的下降。以MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)惯性传感器为基础部件的惯性导航具有不受干扰、完全自主式导航的特点，但误差随时间积累。惯性/卫星导航紧密相结合的组合充分发挥了二者的优势，组合系统可以在弱星环境下利用惯导的优势保持系统的位置和时间精度。
GNSS通常采用精度较低的晶振做为时钟源用于产生本地时间和频率基准，以降低硬件成本。本地频率用于对输入的射频信号降频并产生本地复制信号，经导航解算后依据频率基准可以产生本地时间，用于系统的对外授时。在星况开阔的条件下，卫星接收机端的时钟误差可以得到准确估计，从而提供以轨道卫星星钟为基准的绝对时间。经过时钟误差估计与补偿后，地面接收机尽管使用精度较低的本地时钟，但通常也可以提供精度为几十纳秒级别的绝对时间基准。时间基准的硬件表现形式为秒脉冲PPS(pulse-per-second)，PPS的触发沿严格对准绝对时间的整秒时刻。
以MEMS惯性传感器(即陀螺和加速度计)为基础的惯性测量单元IMU(inertialmeasurement unit)具有体积小、成本低、功耗低等明显优点，在GNSS信号丢失、受多径干扰等环境下可以保持系统的连续可靠输出。惯性测量单元通过高速采样加速度计测量的三维的线性运动和陀螺测量载体的三维角运动，从而进行积分来获取速度、位置和姿态。MEMS惯导无绝对时间基准，其相对时间依赖于驱动采样的晶振时钟。
低成本的组合导航芯片硬件一般由射频单元、GNSS基带单元和MEMS单元组成。三个单元在芯片中均由同一晶振做为时钟驱动，完成降频、捕获与跟踪、惯性信号同步采样等功能。可靠星况下，该时钟依赖于GNSS基带单元获取的绝对时间形成时间基准，在无星或弱星请款下，绝对时间依据误差补偿后的晶振时钟进行外推。该晶振精度为0.5ppm即5x10-6时稳定度的晶振已经是本地时钟晶振较好的选择，显然单纯依靠该级别的本地时钟是无法提供高精度的时间基准。因此，芯片中需要更为先进的算法来实现低成本同时满足时间精度的目标，特别是在大众应用场景中更易出现的无星或弱星环境下如何保持精度具有很大技术挑战。
时钟的误差包含钟差和钟漂，二者做为GNSS/MEMS组合芯片导航解算滤波器中的待估计误差量，GNSS跟踪环路的伪距和多普勒用于组合滤波器观测输入。对于纯GNSS而言，需要持续保持4颗以上的卫星才能维持时钟的误差估计，但在无星状态或存在干扰情况下，时钟误差无法估计与补偿，因此GNSS将失去时间基准或精度严重下降。GNSS/MEMS的组合芯片的解算中，在无星状态或存在干扰情况下，时钟的误差可保持持续的估计与修正，能够对外提供不间断的、可靠的时间基准。
多个导航定位终端在系统中组网协同工作是典型的应用场景，如无人驾驶列队行进、编队飞行、码头货柜调运、同步相机触发等，时间基准缺乏将造成各单元工作无统一关联，设备同步工作系统失效。各个定位终端以GNSS/MEMS组合导航芯片为基础，依托本发明提出的时间基准建立方法。指定其中一终端为主系统，其余终端为从系统，则可组成协同定位系统工作网，即便在无星或弱星的情况下也可使组网中的各设备工作于统一的时间基准。
发明内容
1、本发明的目的
本发明的目的是提供一种GNSS/MEMS组合导航芯片的组网硬件统一时间基准建立的技术。
2、本发明所采用的技术方案
本发明公开了一种基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法：
同一晶振时钟驱动射频、GNSS基带以及MEMS传感器高频采样；
将时钟误差加入组合导航滤波器来估计时钟误差并修正；
在有星时形成时钟的绝对时间，在无星或存在干扰下进行时钟估计的精度外推获取时间基准；
通过此时间基准的芯片对各个导航终端在同一时间基准下进行组网。
更进一步，使用同一晶振做为组合芯片中GNSS单元和MEMS单元的共同时钟基准，具体为：
该晶振频率的倍频逻辑产生将GNSS射频信号将为中频信号的基准频率，依据分频逻辑产生GNSS基带处理的频率基准NCO；分频逻辑同时产生MEMS惯性运动测量量的采样基准，其时序同步同样依托经补偿的时钟。
需要说明的是该时钟可采用低成本的晶振，并无高精度器件的约束。
更进一步，建立GNSS/MEMS组合滤波器，时钟误差为待估计状态：
组合滤波算法选用待估计误差作为状态，可构建如下GNSS/IMU组合的状态方程。
Xk+1＝Φk+1/kXk+wk (1)
其中,
X
＝[δPn δPe δPd δVn δVe δVd δAr δAp δAhabx aby abz gbx gby gbzCb cd]T (2)
X表示待估计的17维误差状态向量；
[δPn δPe δPd]T表示三维位置误差，北东地方向；
[δVn δVe δVd]T表示三维速度误差，北东地方向；
[δAr δAp δAh]T表示横滚、俯仰、航向组成的三维姿态误差；
[abx aby abz]T表示沿机体坐标系上的三轴加速度计的零偏，假设为一阶高斯马尔可夫模型；
[gbx gby gbz]T表示沿机体坐标系上的三轴陀螺的零偏，假设为一阶高斯马尔可夫模型；
wk为k时刻的白噪声驱动下的系统响应，零均值高斯分布假设；
[Cb Cd]T表示接收机的钟差与钟漂，随机常数模型假设；
Φk+1/k为惯导从k时刻到k+1时刻状态转移矩阵，其由惯导基本方程在估计真值点的泰勒级数展开得到。
组合滤波器的观测方程可由如下公式描述
Zk+1＝Hk+1Xk+1+nk+1 (3)
其中
Zk+1是噪声为nk+1的观测值，噪声假设为高斯分布；Hk+1为连接观测值与估计状态的设计矩阵。
更进一步，使用卫星的伪距和多普勒为滤波器观测量
则每一对伪距和多普勒观测量为
Figure BDA0002385649320000041
其中,ρIMU,fdopp-IMU分别为IMU计算得到的伪距和多普勒，ρi,fidopp-GPS为第i颗卫星的伪距和多普勒测量值，m表示m颗有效卫星。
其中IMU的伪距和多普勒可推导出以下计算公式
Figure BDA0002385649320000042
Figure BDA0002385649320000043
(5)和(6)式中
(xI,yI,zI)表示IMU的位置，ECEF(Earth Centered Earth Fix)坐标系；
(vINS,x,vINS,y,vINS,z)表示IMU的速度，ECEF坐标系；(xs,k,ys,k,zs,k)表示第k颗卫星的位置，ECEF坐标；(vSV,xk,vSV,yk,vSV,zk)表示第k颗卫星的速度，ECEF坐标系；λ为该卫星信号的波长；(ekx,eky,ekz)为第k颗星的视距向量。
其对应的设计矩阵可写为
Figure BDA0002385649320000044
其中E为由当前估计位置和卫星位置所决定的视距向量组成的视距矩阵。
更进一步，根据时钟误差估计校正NCO输出，NCO控制基带信号的产生。
更进一步，根据时钟误差估计调整传感器采样与GNSS时间的时序同步。
更进一步，根据传感器误差估计校正惯性传感器测量信号。
更进一步，输出PPS信号用于组网设备的时间同步；
更进一步，各个定位终端以GNSS/MEMS组合导航芯片为基础，任意指定其中一终端为主系统，其余终端为从系统，则可组成协同定位系统工作网。在无星或弱星的情况下也可使组网中的各设备工作于统一的时间基准。
3、本发明所采用的有益效果
(1)本发明使用同一晶振做为组合芯片中GNSS单元和MEMS单元的共同时钟基准，该时钟可采用低成本的晶振，通过组合导航滤波器对该时钟的误差进行估计并予以补偿，从而可在无星或存在干扰的情况下持续提供精准的时间基准。
(2)本发明的GNSS和MEMS单元由同一晶振提供时钟，结合GNSS接收机的观测量与MEMS惯性传感器的观测量在组合滤波器中对时钟的误差进行估计，将所估计的钟差和钟漂进行补偿，在可靠有星状态下形成绝对时间基准，在无星或受干扰情况下根据外推形成绝对时间基准，从而使得装配该芯片的导航设备都处于同一时间基准下，形成组网设备的协同工作时间。
附图说明
图1为GNSS/MEMS组合芯片的原理架构；
图2为基于组合芯片的组网工作方式。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
实施例1
使用同一晶振时钟驱动射频、GNSS基带以及MEMS传感器高频采样；通过将时钟误差加入组合导航滤波器来估计时钟误差并修正；在可靠有星时形成时钟的绝对时间，在无星或存在干扰下依托时钟估计的精度外推获取时间基准；以具备此时间基准的芯片为基础的各个导航终端进行组网工作，则可工作在同一时间基准下。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立技术，如图1所示，具体实施方式为：使用同一晶振时钟驱动射频、GNSS基带以及MEMS传感器高频采样；通过将时钟误差加入组合导航滤波器来估计时钟误差并修正；在可靠有星时形成时钟的绝对时间，在无星或存在干扰下依托时钟估计的精度外推获取时间基准；以具备此时间基准的芯片为基础的各个导航终端进行组网工作，则可工作在同一时间基准下。
可使用该技术的定位终端涉及但不限于如无人驾驶列队行进、编队飞行、码头货柜调运、同步相机触发等。
第一步：使用同一晶振做为组合芯片中GNSS单元和MEMS单元的共同时钟基准。
该晶振频率的倍频逻辑产生将GNSS射频信号将为中频信号的基准频率，依据分频逻辑产生GNSS基带处理的频率基准NCO(numericallycontrol oscillator)；分频逻辑同时产生MEMS惯性运动测量量的采样基准，其时序同步同样依托经补偿的时钟。
需要说明的是该时钟可采用低成本的晶振，并无高精度器件的约束。
第二步：建立GNSS/MEMS组合滤波器，时钟误差为待估计状态。
组合滤波算法选用待估计误差作为状态，可构建如下GNSS/IMU组合的状态方程。
Xk+1＝Φk+1/kXk+wk (1)
其中,
X
＝[δPn δPe δPd δVn δVe δVd δAr δAp δAhabx aby abz gbx gby gbzCb Cd]T (2)
X表示待估计的17维误差状态向量；
[δPn δPe δPd]T表示三维位置误差，北东地方向；
[δVn δVe δVd]T表示三维速度误差，北东地方向；
[δAr δAp δAh]T表示横滚、俯仰、航向组成的三维姿态误差；
[abx aby abz]T表示沿机体坐标系上的三轴加速度计的零偏，假设为一阶高斯马尔可夫模型；
[gbx gby gbz]T表示沿机体坐标系上的三轴陀螺的零偏，假设为一阶高斯马尔可夫模型；
wk为k时刻的白噪声驱动下的系统响应，零均值高斯分布假设；
[Cb Cd]T表示接收机的钟差与钟漂，随机常数模型假设；
Φk+1/k为惯导从k时刻到k+1时刻状态转移矩阵，其由惯导基本方程在估计真值点的泰勒级数展开得到。
组合滤波器的观测方程可由如下公式描述
Zk+1＝Hk+1Xk+1+nk+1 (3)
其中
Zk+1是噪声为nk+1的观测值，噪声假设为高斯分布。H为连接观测值与估计状态的设计矩阵。
第三步：使用卫星的伪距和多普勒为滤波器观测量
则每一对伪距和多普勒观测量为
Figure BDA0002385649320000071
其中,ρIMU,fdopp-IMU分别为IMU计算得到的伪距和多普勒，ρi,fidopp-GPS为第i颗卫星的伪距和多普勒测量值，m表示m颗有效卫星。
其中IMU的伪距和多普勒可推导出以下计算公式[4,8]
Figure BDA0002385649320000072
Figure BDA0002385649320000073
(5)和(6)式中
(xI,yI,zI)表示IMU的位置，ECEF(Earth Centered Earth Fix)坐标系；
(vINS,x,vINS,y,vINS,z)表示IMU的速度，ECEF坐标系；(xs,k,ys,l,zs,k)表示第k颗卫星的位置，ECEF坐标；(vsv,xk,vsv,yk,vsv,zk)表示第k颗卫星的速度，ECEF坐标系；λ为该卫星信号的波长；(ekx,eky,ekz)为第k颗星的视距向量。
其对应的设计矩阵可写为
Figure BDA0002385649320000074
其中E为由当前估计位置和卫星位置所决定的视距向量组成的视距矩阵。
第四步：根据时钟误差估计校正NCO输出，NCO控制基带信号的产生
第五步：根据时钟误差估计调整传感器采样与GNSS时间的时序同步；
第六步：根据传感器误差估计校正惯性传感器测量信号；
第七步：输出PPS信号用于组网设备的时间同步；
第八步：各个定位终端以GNSS/MEMS组合导航芯片为基础，任意指定其中一终端为主系统，其余终端为从系统，则可组成协同定位系统工作网。在无星或弱星的情况下也可使组网中的各设备工作于统一的时间基准。
本发明由于无需使用高精度晶振，时钟的误差可保持持续的估计，将所估计的钟差和钟漂进行补偿，在可靠有星状态下形成绝对时间基准，在无星或受干扰情况下根据外推形成绝对时间基准。从而芯片能够对外提供不间断的、可靠的时间基准。各个定位终端以GNSS/MEMS组合导航芯片为基础，在无星或弱星的情况下也可使组网中的各设备工作于统一的时间基准。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法，其特征在于：
同一晶振时钟驱动射频、GNSS基带以及MEMS传感器高频采样；
将时钟误差加入组合导航滤波器来估计时钟误差并修正；
在有星时形成时钟的绝对时间，在无星或存在干扰下进行时钟估计的精度外推获取时间基准；
通过此时间基准的芯片对各个导航终端在同一时间基准下进行组网。
2.根据权利要求1所述的基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法，其特征在于使用同一晶振做为组合芯片中GNSS单元和MEMS单元的共同时钟基准，具体为：
该晶振频率的倍频逻辑产生将GNSS射频信号将为中频信号的基准频率，依据分频逻辑产生GNSS基带处理的频率基准NCO；分频逻辑同时产生MEMS惯性运动测量量的采样基准，其时序同步同样依托经补偿的时钟。
3.根据权利要求1所述的基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法，其特征在于建立GNSS/MEMS组合滤波器，时钟误差为待估计状态：
组合滤波算法选用待估计误差作为状态，可构建如下GNSS/IMU组合的状态方程。
Xk+1＝Φk+1/kXk+wk (1)
其中，
X＝[δPn δPe δPd δVn δVe δVd δAr δAp δAhabx aby abz gbx gby gbz Cb Cd]T (2)
X表示待估计的17维误差状态向量；
[δPn δPe δPd]T表示三维位置误差，北东地方向；
[δVn δVe δVd]T表示三维速度误差，北东地方向；
[δAr δAp δAh]T表示横滚、俯仰、航向组成的三维姿态误差；
[abx aby abz]T表示沿机体坐标系上的三轴加速度计的零偏，假设为一阶高斯马尔可夫模型；
[gbx gby gbz]T表示沿机体坐标系上的三轴陀螺的零偏，假设为一阶高斯马尔可夫模型；
wk为k时刻的白噪声驱动下的系统响应，零均值高斯分布假设；
[Cb Cd]T表示接收机的钟差与钟漂，随机常数模型假设；
Φk+1/k为惯导从k时刻到k+1时刻状态转移矩阵，其由惯导基本方程在估计真值点的泰勒级数展开得到；
组合滤波器的观测方程可由如下公式描述
Zk+1＝Hk+1Xk+1+nk+1 (3)
其中
Zk+1是噪声为nk+1的观测值，噪声假设为高斯分布；Hk+1为连接观测值与估计状态的设计矩阵。
4.根据权利要求3所述的基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法，其特征在于使用卫星的伪距和多普勒为滤波器观测值
则每一对伪距和多普勒观测量为
Figure FDA0002385649310000021
其中，ρIMU，fdopp-IMU分别为IMU计算得到的伪距和多普勒，ρi，fidopp-GPS为第i颗卫星的伪距和多普勒测量值，m表示m颗有效卫星。
其中IMU的伪距和多普勒可推导出以下计算公式
Figure FDA0002385649310000022
Figure FDA0002385649310000023
(5)和(6)式中
(xI，yI，zI)表示IMU的位置，ECEF(Earth Centered Earth Fix)坐标系；
(vINS，x，vINS，y，vINS，z)表示IMU的速度，ECEF坐标系；(xs，k，ys，k，zs，k)表示第k颗卫星的位置，ECEF坐标；(vSV，xk，vSV，yk，vSV，zk)表示第k颗卫星的速度，ECEF坐标系；λ为该卫星信号的波长；(ekx，eky，ekz)为第k颗星的视距向量。
其对应的设计矩阵可写为
Figure FDA0002385649310000031
其中E为由当前估计位置和卫星位置所决定的视距向量组成的视距矩阵。
5.根据权利要求4所述的基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法，其特征在于根据时钟误差估计校正NCO输出，NCO控制基带信号的产生。
6.根据权利要求5所述的基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法，其特征在于根据时钟误差估计调整传感器采样与GNSS时间的时序同步。
7.根据权利要求6所述的基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法，其特征在于根据传感器误差估计校正惯性传感器测量信号。
8.根据权利要求7所述的基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法，其特征在于输出PPS信号用于组网设备的时间同步。
9.根据权利要求8所述的基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法，其特征在于各个定位终端以GNSS/MEMS组合导航芯片为基础，随机指定其中一终端为主系统，其余终端为从系统，组成协同定位系统工作网。
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