CN113783652B - 一种组合导航系统的数据同步方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种组合导航系统的数据同步方法和装置，所述方法包括：获取秒脉冲信号，根据秒脉冲信号修正所述组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；监测卫星接收机的定位信息，根据定位信息预测卫星接收机的定位观测值；根据定位观测值对组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对组合导航系统实现数据同步。在基于秒脉冲进行定位时间基准同步的前提下，通过监测得到的定位信息对卫星接收机的定位观测值进行预测，在组合系统的时间同步的情况下同时解决时间同步后组合导航解算的实时性问题，保证整个组合导航系统数据同步的实时性，能够在高动态运动场景下避免产生较大的导航误差。

Description

一种组合导航系统的数据同步方法和装置
技术领域
本发明涉及导航技术领域，特别是涉及一种组合导航系统的数据同步方法和一种组合导航系统的数据同步装置。
背景技术
GNSS/INS组合导航系统可以将卫星导航定位系统(Global NavigationSatellite System，简称GNSS)，与惯性导航系统(Inertial Navigation System，简称INS)进行组合，其主要是将二者的优势进行组合，能够提供连续的、高精度的导航信息(位置、速度和姿态)，然而GNSS/INS组合导航系统通常会存在从IMU(Inertial Measurement Unit，惯性传感器)和GNSS接收机输出的导航数据不同步的问题。
现有的INS/GNSS组合导航系统的时间同步，通常是利用GPS秒脉冲(Pulse PerSecond，简称PPS)对系统时钟进行重置或以GPS秒脉冲为基准生成系统时间同步信号，以对齐INS和GNSS信息，然而由于组合导航计算单元获取该卫星接收机定位的观测值时已存在“滞后”现象，其无法解决时间同步后组合导航解算的实时性问题，在运动场景，特别是在高动态运动场景下会产生较大的导航误差。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种组合导航系统的数据同步方法和相应的一种组合导航系统的数据同步装置。
本发明实施例公开了一种组合导航系统的数据同步方法，所述方法包括：
获取秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号修正所述组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值；
根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对所述组合导航系统实现数据同步。
可选地，所述根据所述秒脉冲信号修正所述组合导航系统的系统时间，包括：
接收每秒脉冲信号，基于所述每秒脉冲信号的当前触发时刻获取上一次卫星定位时间的周内秒信息；
采用所述上一次卫星定位时间的周内秒信息的整数部分与每秒脉冲信号周期的和，作为修正后的系统时间。
可选地，还包括：
在未检测到秒脉冲信号时，通过所述组合导航系统的内部部件，对所述系统时间进行推算；
在对系统时间进行修正之后，还包括：
在检测所述惯性传感器进行采样时，采用修正后的系统时间对所述惯性传感器的采样时刻进行相应采样时间戳的标注。
可选地，所述定位信息包括基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息，所述监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值，包括：
若基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息已更新，则从所述定位信息中获取用于表示卫星定位位置更新的卫星定位时间戳，以及获取所述惯性传感器采样时刻的相应采样时间戳；
根据所述卫星定位时间戳和所述采样时间戳，对所述卫星接收机的定位观测值进行预测。
可选地，所述根据所述卫星定位时间戳和所述采样时间戳，对所述卫星接收机的定位观测值进行预测，包括：
根据卫星定位信息时间戳及其与惯性传感器时间戳的差值，并采用外推法对所述卫星接收机的定位观测值进行预测；其中，所述卫星定位信息时间戳与惯性传感器时间戳的差值用于表示卫星接收机自身的定位解算及信息传输中的耗时影响因子。
可选地，所述卫星定位时间戳用于标注检测到周内秒信号的时刻；所述根据所述卫星定位时间戳和所述采样时间戳，对所述卫星接收机的定位观测值进行预测，包括：
从所述卫星定位时间戳中获取本次卫星定位位置更新的周内秒信息和上一次卫星定位位置更新的周内秒信息，以及获取本次更新的卫星定位位置和上一次更新的卫星定位位置；
采用所述本次卫星定位位置更新的周内秒信息、上一次卫星定位位置更新的周内秒信息、本次更新的卫星定位位置、上一次更新的卫星定位位置和所述采样时间戳，计算得到所述卫星接收机基于所述惯性传感器采样时刻的定位观测值。
可选地，所述根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，包括：
获取所述惯性传感器的传感器信息，并采用所述传感器信息对所述组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算；
采用解算得到的惯导位置和所述定位观测值确定所述组合导航系统中惯导系统和定位系统的误差量，并基于所述误差量建立状态空间方程；
基于所述状态空间方程得到的误差信息估计值，对所述组合导航系统进行初始对准，得到同步融合后的组合导航定位数据。
可选地，所述根据基于所述状态空间方程得到的误差信息估计值，对所述组合导航系统进行初始对准，得到同步融合后的组合导航定位数据，包括：
采用所述状态空间方程进行滤波融合解算，得到针对所述组合导航系统中惯导系统的误差信息估计值；
将所述误差信息估计值补偿至所述惯导系统输出的惯性导航数据，得到实时同步融合的组合导航定位数据。
可选地，所述方法还包括：
在所述卫星接收机的定位信息未更新时，对所述组合导航系统中惯导系统的惯导位置进行惯性推算，得到惯性导航数据。
可选地，对所述组合导航系统中惯导系统的惯导位置进行惯性推算得到惯性导航数据，包括：
获取所述惯性传感器的传感器信息；
采用所述传感器信息对所述组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算，得到惯性导航数据。
可选地，所述传感器信息包括加速度信息、角速度信息、采样时间戳；所述采用所述传感器信息对所述组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算，包括：
采用所述角速度信息、采样时间戳建立姿态阵链乘，并采用所述姿态阵链乘更新惯导姿态矩阵；
从更新后的惯导姿态矩阵中获取载体坐标系下比力增量在导航坐标系下的转换投影值，采用所述加速度信息和所述转换投影值更新惯导速度；
采用更新后的惯导速度对所述惯导系统的惯导位置进行更新，完成对惯性导航解算的解算。
本发明实施例还公开了一种组合导航系统的数据同步装置，所述装置包括：
系统时间修正模块，用于获取秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号修正所述组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
定位观测值预测模块，用于监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值；
导航定位融合解算模块，用于根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据数据，以对所述组合导航系统实现数据同步。
本发明实施例还公开了一种导航芯片，包括：处理器；存储处理器可执行的存储器；其中，所述处理器耦合于所述存储器，用于读取所述存储器存储的程序指令，并作为响应，执行任一项所述组合导航系统的数据同步方法的步骤。
本发明实施例还公开了一种导航模组，包括：处理器；存储处理器可执行的存储器；其中，所述处理器耦合于所述存储器，用于读取所述存储器存储的程序指令，并作为响应，执行任一项所述组合导航系统的数据同步方法的步骤。
本发明实施例还公开了一种导航设备，包括：处理器；存储处理器可执行的存储器；其中，所述处理器耦合于所述存储器，用于读取所述存储器存储的程序指令，并作为响应，执行任一项所述组合导航系统的数据同步方法的步骤。
本发明实施例还公开了一种交通工具，包括：所述组合导航系统的数据同步装置、处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现任一项所述组合导航系统的数据同步方法的步骤。
本发明实施例包括以下优点：
在本发明实施例中，可以根据秒脉冲信号修正组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步，并在时间基准同步的基础上，通过监测得到的卫星接收机的定位信息，预测卫星接收机的定位观测值，以便根据预测得到的定位观测值对组合导航系统进行融合解算，能够得到同步融合后的组合导航定位数据。在基于秒脉冲进行定位时间基准同步的前提下，通过监测得到的定位信息对卫星接收机的定位观测值进行预测后进行融合解算，无需在修正时间戳后“等待”获取同一时刻的卫星接收机数据再进行融合解算，在组合系统的时间同步的情况下同时解决时间同步后组合导航解算的实时性问题，保证整个组合导航系统数据同步的实时性，能够在高动态运动场景下避免产生较大的导航误差。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的一种组合导航系统的数据同步方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中提供的修正系统时间的示意图；
图3是本发明实施例中提供的另一种组合导航系统的数据同步方法的步骤流程图；
图4是本发明实施例中提供的预测定位观测值的示意图；
图5是本发明实施例中提供的又一种组合导航系统的数据同步方法的步骤流程图；
图6是本发明实施例中提供的组合导航系统的数据同步方法的实施过程示意图；
图7是本发明实施例中提供的一种组合导航系统的数据同步装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
GNSS/INS组合导航系统通常会存在数据不同步的问题，主要会由于时间起点和基准不同、数据更新频率不一致、电路时延等原因，导致从惯性传感器IMU和GNSS接收机输出的导航数据不同步。
具体的，INS和GNSS分别是两个独立的系统，其分别与不同的时间系统对应，时间基准和起点不一致，其中，GNSS接收机使用的是UTC(Coordinated Universal Time，协调世界时，是世界上调节时钟和时间的主要时间标准)时间，主要是依靠秒点与UTC时间一致，能够保证其时间间隔的稳定性，而惯导系统INS具有自身的时钟，其是依靠内部电路中的晶振为基准实现计时器计时，导致INS和GNSS两个系统之间的时间起点和基准不同；且GNSS接收机和惯导系统INS的数据更新频率是不同的，惯导系统可达到200Hz，而卫星接收机一般为1Hz，惯性传感器未必在每个数据更新时刻都有对应的卫星定位观测值；以及，在电路板中，测量、数模转换、采样过程中均会产生耗时，这样就会导致惯导数据和导航信息传输过程中存在时间误差，在GNSS接收机和惯导系统INS数据传输到组合导航系统中的数据采集板时将会产生传输时延。
现有的INS/GNSS组合导航系统的时间同步，通常是利用GPS秒脉冲对系统时钟进行重置或以GPS秒脉冲为基准生成系统时间同步信号，用该修正后的系统时间给惯性传感器采样信息打上相应时间戳，以对齐INS和GNSS信息，然而由于组合导航计算单元获取该卫星接收机定位的观测值时已存在“滞后”，即便能够基于GPS秒脉冲的方式实现组合系统的时间同步，但无法解决时间同步后组合导航解算的实时性问题，例如惯性传感器和卫星接收机的定位信息；基于前述数据同步方法的组合导航系统通常会在获取最新惯性传感器数据时，通过其修正时间戳“等待”获取同一时刻的卫星接收机数据再进行融合解算，以实现两者信息的同步，但这种方式将会造成整个系统实时性下降，在高动态运动场景下会产生较大的导航误差。
本发明实施例的核心思想之一是在基于秒脉冲进行定位时间基准同步的前提下，通过监测得到的定位信息对卫星接收机的定位观测值进行预测，其中，基于GPS秒脉冲对系统时间进行以GPS周内秒为准的修正，并对INS中的IMU数据加注了相应时间戳，实现了IMU和GNSS系统的时间同步；基于IMU修正的时间戳和GPS周内秒，对GNSS定位信息观测值进行预测，然后进行组合导航解算，无需在修正时间戳后“等待”获取同一时刻的卫星接收机数据再进行融合解算，提高观测值的实时性，进一步提高组合导航解算的实时性，即在实现IMU和GNSS时间同步的同时，提高时间同步后组合导航解算的实时性，保证整个组合导航系统数据同步的实时性，能够在高动态导航中具备更高的定位精度，从而优化高动态运动场景中的导航定位精度。
参照图1，示出了本发明实施例中提供的一种组合导航系统的数据同步方法的步骤流程图，具体可以包括如下步骤：
步骤101，获取秒脉冲信号，根据秒脉冲信号修正组合导航系统的系统时间；
在本发明的一种实施例中，可以利用GPS秒脉冲为基准对组合导航系统的系统时间进行修正，实现对系统中卫星接收机和惯性传感器的时间基准的同步。
在本发明实施例中，组合导航系统中卫星接收机所依靠的秒点与UTC时间一致，能够保证其时间间隔的稳定性，且卫星接收机测量采样能够严格在秒脉冲点进行，而组合导航系统中的惯导系统其所依靠的内部电路中的晶振会由于受到温度特性等因素时钟发生漂移，在对组合导航系统的系统时间进行修正的过程中，本质上是对组合导航系统中的惯导系统的系统时间进行修正，且卫星接收机的系统时间较为稳定，具体可以表现为通过卫星接收机发出的GPS秒脉冲修正系统时间，以保证惯导系统INS和GNSS接收机之间的实时时间同步。
具体的，主要是对系统中卫星接收机的卫星定位时间，和惯导系统中惯性传感器的采样时间的时间基准进行同步。
在实际应用中，对惯导系统的系统时间进行修正的方式，可以为接收每秒脉冲信号，即GPS秒脉冲信号，并基于所接收到的每秒脉冲对系统时间进行修正，具体可以采用一次卫星定位时间的周内秒的整数部分与秒脉冲，确定系统时间。
其中，可以将GNSS接收机的秒脉冲(PPS)周期设置为1s(通常默认即1s)，并将PPS的引脚与组合导航系统中内部的组合导航计算单元上的某IO引脚(指的是输入输出引脚)相连，以便通过对该引脚电平的检测，判断GPS整秒触发时刻。
在具体实现中，组合导航系统内部的组合导航计算单元在每接收到一次GPS秒脉冲，即每检测到GPS秒脉冲的触发信息时，可以基于每秒脉冲信号的当前触发时刻获取上一次卫星定位时间的周内秒信息，并采用上一次卫星定位时间的周内秒信息的整数部分与整秒的和，作为修正后的系统时间。如图2所示，若此刻检测到GPS秒脉冲的触发信息，则修正后的系统时间Tsys＝最近一次接收到的GPS周内秒TGPS整秒(floor(TGPS))+1秒，其中，floor()函数代表向下取整运算。
需要说明的是，最近一次接收到的GPS周内秒TGPS可以指的是上一次卫星定位时间的周内秒信息，即可基于在较为稳定的上一次卫星定位时间的周内秒信息的基础上，加上所检测到的秒脉冲周期，对组合导航系统的系统时间进行修正。
在一种优选的实施例中，组合导航计算单元在检测到GPS秒脉冲信号的触发时，能够对系统时间进行修正，在未检测到GPS秒脉冲信号触发的情况下，组合导航系统还是处于工作状态的，而组合导航系统中的惯导系统在每次开机时是从零开始计时的，那么此时对于组合导航系统中的惯导系统而言，可以对其系统时间进行时间推算。
其中，对惯导系统的系统时间进行时间推算，实际上可以表现为对惯导系统的系统时间的正常计时，其具体可以通过惯导系统的内部部件，例如板载时钟晶振进行计时。
在一种可选的实施例中，每次对惯性传感器采样时均对其加注修正后的系统时间戳(GPS周内秒)，具体的，可以在对系统时间进行修正之后，在检测到惯性传感器进行采样时，可以采用修正后的系统时间对惯性传感器的采样时刻进行相应采样时间戳的标注，例如对惯性传感器所采用的信息进行系统时间的标注Tsys。
步骤102，监测卫星接收机的定位信息，根据定位信息预测卫星接收机的定位观测值；
在本发明的一种实施例中，在电路板中，测量、数模转换、采样过程中均会产生耗时，这样就会导致惯导数据和导航信息传输过程中存在时间误差，在GNSS接收机和惯导系统INS数据传输到组合导航系统中的数据采集板时将会产生传输时延，为了避免由于电路时延所带来的在基于时间同步后数据不同的问题，此时可以对卫星接收机的定位观测值进行预测。
具体的，在基于GPS秒脉冲对系统时间进行以GPS周内秒为准的修正，并对INS中的IMU数据标注相应时间戳，实现IMU和GNSS系统的时间同步(即时间基准统一)之后，可以对GNS的定位信息观测值进行预测，以便进行组合导航解算，无需在修正时间戳后“等待”获取同一时刻的卫星接收机数据再进行融合解算，降低运动场景下数据同步的实时性。
在实际应用中，可以对卫星接收机GNSS的定位信息进行监测，主要可以是以高频的惯性传感器的更新频率为基准，实时监测低频的卫星接收机的定位信息，然后基于修正后的系统时间对惯性传感器IMU所标注的时间戳和GPS周内秒，对GNSS定位观测值进行预测，然后再进行组合导航解算。
步骤103，根据定位观测值对组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对组合导航系统实现数据同步。
在本发明的一种实施例中，组合导航系统可能受到电路时延的影响其原本所输出的组合导航定位值存在误差，且数据同步性较弱，此时在对GNSS接收机的定位观测值进行预测之后，可以采用定位观测值对组合导航系统进行融合解算，以得到同步融合后的导航定位数据，在实现IMU和GNSS时间同步的同时，提高时间同步后组合导航解算的实时性，保证整个组合导航系统数据同步的实时性，能够在高动态导航中具备更高的定位精度，从而优化高动态运动场景中的导航定位精度，对组合导航系统实现数据同步。
在本发明实施例中，可以根据秒脉冲信号修正组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步，并在时间基准同步的基础上，通过监测得到的卫星接收机的定位信息，预测卫星接收机的定位观测值，以便根据预测得到的定位观测值对组合导航系统进行融合解算，能够得到同步融合后的组合导航定位数据。在基于秒脉冲进行定位时间基准同步的前提下，通过监测得到的定位信息对卫星接收机的定位观测值进行预测后进行融合解算，无需在修正时间戳后“等待”获取同一时刻的卫星接收机数据再进行融合解算，在组合系统的时间同步的情况下同时解决时间同步后组合导航解算的实时性问题，保证整个组合导航系统数据同步的实时性，能够在高动态运动场景下避免产生较大的导航误差。
参照图3，示出了本发明实施例中提供的另一种组合导航系统的数据同步方法的步骤流程图，具体可以包括如下步骤：
步骤301，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
在本发明实施例中，能够在实现INS和GNSS的实时时间同步的情况下，对GNSS定位观测值进行预测计算，再进行组合导航解算，提高在高动态运动环境下的组合导航解算精度。
其中，INS和GNSS的实时时间同步，主要可以表现为对系统中卫星接收机的卫星定位时间，和惯导系统中惯性传感器的采样时间的时间基准进行同步。在实际应用中，可以通过利用GPS秒脉冲对系统时间进行修正，保证IMU采样时间标注的精度及其与GNSS卫星定位时间基准的同步。
步骤302，在卫星接收机的定位信息已更新的情况下，根据卫星定位时间戳和采样时间戳，对卫星接收机的定位观测值进行预测；
在本发明的一种实施例中，GNSS接收机定位信息更新后，需进行观测值的预测处理，所预测的GNSS定位观测值可以指的是在惯性传感器的采样时刻，卫星接收机在克服耗时影响后的实际定位位置。
具体的，可以根据卫星定位时间戳和采样时间戳，对卫星接收机的定位观测值进行预测，其中，卫星定位时间戳可以是用于标注检测到周内秒信号的时刻，即可以是卫星定位位置更新的自带周内秒，采样时间戳可以指的是在检测到惯性传感器在进行采样时，所采用修正后的系统时间对其采样时刻和相关采样信息进行标注的时间戳。
其中，在对卫星接收机的定位信息进行监测时，可以基于惯性传感器的更新频率，在惯性传感器的采样时刻判断GNSS接收机的定位信息是否更新，即所监测到的定位信息可以包括基于惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息，若基于惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息已更新，则可以从定位信息中获取用于表示卫星定位位置更新的卫星定位时间戳，以及获取惯性传感器采样时刻的相应采样时间戳，并根据卫星定位时间戳和采样时间戳，对卫星接收机的定位观测值进行预测，以推算至与此时惯性传感器的时间戳同步。
在具体实现中，可以利用外推法对GNSS定位观测值进行预测计算。即在对卫星接收机的定位观测值进行预测的过程中，可以根据卫星定位信息时间戳及其与惯性传感器时间戳的差值，并采用外推法对所述卫星接收机的定位观测值进行预测；其中，卫星定位信息时间戳与惯性传感器时间戳的差值可以用于表示卫星接收机自身的定位解算及信息传输中的耗时影响因子。
所谓外推法，具体可以参照图4，示出了本发明实施例中提供的预测定位观测值的示意图，卫星定位时间戳用于标注检测到周内秒信号的时刻，例如TGPS，此时可以从卫星定位时间戳中获取本次卫星定位位置更新的周内秒信息TGPS1和上一次卫星定位位置更新的周内秒信息TGPS2，以及从定位信息中获取本次更新的卫星定位位置TGPS1和上一次更新的卫星定位位置p(TGPS2)，并采用本次卫星定位位置更新的周内秒信息TGPS1、上一次卫星定位位置更新的周内秒信息TGPS2、本次更新的卫星定位位置TGPS1、上一次更新的卫星定位位置TGPS1和采样时间戳Tsys，计算得到卫星接收机基于惯性传感器采样时刻的定位观测值。
作为一种示例，如图4所示，根据其定位信息中的周内秒TGPS1和该采样时刻IMU时间戳Tsys的差值，采用外推法进行卫星定位观测值的预测，可以表现为p(Tsys)＝p(TGPS1)+(p(TGPS1)-p(TGPS2))*(Tsys-TGPS1)/(TGPS1-TGPS2)。
其中，p(Tsys)为Tsys时刻卫星定位的位置，其一般可以是经度、纬度及高程，高程主要可以是WGS84(WGS 84基准面是以地心为中心的全球通用的椭球面)坐标系椭球高，基于具体使用的卫星接收机的不同，定位观测值还可以是包括水平速度、垂向速度，且如果采用的是GNSS双天线定位定向接收机的话，其所预测的定位观测值还包括双天线航向。
TGPS1时刻可以为这一次卫星定位更新时的周内秒，TGPS2时刻为上一次卫星定位更新时的周内秒；p(TGPS1)可以为该采样时刻(Tsys)实时获取的GNSS在周内秒为TGPS1时刻的定位位置，即本次更新的卫星定位位置；p(TGPS2)为上一次卫星定位更新时获取的周内秒为TGPS2的卫星定位位置，即上一次更新的卫星定位位置。
需要说明的是，TGPS1与Tsys的差值主要可以反映GNSS接收机本身定位解算及信息传输中的耗时影响，TGPS1与TGPS2的差值用于表示本次卫星定位更新与上一次卫星定位进行更新的时间间隔，p(TGPS1)与p(TGPS2)的差值可以用于表示这一次和上一次卫星定位所更新的卫星定位位置，(p(TGPS1)-p(TGPS2))*(Tsys-TGPS1)/(TGPS1-TGPS2)可以用于对耗时影响对所更新的卫星定位位置进行精确度处理与计算，那么在这次卫星定位更新时卫星接收机的位置，为了避免组合导航计算单元获取该卫星接收机定位的观测值时已存在“滞后”现象，其无法解决时间同步后组合导航解算的实时性问题，可以在对此刻已存在“滞后”现象的定位观测值p(TGPS1)的基础上，结合耗时影响对所更新的卫星定位位置精确度的计算与处理对定位观测值进行预测，即在p(TGPS1)的基础上结合(p(TGPS1)-p(TGPS2))*(Tsys-TGPS1)/(TGPS1-TGPS2)来确定预测的定位观测值p(Tsys)。
步骤303，根据定位观测值对组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据。
在本发明的一种实施例中，在对GNSS接收机的定位观测值进行预测之后，可以采用定位观测值对组合导航系统进行融合解算，以得到同步融合后的导航定位数据，以便在实现IMU和GNSS时间同步的同时，提高时间同步后组合导航解算的实时性。
具体的，对INS/GNSS组合导航解算，主要是采用该采样时刻的IMU惯性传感器信息及经预测计算得到的卫星定位信息(即定位观测值)进行组合导航算法的执行。
其中，首先需要对组合导航系统中惯导系统进行惯性导航的航位推算，完成对惯性导航解算，然后再基于预测得到的定位观测值对组合导航系统进行融合解算。
在实际应用中，可以获取惯性传感器的传感器信息，并采用传感器信息对组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算，即进行组合惯导系统的初始对准，然后可以采用解算得到的惯导位置和预测的定位观测值确定组合导航系统中惯导系统和定位系统的误差量，并基于误差量建立状态空间方程；最后可以根据基于误差量建立的状态空间方程对组合导航系统进行初始对准，得到同步融合后的组合导航定位数据。
在具体实现中，基于间接法惯性导航和GNSS卫星导航的误差量建立的状态空间方程可以如下所示：
Figure BDA0003259034540000121
Figure BDA0003259034540000122
为15维状态量，其中，φT为失准角误差，δvn为速度误差，δp为位置误差，εb为陀螺仪零偏，/>
Figure BDA0003259034540000123
为加速度计零偏，上述误差矢量均为三维矢量。
状态矩阵
Figure BDA0003259034540000124
其中
Figure BDA0003259034540000125
Figure BDA0003259034540000126
Figure BDA0003259034540000127
Mvv＝Avn·Mav-Awn，
Figure BDA0003259034540000128
Figure BDA0003259034540000131
Mvp＝Avn·(Mp1+Map)，
Figure BDA0003259034540000132
噪声矩阵Wb＝[wgx,wgy,wgz,wax,way,waz]T，为陀螺仪和加速度计的零偏白噪声。
噪声分配矩阵
Figure BDA0003259034540000133
观测矩阵H:
Figure BDA0003259034540000134
在本发明的一种实施例中，在基于误差量建立的状态空间方程对组合导航系统进行初始对准的过程中，可以由该状态空间方程并经初始对准即可进行线性卡尔曼滤波融合解算，即可以采用状态空间方程进行滤波融合解算，得到针对组合导航系统中惯导系统的误差信息估计值，然后将误差信息估计值补偿至惯导系统输出的惯性导航数据，即完成对组合导航系统的初始对准，得到实时同步融合的组合导航定位数据。
在具体实现中，所进行的线性卡尔曼滤波融合解算过程可以如下：
(1)计算先验状态估计：
Figure BDA0003259034540000135
(2)计算先验误差协方差：
Figure BDA0003259034540000136
(3)计算卡尔曼增益：
Figure BDA0003259034540000137
(4)用量测值更新状态估计：
Figure BDA0003259034540000138
(5)更新误差协方差：
Figure BDA0003259034540000139
其中，A为状态矩阵，H为量测矩阵，Pk为误差估计协方差矩阵，Q为过程噪声方差阵，R为量测噪声方差阵，Kk为第k时刻的卡尔曼增益。在经过卡尔曼滤波得到惯性导航的误差信息估计值X，将其补偿至惯性导航数据，即可得到最终的组合导航定位数据。
在本发明实施例中，在基于秒脉冲进行定位时间基准同步的前提下，通过监测得到的定位信息对卫星接收机的定位观测值进行预测后进行融合解算，无需在修正时间戳后“等待”获取同一时刻的卫星接收机数据再进行融合解算，在组合系统的时间同步的情况下同时解决时间同步后组合导航解算的实时性问题，保证整个组合导航系统数据同步的实时性，能够在高动态运动场景下避免产生较大的导航误差。
参照图5，示出了本发明实施例中提供的又一种组合导航系统的数据同步方法的步骤流程图，具体可以包括如下步骤：
步骤501，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
在本发明实施例中，能够在实现INS和GNSS的实时时间同步的情况下，对GNSS定位观测值进行预测计算，再进行组合导航解算，提高在高动态运动环境下的组合导航解算精度。
其中，INS和GNSS的实时时间同步，主要可以表现为对系统中卫星接收机的卫星定位时间，和惯导系统中惯性传感器的采样时间的时间基准进行同步。在实际应用中，可以通过利用GPS秒脉冲对系统时间进行修正，保证IMU采样时间标注的精度及其与GNSS卫星定位时间基准的同步。
步骤502，在卫星接收机的定位信息未更新的情况下，对组合导航系统中惯导系统的惯导位置进行惯性推算，得到惯性导航数据。
在本发明的一种实施例中，惯性传感器未必在每个数据更新时刻都有对应的卫星定位观测值，在卫星接收机的定位信息未更新的情况下，无需对卫星接收机的定位观测值进行预测，此时可以直接对组合导航系统中惯导系统的惯导位置进行惯性推算，得到惯性导航数据，在通过初始对准的过程中实现对组合导航系统中卫星定位系统和惯导系统的数据同步。
具体的，在对卫星接收机的定位信息进行监测时，所监测到的定位信息可以包括基于惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息，那么此时可以基于惯性传感器的更新频率，在惯性传感器的采样时刻判断GNSS接收机的定位信息是否更新，若基于惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息未更新，那么此时可以基于对惯性导航进行航位推算，以完成对组合导航系统进行初始对准。
在实际应用中，可以获取惯性传感器的传感器信息，所获取的传感器信息可以为惯性传感器在采样时刻所采集的采样信息，其可以包括惯性传感器的加速度、角速度信息及采样时间戳(其经由修正后的系统时间进行标注的)，然后采用传感器信息对组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算，即进行惯性导航的航位推算，得到惯性导航数据。
对惯性导航所进行的航位推算方式的实现，可以是采用角速度信息、采样时间戳建立姿态阵链乘，并采用姿态阵链乘更新惯导姿态矩阵，然后从更新后的惯导姿态矩阵中获取载体坐标系下比力增量在导航坐标系下的转换投影值，采用加速度信息和所述转换投影值更新惯导速度，最后采用更新后的惯导速度对惯导系统的惯导位置进行更新，完成对惯性导航解算的解算。
在具体实现中，首先采用姿态阵链乘方法更新惯导姿态矩阵，即
Figure BDA0003259034540000151
其中，
Figure BDA0003259034540000152
Figure BDA0003259034540000153
为第m个采样时刻从b系(载体坐标系)到n系(导航系，指北东地或者东北天系)的旋转矩阵，其他C阵含义类推；/>
Figure BDA0003259034540000154
为第m-1到第m个采样时刻的等效旋转矢量，可由惯性传感器采样得到的陀螺仪角速度输出通过积分和多子样算法得到；MRV代表等效旋转矢量到旋转矩阵变换的罗德里格公式；/>
Figure BDA0003259034540000155
为第m-1到第m个采样时刻n系相对i系(惯性系)的旋转矢量。
然后进行惯导速度更新，
Figure BDA0003259034540000156
其中，
Figure BDA0003259034540000157
为体坐标系下的比力增量/>
Figure BDA0003259034540000158
在导航系下的投影，由惯性传感器采样的加速度计输出积分解算获得，若为高精度IMU，还会加入导航系旋转修正、旋转效应和划桨效应补偿；
Figure BDA0003259034540000159
为重力加速度、导航系在地球表面旋转引起的哥氏加速度、向心加速度等有害加速度的补偿量。最后进行惯导位置更新，/>
Figure BDA00032590345400001510
其中/>
Figure BDA00032590345400001511
Figure BDA0003259034540000161
p中三个元素分别为L纬度、λ经度、h高度，Tm为采样周期。至此完成捷联惯导解算。
在本发明实施例中，在基于秒脉冲进行定位时间基准同步的前提下，通过监测得到的定位信息对卫星接收机的定位观测值进行预测后进行融合解算，无需在修正时间戳后“等待”获取同一时刻的卫星接收机数据再进行融合解算，在组合系统的时间同步的情况下同时解决时间同步后组合导航解算的实时性问题，保证整个组合导航系统数据同步的实时性，能够在高动态运动场景下避免产生较大的导航误差。
为了便于本领域技术人员进一步理解本发明实施例所提出的组合导航系统的数据同步方法，结合组合导航系统的数据同步方法的实施过程示意图进行如下说明：
本发明实施例提出的在基于秒脉冲进行定位时间基准同步的前提下，通过监测得到的定位信息对卫星接收机的定位观测值进行预测后进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据。如图6所示，对组合导航系统的时间同步，可以包括对定位时间基准进行同步的过程、对定位观测值进行预测的过程和对组合导航定位进行融合解算的过程。其中，如图6所示的实施过程以惯性传感器IMU(由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成)的采样周期为基准。
(1)对定位时间基准进行同步的过程，主要是基于GPS秒脉冲对系统时间进行以GPS周内秒为准的修正。具体的，在INS/GNSS组合导航系统上电后，系统时钟可以开始计时，并可以预先将GNSS接收机的秒脉冲(PPS)周期设置为1s(通常默认即1s)，PPS引脚与组合导航计算单元某IO引脚相连，通过对该引脚电平的检测，此时可以判断GPS秒脉冲是否触发，即确定GPS的整秒触发时刻；若此刻GPS秒脉冲未触发，则系统时间可以依据INS惯导系统内部的板载时钟晶振进行时间推算，若此刻检测到GPS秒脉冲的触发信息，可以通过GPS秒脉冲修正系统时间，即系统每接收到一次GPS秒脉冲，就将系统时间修正为最近一次已接收到的GPS周内秒的整数部分，并加上一个整秒。
在一种可选的实施例中，在每次对惯性传感器采样时均对其加注修正后的系统时间戳(GPS周内秒)，即可以在惯性传感器IMU进行采样时，对其信息进行系统时间的标注Tsys。
在此过程中，能够基于GPS秒脉冲对系统时间进行以GPS周内秒为准的修正，并对INS中的IMU数据标注相应时间戳，保证IMU和GNSS系统的时间基准统一，实现IMU和GNSS系统的时间同步。
(2)对定位观测值进行预测的过程和对组合导航定位进行融合解算，主要是基于IMU修正的时间戳和GPS周内秒，对GNSS定位信息观测值进行预测，然后进行组合导航解算。
具体的，可以以高频的惯性传感器的更新频率为基准，实时监测低频的卫星接收机的定位信息，并对该采样时刻GNSS接收机的定位信息是否更新进行判断。
在一种情况下，若GNSS定位信息未更新，无需对卫星接收机的定位观测值进行预测，则可以依据惯性传感器的加速度、角速度信息及其基于系统时间所标注的时间戳，进行惯性导航的航位推算，得到最终的惯性导航数据，以通过完成对组合导航系统的初始对准，实现对组合导航系统中卫星定位系统和惯导系统的数据同步。
在另一种情况下，若该采样时刻GNSS定位信息已更新，则可以根据其定位信息中的周内秒TGPS1和该采样时刻IMU时间戳Tsys的差值，使用外推法进行卫星定位观测值的预测，以推算至与此时惯性传感器的时间戳同步，并在进行INS/GNSS组合导航解算，得到实时同步的融合结果(导航结果)，即组合导航定位数据。
需要说明的是，可以在输出组合导航定位数据的同时，还可以进入下一次循环，包括上述在定位时间基准进行同步的过程中对是否触发GPS秒脉冲的判断，以及在定位观测值进行预测的过程和在对组合导航定位进行融合解算过程中，对GNSS接收机的定位信息是否更新进行判断，对此，本发明实施例不加以限制。
在此过程中，能够基于IMU修正的时间戳和GPS周内秒，对GNSS定位信息观测值进行预测，然后进行组合导航解算，提高了观测值的实时性，也就提高了组合导航解算的实时性，从而优化高动态场景中的导航定位精度。在本发明实施例中，基于GPS秒脉冲对系统时间进行以GPS周内秒为准的修正，并对INS中的IMU数据加注了相应时间戳，实现了IMU和GNSS系统的时间同步；基于IMU修正的时间戳和GPS周内秒，对GNSS定位信息观测值进行预测，然后进行组合导航解算，无需在修正时间戳后“等待”获取同一时刻的卫星接收机数据再进行融合解算，提高观测值的实时性，进一步提高组合导航解算的实时性，即在实现IMU和GNSS时间同步的同时，提高时间同步后组合导航解算的实时性，保证整个组合导航系统数据同步的实时性，能够在高动态导航中具备更高的定位精度，从而优化高动态运动场景中的导航定位精度。
需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
参照图7，示出了本发明实施例中提供的一种组合导航系统的数据同步装置的结构框图，具体可以包括如下模块：
系统时间修正模块701，用于获取秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号修正所述组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
定位观测值预测模块702，用于监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值；
导航定位融合解算模块703，用于根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对所述组合导航系统实现数据同步。
在本发明的一种实施例中，系统时间修正模块701可以包括如下子模块：
秒脉冲信号接收子模块，用于接收每秒脉冲信号，基于所述每秒脉冲信号的当前触发时刻获取上一次卫星定位时间的周内秒信息；
系统时间修正子模块，用于采用所述上一次卫星定位时间的周内秒信息的整数部分与每秒脉冲信号周期的和，作为修正后的系统时间。
在本发明的一种实施例中，所述装置还可以包括如下模块：
系统时间推算模块，用于在未检测到秒脉冲信号时，通过所述组合导航系统的内部部件，对所述系统时间进行推算。
在本发明的一种实施例中，在对系统时间进行修正之后，所述装置还可以包括如下模块：
采样时间戳标注模块，用于在检测所述惯性传感器进行采样时，采用修正后的系统时间对所述惯性传感器的采样时刻进行相应采样时间戳的标注。
在本发明的一种实施例中，所述定位信息包括基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息，定位观测值预测模块702可以包括如下子模块：
时间戳获取子模块，用于在基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息已更新的情况下，从所述定位信息中获取用于表示卫星定位位置更新的卫星定位时间戳，以及获取所述惯性传感器采样时刻的相应采样时间戳；
定位观测值预测子模块，用于根据所述卫星定位时间戳和所述采样时间戳，对所述卫星接收机的定位观测值进行预测。
在本发明的一种实施例中，定位观测值预测子模块可以包括如下单元：
定位观测值预测单元，用于根据卫星定位信息时间戳及其与惯性传感器时间戳的差值，并采用外推法对所述卫星接收机的定位观测值进行预测；其中，所述卫星定位信息时间戳与惯性传感器时间戳的差值用于表示卫星接收机自身的定位解算及信息传输中的耗时影响因子。
在本发明的一种实施例中，所述卫星定位时间戳用于标注检测到周内秒信号的时刻；定位观测值预测子模块可以包括如下单元：
周内秒信息获取单元，用于从所述卫星定位时间戳中获取本次卫星定位位置更新的周内秒信息和上一次卫星定位位置更新的周内秒信息；
卫星定位位置获取单元，用于获取本次更新的卫星定位位置和上一次更新的卫星定位位置；
定位观测值计算单元，用于采用所述本次卫星定位位置更新的周内秒信息、上一次卫星定位位置更新的周内秒信息、本次更新的卫星定位位置、上一次更新的卫星定位位置和所述采样时间戳，计算得到所述卫星接收机基于所述惯性传感器采样时刻的定位观测值。
在本发明的一种实施例中，导航定位融合解算模块703可以包括如下子模块：
传感器信息获取子模块，用于获取所述惯性传感器的传感器信息；
惯性导航解算子模块，用于采用所述传感器信息对所述组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算；
状态空间方程建立子模块，用于采用解算得到的惯导位置和所述定位观测值确定所述组合导航系统中惯导系统和定位系统的误差量，并基于所述误差量建立状态空间方程；
初始对准子模块，用于基于所述状态空间方程得到的误差信息估计值，对所述组合导航系统进行初始对准，得到同步融合后的组合导航定位数据。
在本发明的一种实施例中，初始对准子模块可以包括如下单元：
误差信息估计值计算单元，用于采用所述状态空间方程进行滤波融合解算，得到针对所述组合导航系统中惯导系统的误差信息估计值；
组合导航定位数据生成单元，用于将所述误差信息估计值补偿至所述惯导系统输出的惯性导航数据，得到实时同步融合的组合导航定位数据。
在本发明的一种实施例中，所述装置还可以包括如下模块：
惯性推算模块，用于在所述卫星接收机的定位信息未更新时，对所述组合导航系统中惯导系统的惯导位置进行惯性推算，得到惯性导航数据。
在本发明的一种实施例中，惯性推算模块可以包括如下子模块：
传感器信息获取子模块，用于获取所述惯性传感器的传感器信息；
惯性导航解算子模块，用于采用所述传感器信息对所述组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算。
在本发明的一种实施例中，所述传感器信息包括加速度信息、角速度信息、采样时间戳；惯性导航解算子模块可以包括如下单元：
惯导姿态矩阵更新单元，用于采用所述角速度信息、采样时间戳建立姿态阵链乘，并采用所述姿态阵链乘更新惯导姿态矩阵；
惯导速度更新单元，用于从更新后的惯导姿态矩阵中获取载体坐标系下比力增量在导航坐标系下的转换投影值，采用所述加速度信息和所述转换投影值更新惯导速度；
惯导位置更新单元，用于采用更新后的惯导速度对所述惯导系统的惯导位置进行更新，完成对惯性导航解算的解算。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本发明实施例还提供了一种导航芯片，包括：处理器；存储处理器可执行的存储器；其中，所述处理器耦合于所述存储器，用于读取所述存储器存储的程序指令，并作为响应，执行如下操作：
获取秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号修正组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值；
根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对所述组合导航系统实现数据同步。
在本发明的一种实施例中，可以通过导航芯片对组合导航系统的数据进行同步操作。具体的，导航芯片可以利用GPS秒脉冲为基准对组合导航系统的系统时间进行修正，在基于秒脉冲进行定位时间基准同步的前提下，通过监测得到的定位信息对卫星接收机的定位观测值进行预测，并进一步基于所预测到的定位观测值，进行组合导航数据的融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以便在实现IMU和GNSS时间同步的同时，提高时间同步后组合导航解算的实时性，保证整个组合导航系统数据同步的实时性。
其中，通过导航芯片对系统中卫星接收机的卫星定位时间，和惯导系统中惯性传感器的采样时间的时间基准进行同步。具体的，可以在接收每秒脉冲信号时，基于所接收到的每秒脉冲对系统时间进行修正，具体可以采用一次卫星定位时间的周内秒的整数部分与秒脉冲，确定系统时间。
导航芯片可以基于惯性传感器的更新频率对卫星接收机的定位信息进行监测，在GNSS接收机定位信息更新后，可以利用外推法对GNSS定位观测值进行预测计算，具体为采用本次卫星定位位置更新的周内秒信息、上一次卫星定位位置更新的周内秒信息、本次更新的卫星定位位置、上一次更新的卫星定位位置和采样时间戳，计算得到卫星接收机基于惯性传感器采样时刻的定位观测值。
导航芯片在对GNSS接收机的定位观测值进行预测之后，可以采用定位观测值对组合导航系统进行融合解算，以得到同步融合后的导航定位数据，以便在实现IMU和GNSS时间同步的同时，提高时间同步后组合导航解算的实时性。
在实际应用中，可以获取惯性传感器的传感器信息，并采用传感器信息对组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算，即进行组合惯导系统的初始对准，然后可以采用解算得到的惯导位置和预测的定位观测值确定组合导航系统中惯导系统和定位系统的误差量，并基于误差量建立状态空间方程；最后可以根据基于误差量建立的状态空间方程对组合导航系统进行初始对准，得到同步融合后的组合导航定位数据。
需要说明的是，导航芯片在基于惯性传感器的更新频率对卫星接收机的定位信息进行监测的过程中，在卫星接收机的定位信息未更新的情况下，可以直接对组合导航系统中惯导系统的惯导位置进行惯性推算，得到惯性导航数据，通过导航芯片对组合导航系统的初始对准实现对组合导航系统的数据同步。
本发明实施例还提供了一种导航模组，包括：处理器；存储处理器可执行的存储器；其中，所述处理器耦合于所述存储器，用于读取所述存储器存储的程序指令，并作为响应，执行如下操作：
获取秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号修正组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值；
根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对所述组合导航系统实现数据同步。
在本发明的一种实施例中，可以通过导航模组对组合导航系统的数据进行同步操作，此导航模组可以由导航芯片进行研发而成的。具体的，导航模组可以利用GPS秒脉冲为基准对组合导航系统的系统时间进行修正，在基于秒脉冲进行定位时间基准同步的前提下，通过监测得到的定位信息对卫星接收机的定位观测值进行预测，并进一步基于所预测到的定位观测值，进行组合导航数据的融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以便在实现IMU和GNSS时间同步的同时，提高时间同步后组合导航解算的实时性，保证整个组合导航系统数据同步的实时性。
其中，通过导航模组对系统中卫星接收机的卫星定位时间，和惯导系统中惯性传感器的采样时间的时间基准进行同步。具体的，可以在接收每秒脉冲信号时，基于所接收到的每秒脉冲对系统时间进行修正，具体可以采用一次卫星定位时间的周内秒的整数部分与秒脉冲，确定系统时间。
导航模组可以基于惯性传感器的更新频率对卫星接收机的定位信息进行监测，在GNSS接收机定位信息更新后，可以利用外推法对GNSS定位观测值进行预测计算，具体为采用本次卫星定位位置更新的周内秒信息、上一次卫星定位位置更新的周内秒信息、本次更新的卫星定位位置、上一次更新的卫星定位位置和采样时间戳，计算得到卫星接收机基于惯性传感器采样时刻的定位观测值。
导航模组在对GNSS接收机的定位观测值进行预测之后，可以采用定位观测值对组合导航系统进行融合解算，以得到同步融合后的导航定位数据，以便在实现IMU和GNSS时间同步的同时，提高时间同步后组合导航解算的实时性。
在实际应用中，可以获取惯性传感器的传感器信息，并采用传感器信息对组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算，即进行组合惯导系统的初始对准，然后可以采用解算得到的惯导位置和预测的定位观测值确定组合导航系统中惯导系统和定位系统的误差量，并基于误差量建立状态空间方程；最后可以根据基于误差量建立的状态空间方程对组合导航系统进行初始对准，得到同步融合后的组合导航定位数据。
需要说明的是，导航模组在基于惯性传感器的更新频率对卫星接收机的定位信息进行监测的过程中，在卫星接收机的定位信息未更新的情况下，可以直接对组合导航系统中惯导系统的惯导位置进行惯性推算，得到惯性导航数据，通过导航模组对组合导航系统的初始对准实现对组合导航系统的数据同步。
本发明实施例还提供了一种导航设备，包括：处理器；存储处理器可执行的存储器；其中，所述处理器耦合于所述存储器，用于读取所述存储器存储的程序指令，并作为响应，执行如下操作：
获取秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号修正组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值；
根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对所述组合导航系统实现数据同步。
在本发明的一种实施例中，可以通过导航设备对组合导航系统的数据进行同步操作，导航设备内部可以具有导航芯片或由导航芯片研发得到的导航模组。具体的，导航设备可以利用GPS秒脉冲为基准对组合导航系统的系统时间进行修正，在基于秒脉冲进行定位时间基准同步的前提下，通过监测得到的定位信息对卫星接收机的定位观测值进行预测，并进一步基于所预测到的定位观测值，进行组合导航数据的融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以便在实现IMU和GNSS时间同步的同时，提高时间同步后组合导航解算的实时性，保证整个组合导航系统数据同步的实时性。
其中，通过导航设备对系统中卫星接收机的卫星定位时间，和惯导系统中惯性传感器的采样时间的时间基准进行同步。具体的，可以在接收每秒脉冲信号时，基于所接收到的每秒脉冲对系统时间进行修正，具体可以采用一次卫星定位时间的周内秒的整数部分与秒脉冲，确定系统时间。
导航设备可以基于惯性传感器的更新频率对卫星接收机的定位信息进行监测，在GNSS接收机定位信息更新后，可以利用外推法对GNSS定位观测值进行预测计算，具体为采用本次卫星定位位置更新的周内秒信息、上一次卫星定位位置更新的周内秒信息、本次更新的卫星定位位置、上一次更新的卫星定位位置和采样时间戳，计算得到卫星接收机基于惯性传感器采样时刻的定位观测值。
导航设备在对GNSS接收机的定位观测值进行预测之后，可以采用定位观测值对组合导航系统进行融合解算，以得到同步融合后的导航定位数据，以便在实现IMU和GNSS时间同步的同时，提高时间同步后组合导航解算的实时性。
在实际应用中，可以获取惯性传感器的传感器信息，并采用传感器信息对组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算，即进行组合惯导系统的初始对准，然后可以采用解算得到的惯导位置和预测的定位观测值确定组合导航系统中惯导系统和定位系统的误差量，并基于误差量建立状态空间方程；最后可以根据基于误差量建立的状态空间方程对组合导航系统进行初始对准，得到同步融合后的组合导航定位数据。
需要说明的是，导航设备在基于惯性传感器的更新频率对卫星接收机的定位信息进行监测的过程中，在卫星接收机的定位信息未更新的情况下，可以直接对组合导航系统中惯导系统的惯导位置进行惯性推算，得到惯性导航数据，通过导航设备对组合导航系统的初始对准实现对组合导航系统的数据同步。
本发明实施例还提供了一种交通工具，包括：
包括上述组合导航系统的数据同步装置、处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述组合导航系统的数据同步方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述组合导航系统的数据同步方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种组合导航系统的数据同步方法和一种组合导航系统的数据同步装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (13)

1.一种组合导航系统的数据同步方法，其特征在于，所述方法包括：
获取秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号修正所述组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值；
根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对所述组合导航系统实现数据同步；
其中，所述定位信息包括基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息，所述监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值，包括：
若基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息已更新，则从所述定位信息中获取用于表示卫星定位位置更新的卫星定位时间戳，以及获取所述惯性传感器采样时刻的相应采样时间戳；
根据所述卫星定位时间戳和所述采样时间戳，对所述卫星接收机的定位观测值进行预测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述秒脉冲信号修正所述组合导航系统的系统时间，包括：
接收每秒脉冲信号，基于所述每秒脉冲信号的当前触发时刻获取上一次卫星定位时间的周内秒信息；
采用所述上一次卫星定位时间的周内秒信息的整数部分与每秒脉冲信号周期的和，作为修正后的系统时间；
在对系统时间进行修正之后，还包括：
在检测所述惯性传感器进行采样时，采用修正后的系统时间对所述惯性传感器的采样时刻进行相应采样时间戳的标注。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述卫星定位时间戳和所述采样时间戳，对所述卫星接收机的定位观测值进行预测，包括：
根据卫星定位信息时间戳及其与惯性传感器时间戳的差值，并采用外推法对所述卫星接收机的定位观测值进行预测；其中，所述卫星定位信息时间戳与惯性传感器时间戳的差值用于表示卫星接收机自身的定位解算及信息传输中的耗时影响因子。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述卫星定位时间戳用于标注检测到周内秒信号的时刻；所述根据所述卫星定位时间戳和所述采样时间戳，对所述卫星接收机的定位观测值进行预测，包括：
从所述卫星定位时间戳中获取本次卫星定位位置更新的周内秒信息和上一次卫星定位位置更新的周内秒信息，以及获取本次更新的卫星定位位置和上一次更新的卫星定位位置；
采用所述本次卫星定位位置更新的周内秒信息、上一次卫星定位位置更新的周内秒信息、本次更新的卫星定位位置、上一次更新的卫星定位位置和所述采样时间戳，计算得到所述卫星接收机基于所述惯性传感器采样时刻的定位观测值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，包括：
获取所述惯性传感器的传感器信息，并采用所述传感器信息对所述组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算；
采用解算得到的惯导位置和所述定位观测值确定所述组合导航系统中惯导系统和定位系统的误差量，并基于所述误差量建立状态空间方程；
基于所述状态空间方程得到的误差信息估计值，对所述组合导航系统进行初始对准，得到同步融合后的组合导航定位数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述卫星接收机的定位信息未更新时，对所述组合导航系统中惯导系统的惯导位置进行惯性推算，得到惯性导航数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述组合导航系统中惯导系统的惯导位置进行惯性推算得到惯性导航结果，包括：
获取所述惯性传感器的传感器信息；
采用所述传感器信息对所述组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算，得到惯性导航结果。
8.根据权利要求5或7所述的方法，其特征在于，所述传感器信息包括加速度信息、角速度信息、采样时间戳；所述采用所述传感器信息对所述组合导航系统中的惯导系统进行惯性导航解算，包括：
采用所述角速度信息、采样时间戳建立姿态阵链乘，并采用所述姿态阵链乘更新惯导姿态矩阵；
从更新后的惯导姿态矩阵中获取载体坐标系下比力增量在导航坐标系下的转换投影值，采用所述加速度信息和所述转换投影值更新惯导速度；
采用更新后的惯导速度对所述惯导系统的惯导位置进行更新，完成对惯性导航解算的解算。
9.一种组合导航系统的数据同步装置，其特征在于，所述装置包括：
系统时间修正模块，用于获取秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号修正所述组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
定位观测值预测模块，用于通过所述惯性传感器监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值；其中，所述定位信息包括基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息，所述监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值，包括：若基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息已更新，则从所述定位信息中获取用于表示卫星定位位置更新的卫星定位时间戳，以及获取所述惯性传感器采样时刻的相应采样时间戳；根据所述卫星定位时间戳和所述采样时间戳，对所述卫星接收机的定位观测值进行预测；
导航定位融合解算模块，用于根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对所述组合导航系统实现数据同步。
10.一种导航芯片，其特征在于，包括：
处理器；
存储处理器可执行的存储器；
其中，所述处理器耦合于所述存储器，用于读取所述存储器存储的程序指令，并作为响应，执行如下操作：
获取秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号修正组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值；其中，所述定位信息包括基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息，所述监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值，包括：若基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息已更新，则从所述定位信息中获取用于表示卫星定位位置更新的卫星定位时间戳，以及获取所述惯性传感器采样时刻的相应采样时间戳；根据所述卫星定位时间戳和所述采样时间戳，对所述卫星接收机的定位观测值进行预测；
根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对所述组合导航系统实现数据同步。
11.一种导航模组，其特征在于，包括：
处理器；
存储处理器可执行的存储器；
其中，所述处理器耦合于所述存储器，用于读取所述存储器存储的程序指令，并作为响应，执行如下操作：
获取秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号修正组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值；其中，所述定位信息包括基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息，所述监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值，包括：若基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息已更新，则从所述定位信息中获取用于表示卫星定位位置更新的卫星定位时间戳，以及获取所述惯性传感器采样时刻的相应采样时间戳；根据所述卫星定位时间戳和所述采样时间戳，对所述卫星接收机的定位观测值进行预测；
根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对所述组合导航系统实现数据同步。
12.一种导航设备，其特征在于，包括：
处理器；
存储处理器可执行的存储器；
其中，所述处理器耦合于所述存储器，用于读取所述存储器存储的程序指令，并作为响应，执行如下操作：
获取秒脉冲信号，根据所述秒脉冲信号修正组合导航系统的系统时间，对系统中的卫星接收机和惯性传感器的时间基准进行同步；
监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值；其中，所述定位信息包括基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息，所述监测所述卫星接收机的定位信息，根据所述定位信息预测所述卫星接收机的定位观测值，包括：若基于所述惯性传感器采样时刻的卫星接收机的定位信息已更新，则从所述定位信息中获取用于表示卫星定位位置更新的卫星定位时间戳，以及获取所述惯性传感器采样时刻的相应采样时间戳；根据所述卫星定位时间戳和所述采样时间戳，对所述卫星接收机的定位观测值进行预测；
根据所述定位观测值对所述组合导航系统进行融合解算，得到同步融合后的组合导航定位数据，以对所述组合导航系统实现数据同步。
13.一种交通工具，其特征在于，包括：如权利要求9所述组合导航系统的数据同步装置、处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-8中任一项所述组合导航系统的数据同步方法的步骤。
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