CN114166222A - 一种机载吊舱惯性导航授时系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机载吊舱惯性导航授时系统及方法。本发明的授时系统包括GNSS板卡、IMU惯导组件和MCU核心处理板，GNSS板卡和IMU惯导组件分别与MCU核心处理板连接。本发明可进一步提高组合导航的精度。

Description

一种机载吊舱惯性导航授时系统及方法

技术领域

本发明属于捷联惯性导航领域，尤其涉及一种机载吊舱惯性导航授时系统及方法。

背景技术

因卫星信号采样、信号解算、数据传输、数据接收等影响，导致惯性导航系统时间不同步。

如图1所示，现有的惯性导航系统的IMU惯组数据、GNSS导航数据具有两类时间延迟：其一，数据获取时间与对应的定位信息的时间延迟(t3-t1)；其二，GNSS导航数据定位时刻与IMU定位时刻延迟(t2-t1)；惯性导航系统的时间延迟直接影响组合导航定位精度，继而影响机载吊舱控制精度；因此采用惯性导航授时方式给t2时刻授时，将t1、t2的时标信息参与导航运算提高导航精度。

参见图2，现有的惯性导航授时系统是GNSS产生1PPS(秒脉冲)和GPS数据，时间同步根据GNSS的1PPS(秒脉冲)信号校准高频信号并结合时标信息得出带时间标签的IMU数据，原理如图1所示。此授时方式1S校时一次t2时间，虽解决t1、t2时间同步问题，但每秒执行一次惯性组合算法精度有限。。

发明内容

本发明为解决背景技术中存在的上述技术问题，而提供一种进一步提高组合导航的精度的机载吊舱惯性导航授时系统及方法。

本发明的技术解决方案是：本发明为一种机载吊舱惯性导航授时系统，其特殊之处在于：所述授时系统包括GNSS板卡、IMU惯导组件和MCU核心处理板，GNSS板卡和IMU惯导组件分别与MCU核心处理板连接。

进一步的，MCU核心处理板包括FPGA处理器和DSP处理器，GNSS板卡和IMU惯导组件分别与FPGA处理器连接，FPGA处理器与DSP处理器连接，GNSS板卡接DSP处理器。

进一步的，FPGA处理器包括100ms定时器、高频计数器、5ms定时器、高频计数寄存器、陀螺脉冲计数器、陀螺脉冲寄存器、加计脉冲计数器和加计脉冲寄存器，100ms定时器分别接高频计数器和DSP处理器，高频计数器通过高频计数寄存器接DSP处理器，5ms定时器分别接高频计数寄存器、陀螺脉冲寄存器、加计脉冲寄存器和DSP处理器，陀螺脉冲计数器通过陀螺脉冲寄存器接DSP处理器，加计脉冲计数器通过加计脉冲寄存器接DSP处理器，GNSS板卡接高频计数器。

进一步的，DSP处理器包括100ms外部中断、5ms外部中断、EMIF接口和串行通信接口，100ms定时器接100ms外部中断，高频计数寄存器、陀螺脉冲寄存器和加计脉冲寄存器通过EMIF总线接EMIF接口，5ms定时器接5ms外部中断，GNSS板卡接串行通信接口。

进一步的，FPGA处理器选用XC3S700AN。

进一步的，DSP处理器选用TMS320C6713GDPA。

进一步的，IMU惯导组件包括加速度计和角速率陀螺，加速度计接加计脉冲计数器，角速率陀螺接陀螺脉冲计数器。

一种实现上述的机载吊舱惯性导航授时系统的方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：IMU惯导组件的加速度计和角速率陀螺产生陀螺原始脉冲、加速度计原始脉冲，将两个原始脉冲分别送至FPGA处理器；GNSS板卡产生1PPS秒脉冲信号和GPS数据(含速度信息、位置信息、时标信息)；GPS数据发送频率为10Hz；GNSS板卡将1PPS秒脉冲信号送至FPGA处理器、GPS数据通过串行通信接口送至DSP处理器；

1)FPGA处理器收到1PPS秒脉冲后清零触发高频计数器计数，应用100ms定时器计数得到100ms脉冲、应用5ms定时器计数得出5ms脉冲；

2)高频计数器在100ms脉冲到来时清零计数；在5ms脉冲到来时，将高频计数器数据锁存进高频计数寄存器；

3)陀螺脉冲计数器采集计数陀螺原始脉冲，5ms脉冲到来时将计数锁存进陀螺脉冲寄存器并清零陀螺脉冲计数器计数值；

4)加计脉冲计数器6采集计数加速度计原始脉冲，5ms脉冲到来时将计数锁存进加计脉冲寄存器并清零加计脉冲计数器计数值；

5)100ms脉冲送至DSP处理器的100ms外部中断，5ms脉冲送至DSP处理器的5ms外部中断,高频计数寄存器、陀螺脉冲寄存器、加计脉冲寄存器通过EMIF总线送至DSP处理器的EMIF接口；

6)5ms外部中断使能时，先执行串行通信接口接收GPS数据(含速度信息、位置信息、时标信息)；接收数据有效时，将GPS数据时标信息记为GNSS_T(保留0.1s精度)，GPS数据速度信息、位置信息记为GNSS_Data；然后通过EMIF接口获取高频计数寄存器数据记为HFreq_Req、陀螺脉冲寄存器数据记为Gyro_Req、加计脉冲寄存器数据记为Acc_Req；最后Gyro_Req、Acc_Req经过运算融合得到惯组数据记为IMU_Data；

7)步骤6)执行后，先将HFreq_Req换算至秒单位与GNSS_T叠加，叠加后数据记为记为IMU_5ms_T；然后将IMU_5ms_T融合进IMU_Data，得到带时标的惯组数据完成t2时刻的授时；根据IMU_Data前多拍数据计算出GNSS_T时刻的IMU数据记为GNSS_IMU_Data；

8)100ms外部中断使能时，将GNSS_IMU_Data、GNSS_Data通过组合导航运算得出导航数据记为INS_Data；INS_Data含GNSS_T时标信息，得到带时标信息的导航数据，实现机载吊舱惯性导航授时；

9)步骤8)执行后，将GNSS_T累加0.1s。

本发明提供的机载吊舱导航授时系统及方法，机载吊舱导航授时系统包括GNSS板卡、IMU惯导组件、MCU核心处理板(FPGA处理器+DSP处理器)；GNSS板卡与MCU核心处理板通信连接；IMU惯导组件包含加速度计、角速率陀螺；机载吊舱导航授时系统通过GNSS板卡产生1PPS秒脉冲信号送至FPGA处理器；FPGA处理器收到秒脉冲信号将其等分为100ms脉冲信号、5ms脉冲信号，同时根据自身时钟累加高频计数，最后将100ms脉冲、5ms脉冲以及高频计数送至DSP处理器；DSP处理器根据GPS数据、100ms脉冲、5ms脉冲、高频计数、IMU惯导组件获取IMU数据并给IMU数据授时，实现每100ms给t2授时和组合导航算法提高导航精度。

附图说明

图1为现有的惯性导航时间同步流程示意图；

图2为现有的惯性导航授时系统原理图；

图3为本发明的系统原理图；

图4为本发明的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图3、4，本发明具体实施例的结构包括GNSS板卡、IMU惯导组件和MCU核心处理板，MCU核心处理板包括FPGA处理器2和DSP处理器1，GNSS板卡和IMU惯导组件分别与FPGA处理器2连接，FPGA处理器2与DSP处理器1连接，GNSS板卡接DSP处理器1。

其中，FPGA处理器2包括100ms定时器201、高频计数器203、5ms定时器202、高频计数寄存器208、陀螺脉冲计数器204、陀螺脉冲寄存器205、加计脉冲计数器206和加计脉冲寄存器207，100ms定时器201分别接高频计数器203和DSP处理器1，高频计数器203通过高频计数寄存器208接DSP处理器1，5ms定时器202分别接高频计数寄存器208、陀螺脉冲寄存器205、加计脉冲寄存器207和DSP处理器1，陀螺脉冲计数器204通过陀螺脉冲寄存器205接DSP处理器，加计脉冲计数器206通过加计脉冲寄存器207接DSP处理器1，GNSS板卡接高频计数器203。

DSP处理器1包括100ms外部中断101、5ms外部中断102、EMIF接口103和串行通信接口104，100ms定时器201接100ms外部中断101，高频计数寄存器208、陀螺脉冲寄存器205和加计脉冲寄存器207通过EMIF总线接EMIF接口103，5ms定时器202接5ms外部中断102，GNSS板卡接串行通信接口104。

IMU惯导组件包括加速度计和角速率陀螺，加速度计接加计脉冲计数器206，角速率陀螺接陀螺脉冲计数器204。

FPGA处理器2选用XC3S700AN，DSP处理器1选用TMS320C6713GDPA。

本发明的机载吊舱导航授时系统的授时方法如下：

IMU惯导组件的加速度计和角速率陀螺产生陀螺原始脉冲、加速度计原始脉冲，将两个原始脉冲分别送至FPGA处理器2；GNSS板卡产生1PPS秒脉冲信号和GPS数据(含速度信息、位置信息、时标信息)；GPS数据发送频率为10Hz；GNSS板卡将1PPS秒脉冲信号送至FPGA处理器2、GPS数据通过串行通信接口送至DSP处理器1。

1)FPGA处理器2收到1PPS秒脉冲后清零触发高频计数器203计数，应用100ms定时器201计数得到100ms脉冲、应用5ms定时器202计数得出5ms脉冲；

2)高频计数器203在100ms脉冲到来时清零计数；在5ms脉冲到来时，将高频计数器数据锁存进高频计数寄存器208；

3)陀螺脉冲计数器204采集计数陀螺原始脉冲，5ms脉冲到来时将计数锁存进陀螺脉冲寄存器205并清零陀螺脉冲计数器204计数值；

4)加计脉冲计数器206采集计数加速度计原始脉冲，5ms脉冲到来时将计数锁存进加计脉冲寄存器207并清零加计脉冲计数器206计数值；

5)100ms脉冲送至DSP处理器1的100ms外部中断101，5ms脉冲送至DSP处理器1的5ms外部中断102,高频计数寄存器208、陀螺脉冲寄存器205、加计脉冲寄存器207通过EMIF总线送至DSP处理器1的EMIF接口103；

6)5ms外部中断102使能时，先执行串行通信接口104接收GPS数据(含速度信息、位置信息、时标信息)；接收数据有效时，将GPS数据时标信息记为GNSS_T(保留0.1s精度)，GPS数据速度信息、位置信息记为GNSS_Data；然后通过EMIF接口103获取高频计数寄存器208数据记为HFreq_Req、陀螺脉冲寄存器205数据记为Gyro_Req、加计脉冲寄存器207数据记为Acc_Req；最后Gyro_Req、Acc_Req经过运算融合得到惯组数据记为IMU_Data；

7)步骤6)执行后，先将HFreq_Req换算至秒单位与GNSS_T叠加，叠加后数据记为记为IMU_5ms_T；然后将IMU_5ms_T融合进IMU_Data，得到带时标的惯组数据完成图1中t2时刻的授时；根据IMU_Data前多拍数据计算出GNSS_T时刻的IMU数据记为GNSS_IMU_Data；

8)100ms外部中断101使能时，将GNSS_IMU_Data、GNSS_Data通过组合导航运算得出导航数据记为INS_Data；INS_Data含GNSS_T时标信息，得到带时标信息的导航数据，实现机载吊舱惯性导航授时；

9)步骤8)执行后，将GNSS_T累加0.1s。

本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有技术。

以上，仅为本发明公开的具体实施方式，但本发明公开的保护范围并不局限于此，本发明公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种机载吊舱惯性导航授时系统，其特征在于：所述授时系统包括GNSS板卡、IMU惯导组件和MCU核心处理板，所述GNSS板卡和IMU惯导组件分别与MCU核心处理板连接。

2.根据权利要求1所述的机载吊舱惯性导航授时系统，其特征在于：所述MCU核心处理板包括FPGA处理器和DSP处理器，所述GNSS板卡和IMU惯导组件分别与FPGA处理器连接，所述FPGA处理器与DSP处理器连接，所述GNSS板卡接DSP处理器。

3.根据权利要求2所述的机载吊舱惯性导航授时系统，其特征在于：所述FPGA处理器包括100ms定时器、高频计数器、5ms定时器、高频计数寄存器、陀螺脉冲计数器、陀螺脉冲寄存器、加计脉冲计数器和加计脉冲寄存器，所述100ms定时器分别接高频计数器和DSP处理器，所述高频计数器通过高频计数寄存器接DSP处理器，所述5ms定时器分别接高频计数寄存器、陀螺脉冲寄存器、加计脉冲寄存器和DSP处理器，所述陀螺脉冲计数器通过陀螺脉冲寄存器接DSP处理器，所述加计脉冲计数器通过加计脉冲寄存器接DSP处理器，所述GNSS板卡接高频计数器。

4.根据权利要求3所述的机载吊舱惯性导航授时系统，其特征在于：所述DSP处理器包括100ms外部中断、5ms外部中断、EMIF接口和串行通信接口，所述100ms定时器接100ms外部中断，所述高频计数寄存器、陀螺脉冲寄存器和加计脉冲寄存器通过EMIF总线接EMIF接口，所述5ms定时器接5ms外部中断，所述GNSS板卡接串行通信接口。

5.根据权利要求4所述的机载吊舱惯性导航授时系统，其特征在于：所述FPGA处理器选用XC3S700AN。

6.根据权利要求5所述的机载吊舱惯性导航授时系统，其特征在于：所述DSP处理器选用TMS320C6713GDPA。

7.根据权利要求3至6任一权利要求所述的机载吊舱惯性导航授时系统，其特征在于：所述IMU惯导组件包括加速度计和角速率陀螺，所述加速度计接加计脉冲计数器，所述角速率陀螺接陀螺脉冲计数器。

8.一种实现权利要求1所述的机载吊舱惯性导航授时系统的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：IMU惯导组件的加速度计和角速率陀螺产生陀螺原始脉冲、加速度计原始脉冲，将两个原始脉冲分别送至FPGA处理器；GNSS板卡产生1PPS秒脉冲信号和GPS数据(含速度信息、位置信息、时标信息)；GPS数据发送频率为10Hz；GNSS板卡将1PPS秒脉冲信号送至FPGA处理器、GPS数据通过串行通信接口送至DSP处理器；

1)FPGA处理器收到1PPS秒脉冲后清零触发高频计数器计数，应用100ms定时器计数得到100ms脉冲、应用5ms定时器计数得出5ms脉冲；

2)高频计数器在100ms脉冲到来时清零计数；在5ms脉冲到来时，将高频计数器数据锁存进高频计数寄存器；

3)陀螺脉冲计数器采集计数陀螺原始脉冲，5ms脉冲到来时将计数锁存进陀螺脉冲寄存器并清零陀螺脉冲计数器计数值；

4)加计脉冲计数器6采集计数加速度计原始脉冲，5ms脉冲到来时将计数锁存进加计脉冲寄存器并清零加计脉冲计数器计数值；

5)100ms脉冲送至DSP处理器的100ms外部中断，5ms脉冲送至DSP处理器的5ms外部中断,高频计数寄存器、陀螺脉冲寄存器、加计脉冲寄存器通过EMIF总线送至DSP处理器的EMIF接口；

6)5ms外部中断使能时，先执行串行通信接口接收GPS数据(含速度信息、位置信息、时标信息)；接收数据有效时，将GPS数据时标信息记为GNSS_T(保留0.1s精度)，GPS数据速度信息、位置信息记为GNSS_Data；然后通过EMIF接口获取高频计数寄存器数据记为HFreq_Req、陀螺脉冲寄存器数据记为Gyro_Req、加计脉冲寄存器数据记为Acc_Req；最后Gyro_Req、Acc_Req经过运算融合得到惯组数据记为IMU_Data；

7)步骤6)执行后，先将HFreq_Req换算至秒单位与GNSS_T叠加，叠加后数据记为记为IMU_5ms_T；然后将IMU_5ms_T融合进IMU_Data，得到带时标的惯组数据完成t2时刻的授时；根据IMU_Data前多拍数据计算出GNSS_T时刻的IMU数据记为GNSS_IMU_Data；

8)100ms外部中断使能时，将GNSS_IMU_Data、GNSS_Data通过组合导航运算得出导航数据记为INS_Data；INS_Data含GNSS_T时标信息，得到带时标信息的导航数据，实现机载吊舱惯性导航授时；

9)步骤8)执行后，将GNSS_T累加0.1s。

Images