CN1749916A - 用计算机接入gps秒脉冲信号实现精确时间对准的方法 - Google Patents

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郭智
丁赤飚
张新
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Abstract

本发明用计算机接入GPS秒脉冲信号实现精确时间对准的方法，涉及GPS应用技术领域，可实现本机精确时间对准，进而实现多台计算机、多种数据源之间精确的时间对准。GPS数据通过RS－232电平传送给计算机第一个COM口；GPS的PPS秒脉冲信号经过电平转换电路后引入计算机第二个COM口，将其作为中断触发信号，在嵌入式实时操作系统环境下设置接收计算机串口控制器，使计算机能够直接响应PPS信号引发的中断，获得中断的精确时间，通过与GPS数据中时间信息进行比较，实现本机时间精确对准，进而实现多台计算机、多种数据源的数据精确对准。本发明实现简单，无需对硬件进行大的修改，软件控制保证本方法具有很大灵活性。

Description

用计算机接入GPS秒脉冲信号实现精确时间对准的方法
技术领域
本发明涉及GPS应用、实时数据处理，嵌入式实时系统领域，特别是多台计算机、多种数据源的数据实现精确时间对准的方法。
背景技术
实时数据处理系统中，经常要对来自多台计算机、多种数据源的数据进行精确时间对准。
在数据接收计算机中，将通过COM(即RS-232电平)口接收PPS秒脉冲。RS-232C标准的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA(ElectronicIndustry Association)代表美国电子工业协会，RS(recommendedstandard)代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改(1969)。它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
在通用计算机和Power PC机中，计算机对RS-232接口增加了控制器，设置了协议，通常所说的PC机的RS-232接口就是带有通信协议的接口。这个标准对串行通信接口的有关问题如信号线功能、电器特性等都作了明确规定。
串行通信接口中的数据载波检出(Data Carrier dectection-DCD)信号用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。当本地的MODEM收到由通信链路另一端(远地)的MODEM送来的载波信号时，使DCD信号有效，通知终端准备接收，并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字信号后，沿接收数据线(RXD)送到终端。
发明内容
本发明的目的在于利用通用计算机的串行通信接口接收GPS秒脉冲，实现本机精确时间对准，进而实现多台计算机、多种数据源的精确时间对准。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用计算机接入GPS秒脉冲信号实现精确时间对准的方法，全球定位系统输出包括GPS数据和PPS秒脉冲两部分，其中GPS数据包含数据时间以及导航数据信息，PPS提供接收数据的时间基准，其GPS数据通过RS-232电平传送给数据接收计算机的第一个COM口；PPS秒脉冲经过电平转换电路变换为RS-232电平，将RS-232电平的PPS信号通过计算机第二个COM口接入该计算机；设置该计算机第二个COM口的串口控制器，使得PPS信号能够直接触发串口中断。
所述的实现精确时间对准的方法，其所述使得PPS信号能够直接触发串口中断，计算机记录中断的精确时间，通过与GPS数据中的时间对比实现本机精确时间对准。
所述的实现精确时间对准的方法，其所述计算机为复数个，利用PPS秒脉冲时间信息和GPS数据的时间信息实现本机精确时间对准，多计算机、多数据源的数据精确对准。
所述的实现精确时间对准的方法，其所述通过计算机第二个COM口，是指连接到数据接收计算机第二个COM口的DCD信号线。
所述的实现精确时间对准的方法，其所述计算机第二个COM口设置串口控制器，是为了使DCD信号能直接引发串口中断，这需要在通用计算机的操作系统或者嵌入式系统中进行编程，对数据接收计算机的串口控制器进行正确设置。
所述的实现精确时间对准的方法，其所述对数据接收计算机的串口控制器进行正确设置，是为了避免影响其他串行通信口的正常工作，在嵌入式实时操作系统VxWorks或Windows环境下，首先开启数据接收计算机的中断源(IRQ)，“使能”串口中断寄存器，设置串口控制寄存器，使DCD信号能够引发串口中断，将中断处理程序与串口中断连接，这样，当PPS秒脉冲到来时即可引发中断，数据接收计算机在接收到PPS秒脉冲后立即记录下该时刻的时间信息，该信息将作为数据对准的依据，系统的中断响应时间＜20us。
所述的实现精确时间对准的方法，其可有效实现合成孔径雷达的运动补偿，利用本发明的方法，采用惯性导航系统(SINS)和全球定位系统(GPS)组合技术，使惯性导航系统(SINS)、全球定位系统(GPS)、雷达回波三种数据精确同步。
所述的实现精确时间对准的方法，其所述惯性导航系统(SINS)、全球定位系统(GPS)、雷达回波三种数据精确同步，是全球定位系统数据通过第一个COM口发送给综合信号处理机和惯性导航系统(SINS)，综合信号处理机和惯性导航系统(SINS)记录并存储全球定位系统(GPS)数据；全球定位系统(GPS)发出的PPS秒脉冲信号通过TTL电平直接传送给惯性导航系统(SINS)，同时经过电平转换电路将PPS秒脉冲信号转换为RS-232电平经第二个COM口传送给综合信号处理机；当PPS秒脉冲上升沿到达时，该信号触发综合信号处理机和惯性导航系统(SINS)的中断机制，中断得到反应后记录下该时刻的准确时间，这样，惯性导航系统(SINS)数据和综合信号处理机得到的雷达回波数据加入了时间基准，通过这个时间基准可以在综合信号处理系统内实现惯性导航系统(SINS)、全球定位系统(GPS)的组合导航数据与雷达回波数据的精确对准，各种数据同步后进行后续的运动补偿。
所述的实现精确时间对准的方法，其适用于通用计算机系统或者Power Pc系统。
本发明的有益效果是：第一，PPS秒脉冲的接收采用中断方式，基于嵌入式开发环境的强实时性保证了PPS秒脉冲的高时间精度。第二，本发明的实现非常简单，无需对硬件进行大的修改即可实现，软件控制保证该方法具有很大灵活性。第三，PPS秒脉冲作为多台计算机、多种数据源的统一时间基准，保证了数据的完全同步，实现了数据的精确对准，为高精度的数据处理提供了保障。第四，本发明的造价很低，除简单的电平转换电路外不需要其他的开销。第五，由于现在大多数仪器设备上都会提供串行通信口，使本发明具有广泛的应用环境，该技术同时适用于通用计算机系统或者Power Pc系统。
附图说明
图1是通过COM口接入GPS秒脉冲信号实现精确数据对准技术的组成框图；
图2COM口接入PPS脉冲实现SINS/GPS组合导航数据与SAR回波数据对准。
具体实施方式
本发明提出了一种利用通用计算机的串行通信接口接收全球定位系统(GPS)秒脉冲，实现本机精确时间对准，进而实现多台计算机、多种数据精确对准的技术。把PPS携带的时间信息作为多台计算机、多种数据源的统一时间基准，PPS脉冲宽度是0.8192×4ms，周期时间可编程，范围从10ms到1000000000ms，默认情况下是1000ms，接口为BNC插座，电平为TTL。
如图1所示，全球定位系统(GPS)3输出包括GPS数据4和PPS秒脉冲5。全球定位系统(GPS)数据4通过RS-232电平(COM口)7传送给数据接收计算机1、2......n；对PPS秒脉冲5进行接收时，首先将GPS输出的TTL电平PPS信号连接到电平转换电路6，该电平转换电路6将PPS秒脉冲5由TTL电平转换为RS-232电平(COM口)7输出，将电平转换电路6输出端的发送数据信号线(TXD)连接到数据接收计算机1、2......n的串口数据载波检出(DCD)信号线；为了实现多台计算机、多种数据的精确对准，将需要精确时间对准的各种数据通过RS-232电平(COM口)连接到接收计算机1、2......n，这样，硬件连接完成。通过接收计算机1、2.....n接收GPS数据、PPS秒脉冲和其他数据1、2.....n，数据接收后，在各接收计算机1、2....n中通过PPS秒脉冲信号和GPS数据的时间信息实现本机的精确时间对准，进而在综合信号处理系统中实现多台计算机、多种数据的精确对准。在嵌入式实时操作系统环境下对数据接收计算机的串口编写软件，实现各种数据1、2.....n和GPS数据以及PPS秒脉冲的接收。为了避免影响其他串行通信口的正常工作，在嵌入式实时操作系统VxWorks环境下，对接收PPS秒脉冲信号的串行通信接口重新编写驱动程序，首先开启数据接收计算机的中断源(IRQ)，“使能”串口中断寄存器，设置串口控制寄存器，使DCD信号能够引发串口中断，将中断处理程序与串口中断连接，这样，当PPS秒脉冲到来时即可引发中断，数据接收计算机在接收到PPS秒脉冲后立即记录下该时刻的时间信息，该信息将作为数据对准的依据。利用记录的PPS秒脉冲时间信息和全球定位系统(GPS)时间信息对比，实现本机的精确时间对准，进而实现多台计算机、多种数据源的数据精确对准。当需要停止该串口工作时，要关闭中断，关闭串口，清空寄存器设置。
本发明具体实施是在通用计算机系统或Power Pc系统环境进行的，在该环境下，采用嵌入式实时操作系统VxWorks及Tornado开发环境，针对本发明的特殊用法编写串口控制器的驱动程序，利用简捷的语言描述可极大的减少软件运行所造成的时间延时。另一方面，VxWorks具有良好的实时性，该系统的中断响应时间＜20us，这保证了PPS秒脉冲的时间精度，为后续高精度的数据对准及信号处理创造了条件。
实施例
合成孔径雷达进行观测时通常要求载体作匀速直线运动，但载机在飞行中由于受气流以及设备性能的影响，不可能保持理想匀速直线运动状态，从而造成图像散焦、信噪比下降等有害影响。为了有效实现合成孔径雷达的运动补偿，可以采用惯性导航系统(SINS)和全球定位系统(GPS)组合技术。这种运动补偿技术要求惯性导航系统(SINS)、全球定位系统(GPS)、雷达回波三种数据的精确同步。利用本发明提出的精确时间对准的方法，能够实现全球定位系统(GPS)秒脉冲信号(PPS秒脉冲)的精确接收并利用该PPS秒脉冲信号实现对惯性导航系统(SINS)、全球定位系统(GPS)、雷达回波三种数据进行精确的时间对准。
如图2所示，全球定位系统(GPS)数据4通过RS-232串行通信口(COM口)7发送给综合信号处理机和惯性导航系统(SINS)12，综合信号处理机和惯性导航系统(SINS)12记录并存储全球定位系统(GPS)数据4；全球定位系统(GPS)3接收机发出的PPS秒脉冲5信号通过TTL电平直接传送给惯性导航系统(SINS)12，同时经过电平转换电路6将PPS秒脉冲5信号转换为RS-232电平(COM口)7传送给综合信号处理系统14；当PPS秒脉冲5上升沿到达时，该信号触发综合信号处理机和惯性导航系统(SINS)12的中断机制，中断得到反应后记录下该时刻的准确时间，这样，惯性导航系统(SINS)数据和综合信号处理机得到的雷达回波数据15加入了时间基准，通过这个时间基准可以在综合信号处理系统14内实现惯性导航系统(SINS)12、全球定位系统(GPS)3的组合导航数据与雷达(SAR)回波数据15的精确对准，各种数据同步后进行后续的运动补偿。

Claims (9)

1.一种用计算机接入GPS秒脉冲信号实现精确时间对准的方法，全球定位系统输出包括GPS数据和PPS秒脉冲两部分，其中GPS数据包含时间数据以及导航数据信息，PPS提供接收数据的时间基准，其特征在于：GPS数据通过RS-232电平传送给数据接收计算机的第一个COM口；PPS秒脉冲经过电平转换电路变换为RS-232电平，将RS-232电平的PPS信号通过计算机第二个COM口接入该计算机；设置该计算机第二个COM口的串口控制器，使得PPS信号能够直接触发串口中断。
2.如权利要求1所述的实现精确时间对准的方法，其特征在于：所述使得PPS信号能够直接触发串口中断，计算机记录中断的精确时间，通过与GPS数据中的时间对比实现本机精确时间对准。
3.如权利要求1所述的实现精确时间对准的方法，其特征在于：所述计算机为复数个，利用PPS秒脉冲时间信息和GPS数据的时间信息实现本机精确时间对准，多计算机、多数据源的数据精确对准。
4.如权利要求1所述的实现精确时间对准的方法，其特征在于：所述通过计算机第二个COM口，是指连接到数据接收计算机第二个COM口的DCD信号线。
5.如权利要求1或4所述的实现精确时间对准的方法，其特征在于：所述计算机第二个COM口设置串口控制器，是为了使DCD信号能直接引发串口中断，这需要在通用计算机的操作系统或者嵌入式系统中进行编程，对数据接收计算机的串口控制器进行正确设置。
6.如权利要求5所述的实现精确时间对准的方法，其特征在于：所述对数据接收计算机的串口控制器进行正确设置，是为了避免影响其他串行通信口的正常工作，在嵌入式实时操作系统VxWorks或Tornado环境下，首先开启数据接收计算机的中断源(IRQ)，“使能”串口中断寄存器，设置串口控制寄存器，使DCD信号能够引发串口中断，将中断处理程序与串口中断连接，这样，当PPS秒脉冲到来时即可引发中断，数据接收计算机在接收到PPS秒脉冲后立即记录下该时刻的时间信息，该信息将作为数据对准的依据，系统的中断响应时间＜20us。
7.如权利要求1所述的实现精确时间对准的方法，其特征在于：可有效实现合成孔径雷达的运动补偿，利用本发明的方法，采用惯性导航系统(SINS)和全球定位系统(GPS)组合技术，使惯性导航系统(SINS)、全球定位系统(GPS)、雷达回波三种数据精确同步。
8.如权利要求7所述的实现精确时间对准的方法，其特征在于：所述惯性导航系统(SINS)、全球定位系统(GPS)、雷达回波三种数据精确同步，是全球定位系统数据通过第一个COM口发送给综合信号处理机和惯性导航系统(SINS)，综合信号处理机和惯性导航系统(SINS)记录并存储全球定位系统(GPS)数据；全球定位系统(GPS)发出的PPS秒脉冲信号通过TTL电平直接传送给惯性导航系统(SINS)，同时经过电平转换电路将PPS秒脉冲信号转换为RS-232电平经第二个COM口传送给综合信号处理机；当PPS秒脉冲上升沿到达时，该信号触发综合信号处理机和惯性导航系统(SINS)的中断机制，中断得到反应后记录下该时刻的准确时间，这样，惯性导航系统(SINS)数据和综合信号处理机得到的雷达回波数据加入了时间基准，通过这个时间基准可以在综合信号处理系统内实现惯性导航系统(SINS)、全球定位系统(GPS)的组合导航数据与雷达回波数据的精确对准，各种数据同步后进行后续的运动补偿。
9.如权利要求1所述的实现精确时间对准的方法，其特征在于：适用于通用计算机系统或者Power Pc系统。
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