GPS／INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步方法綜述①

劉 帥，孫付平，陳 坡，李海峰

（信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，河南 鄭州450052）

0 引 言

GPS具有定位精度高、誤差不隨時(shí)間積累等優(yōu)點(diǎn)，而且，用載波相位觀(guān)測(cè)值時(shí)，其定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)，但是，GPS也存在著信號(hào)容易受到遮擋或干擾、數(shù)據(jù)更新率低、缺少姿態(tài)信息輸出等缺點(diǎn)；相比較而言，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，其擁有高數(shù)據(jù)更新率，并具備姿態(tài)信息輸出，但是由于陀螺誤差漂移的存在，即使高精度的INS也面臨誤差隨著導(dǎo)航時(shí)間延長(zhǎng)而不斷累積的問(wèn)題。由于GPS和INS之間存在良好的互補(bǔ)特性，GPS和INS的組合將能克服各自的缺點(diǎn)、體現(xiàn)組合優(yōu)勢(shì)。

GPS和INS組合導(dǎo)航包含各自導(dǎo)航信息的融合，而導(dǎo)航信息融合的重要前提是不同導(dǎo)航傳感器所獲取的導(dǎo)航信息在空間和時(shí)間上統(tǒng)一。導(dǎo)航傳感器的空間統(tǒng)一是指測(cè)量出GPS和INS之間的坐標(biāo)差值，并在導(dǎo)航信息的融合時(shí)加以轉(zhuǎn)換改正，相對(duì)較易實(shí)現(xiàn)。而導(dǎo)航傳感器的時(shí)間統(tǒng)一或者說(shuō)時(shí)間同步則相對(duì)復(fù)雜。若不考慮GPS和INS這兩種導(dǎo)航傳感器間的時(shí)間偏差，將不同時(shí)間點(diǎn)上所獲取的導(dǎo)航信息進(jìn)行融合會(huì)給濾波結(jié)果帶來(lái)誤差，甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤的導(dǎo)航結(jié)果。因此，時(shí)間同步是GPS／INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。鑒于時(shí)間同步對(duì)組合導(dǎo)航的重要性，許多學(xué)者對(duì)GPS／INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間延遲的影響、時(shí)間同步的方法進(jìn)行了研究。根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)研究資料，著重分析了時(shí)間不同步產(chǎn)生的原因，歸納了組合導(dǎo)航時(shí)間同步的實(shí)現(xiàn)思路，并闡述了現(xiàn)今典型的時(shí)間同步方法。

1 時(shí)間異步原因

1）時(shí)間起點(diǎn)和基準(zhǔn)不一致。GPS和INS是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)著不同的時(shí)間系統(tǒng)，各自的時(shí)間起點(diǎn)和基準(zhǔn)均不一致。GPS接收機(jī)時(shí)間對(duì)應(yīng)于GPS時(shí)，其起點(diǎn)是1980年1月6日零時(shí)；INS使用其內(nèi)部控制電路中的計(jì)時(shí)器，通常每次INS開(kāi)機(jī)后該計(jì)時(shí)器從零開(kāi)始計(jì)時(shí)。GPS以原子時(shí)秒長(zhǎng)作為自身秒長(zhǎng)，能夠保證時(shí)間間隔的高穩(wěn)定性；INS是依靠?jī)?nèi)部晶振頻率作為計(jì)時(shí)基準(zhǔn)，相對(duì)GPS時(shí)鐘其頻率并不穩(wěn)定，易發(fā)生漂移。由上可知，INS和GPS的時(shí)間起點(diǎn)不一致，基準(zhǔn)也不同。

2）數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)不一致。GPS接收機(jī)和INS的采樣率或者說(shuō)數(shù)據(jù)更新率是不同的，INS能夠達(dá)到200Hz或更高的數(shù)據(jù)更新率；GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)更新率通常為1Hz.GPS接收機(jī)能夠嚴(yán)格在整秒進(jìn)行測(cè)量采樣，但I(xiàn)NS并不能保證恰好也在整秒時(shí)刻進(jìn)行測(cè)量采樣，這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)把卡爾曼濾波時(shí)刻選擇在GPS整秒時(shí)刻時(shí)，此時(shí)雖有GPS測(cè)量值，但由于采樣點(diǎn)的差異未必有INS測(cè)量值。

3）電路時(shí)延。GPS導(dǎo)航信息和INS數(shù)據(jù)存在著輸出時(shí)延，具體體現(xiàn)在：GPS接收機(jī)和INS的內(nèi)部時(shí)延（測(cè)量、采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換等產(chǎn)生的時(shí)延）、GPS接收機(jī)和INS的導(dǎo)航信息傳輸?shù)浇M合導(dǎo)航信息融合濾波器過(guò)程中的傳輸時(shí)延（串口時(shí)延等）、導(dǎo)航信息處理過(guò)程中產(chǎn)生的時(shí)延、秒脈沖信號(hào)的不穩(wěn)定性及時(shí)延。

2 時(shí)間同步方法分析

在設(shè)計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的整體精度需求，確定時(shí)間同步的精度需求，繼而確定時(shí)間同步方法，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成本和系統(tǒng)精度的協(xié)調(diào)。因此，需要明確時(shí)間不同步對(duì)組合導(dǎo)航性能的影響量級(jí)，此方面內(nèi)容具體可以參考文獻(xiàn)［1]、［2]、［3]、［4]、［11]。理想的時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)方法是讓GPS與INS使用同一個(gè)晶振來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集［6]，但這很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樾枰瑫r(shí)具備GPS和INS的底層開(kāi)發(fā)能力。

通常的時(shí)間同步方法借助于GPS接收機(jī)輸出的秒脈沖信號(hào)（1PPS）。GPS接收機(jī)輸出的1PPS的上升沿與GPS時(shí)的偏差通常小于1μs，對(duì)于授時(shí)型接收機(jī)其偏差會(huì)小于100ns.GPS接收機(jī)嚴(yán)格在1PPS的上升沿進(jìn)行一次偽距、偽距率、載波相位等測(cè)量，可以看出1PPS是代表GPS接收機(jī)測(cè)量時(shí)刻的一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)，因此，可以借助GPS接收機(jī)輸出的1PPS作為參考來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。但考慮到GPS接收機(jī)輸出的1PPS僅是一個(gè)能夠代表GPS測(cè)量時(shí)刻的秒脈沖信號(hào)，并不包含絕對(duì)的時(shí)間信息，因此，要達(dá)到絕對(duì)的時(shí)間同步還需要利用GPS接收機(jī)輸出的NEMA0183格式導(dǎo)航數(shù)據(jù)或是二進(jìn)制格式導(dǎo)航數(shù)據(jù)所包含的絕對(duì)時(shí)間信息。此外還需要從INS提供的接口上考慮時(shí)間同步方法，如果INS不提供GPS接收機(jī)信號(hào)或數(shù)據(jù)的輸入，則需要設(shè)計(jì)公用的時(shí)間同步模塊。

3 典型時(shí)間同步方法

現(xiàn)有的典型組合導(dǎo)航時(shí)間同步方法可將其分為三類(lèi)：GPS接收機(jī)1PPS輸入INS的時(shí)間同步方法、GPS接收機(jī)1PPS輸入公用時(shí)間同步模塊的時(shí)間同步方法和參數(shù)化方法。其中，參數(shù)化方法是指將時(shí)間同步誤差作為待估參數(shù)的一種方法，這種方法需要將時(shí)間同步誤差限定在一定的范圍之內(nèi)，而且對(duì)于低精度的INS該方法未必能夠估計(jì)出來(lái)好的結(jié)果，重點(diǎn)研究前兩種方法，關(guān)于參數(shù)化方法可以參考文獻(xiàn)［1]、［3]、［4]、［5]。

3.1 GPS接收機(jī)1PPS輸入INS的時(shí)間同步

此處選取馬云峰［6]的設(shè)計(jì)作為說(shuō)明。該設(shè)計(jì)利用GPS接收機(jī)輸出的1PPS，結(jié)合CPLD產(chǎn)生的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)INS和GPS數(shù)據(jù)的同步采集。如圖1所示，其實(shí)現(xiàn)思路是將GPS－OEM板輸出的1PPS接入CPLD多通道數(shù)據(jù)采集控制電路，用它觸發(fā)硬件內(nèi)部邏輯從而校準(zhǔn)并初始化CPLD的內(nèi)部定時(shí)器，同時(shí)保證1PPS到來(lái)時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)同步采樣脈沖，實(shí)現(xiàn)INS與GPS數(shù)據(jù)在整秒時(shí)刻的同步?？梢园堰@種方法稱(chēng)之為在采樣級(jí)別的同步，此方法可以獲得微秒級(jí)的時(shí)間同步精度。這種方法適用于具備從底層進(jìn)行組合導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的用戶(hù)。有些商用INS能夠直接接收1PPS并在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)如上所述的功能。

圖1 CPLD多通道數(shù)據(jù)采集控制電路［7]

3.2 GPS接收機(jī)1PPS輸入公用時(shí)間同步模塊的時(shí)間同步

當(dāng)使用無(wú)外部脈沖輸入接口的INS進(jìn)行的組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以使用此種時(shí)間同步方法，該方法的核心思想是設(shè)計(jì)公用的時(shí)間同步模塊，將1 PPS和GPS時(shí)間信息都輸入到公用的時(shí)間同步模塊中來(lái)完成時(shí)間同步，如圖2所示。Li給出了一種叫做高效同步系統(tǒng)（CESS）的典型時(shí)間同步設(shè)計(jì)［8]，其模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。CESS由3部分構(gòu)成：能夠輸出1PPS的GPS接收機(jī)、多功能數(shù)據(jù)采集卡（DAQ Card）和數(shù)據(jù)采集軟件，GPS接收機(jī)輸出的1PPS作為時(shí)間參考并觸發(fā)整個(gè)系統(tǒng)，其中多功能數(shù)據(jù)采集卡由模擬信號(hào)輸入／輸出、計(jì)數(shù)器／計(jì)時(shí)器和數(shù)字I／O線(xiàn)等組成，Li使用了多種方法對(duì)CESS所能達(dá)到的同步精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并得出所能實(shí)現(xiàn)的時(shí)間同步精度是0.4ms.該方法引入了一種使用DAQ Card作為公用時(shí)間同步模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的思路，只需選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡，根據(jù)所采用的INS編寫(xiě)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件即可。與此類(lèi)似，張開(kāi)東、朱志勤也是使用DAQ Card實(shí)現(xiàn)各自的時(shí)間同步方法［9－10]。

Li的方法要求輸入DAQ Card的INS信號(hào)須是模擬信號(hào)，對(duì)模擬信號(hào)的處理要加入模數(shù)轉(zhuǎn)換，而大部分INS產(chǎn)品輸出的是數(shù)字信號(hào)，Ding就針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)了如圖4所示的時(shí)間同步方法［11]，該實(shí)現(xiàn)方法更具有一般性，其中組合平臺(tái)既可以是個(gè)人電腦也可以是嵌入式的處理器，Ding假定GPS接收機(jī)和INS都能夠輸出PPS，當(dāng)組合平臺(tái)檢測(cè)到PPS信息時(shí)將觸發(fā)相應(yīng)的寄存器，記錄下來(lái)當(dāng)前計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)，通過(guò)寄存器中的計(jì)數(shù)值可以計(jì)算出GPS和INS的PPS信號(hào)間的時(shí)間差。但很多INS產(chǎn)品無(wú)PPS輸出，此時(shí)可以使用INS的串口信號(hào)來(lái)觸發(fā)寄存器。Ding對(duì)時(shí)間同步的精度進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)價(jià)，當(dāng)INS有PPS輸出時(shí)能達(dá)到0.1ms，因?yàn)镻PS代表的正是測(cè)量時(shí)刻，其時(shí)延量相當(dāng)小，而若INS沒(méi)有PPS輸出時(shí)，通過(guò)串口數(shù)據(jù)來(lái)觸發(fā)計(jì)時(shí)器會(huì)引入串口傳輸時(shí)延，因此，其精度相對(duì)降低為2ms.此外，Li、李倩設(shè)計(jì)了基于FPGA的時(shí)間同步方法［12－13]，Xu設(shè)計(jì)了基于微控制器輔助PC104的時(shí)間同步方法［14]，可參考相應(yīng)的文獻(xiàn)。

4 結(jié) 論

分析了GPS／INS組合導(dǎo)航時(shí)間異步產(chǎn)生的原因，借助GPS的1PPS實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的基本思路，對(duì)當(dāng)今典型的時(shí)間同步方法進(jìn)行了分類(lèi)闡述。可以為組合導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間同步設(shè)計(jì)提供重要參考。

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