基于1pps的GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步方法

丁貝

摘 要：針對GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中GPS數(shù)據(jù)和INS數(shù)據(jù)不同步的問題，以衛(wèi)星接收機發(fā)出的秒脈沖信號作為參考時標(biāo)，本文提出了一種軟、硬件相結(jié)合的數(shù)據(jù)同步方法。該方法基于GPS接收機輸出的1pps，綜合考慮時間起點與基準(zhǔn)不一致、采樣頻率不一致、電路時延問題對數(shù)據(jù)同步的影響，設(shè)計了中斷計時方法，利用數(shù)字信號保持器對慣導(dǎo)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行同步。仿真結(jié)果表明，該方法能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確同步。

關(guān)鍵詞：組合導(dǎo)航；數(shù)據(jù)同步；中斷；衛(wèi)星秒脈沖

1 影響數(shù)據(jù)同步的主要因素

對于GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)致從IMU和GPS接收機輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)不同步的原因從如下原因進行分析：

1） 時間起點和基準(zhǔn)不同

衛(wèi)星和慣導(dǎo)系統(tǒng)都是獨立的，與不同的時間系統(tǒng)對應(yīng)，時間基準(zhǔn)與起點不一致。衛(wèi)星接收機使用的是UTC時間，而慣導(dǎo)系統(tǒng)有自己的時鐘，利用其內(nèi)部電路中的計時器計時，每次慣導(dǎo)系統(tǒng)開機，都是從零開始重新計時。衛(wèi)星接收機依靠秒點與UTC時間一致，保證其時間間隔的穩(wěn)定性；而慣導(dǎo)系統(tǒng)是依靠內(nèi)部晶振為基準(zhǔn)，由于溫度特性等因素的影響，INS時鐘會發(fā)生漂移。

2） 數(shù)據(jù)更新頻率不一致

衛(wèi)星接收機和INS的數(shù)據(jù)更新率是不同的，慣導(dǎo)系統(tǒng)可以達(dá)到200Hz，而衛(wèi)星接收機一般為1Hz。衛(wèi)星接收機測量采樣能夠嚴(yán)格在秒脈沖點進行，此時，在秒脈沖整秒時刻肯定有衛(wèi)星數(shù)據(jù)，但此時慣導(dǎo)系統(tǒng)未必會有新的測量值。

3） 電路時延

在電路板中，測量、數(shù)模轉(zhuǎn)換、采樣過程中均會產(chǎn)生時延，這樣就會導(dǎo)致慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和導(dǎo)航信息傳輸過程中存在時間誤差。在衛(wèi)星接收機和慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄?dǎo)航系統(tǒng)中的數(shù)采板時，產(chǎn)生傳輸時延。

2 數(shù)據(jù)同步方法研究

2.1 同步問題分析

衛(wèi)星數(shù)據(jù)和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的同步示意圖如圖1所示，衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收點由長豎線顯示，即衛(wèi)星秒脈沖；慣導(dǎo)數(shù)據(jù)接收點由短豎線顯示。從下圖能看出，衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收時刻沒有慣導(dǎo)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)假設(shè)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)域衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收時間差為，在秒脈沖上沿，慣導(dǎo)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)時標(biāo)差為。如果能實時計算出每個秒脈沖與秒脈沖之前的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)接收時間差為，經(jīng)過某種算法估計出慣導(dǎo)系統(tǒng)在每個衛(wèi)星秒脈沖點上的值，這樣就相當(dāng)于采樣到兩路信號在同一時刻的數(shù)據(jù)。

2.2 同步算法設(shè)計

因為慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的周期性特點，同步外推算法可以使用數(shù)字信號保持器。假設(shè)衛(wèi)星秒脈沖時間點與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)X（nTinx ）的時間差為，則可利用以下的數(shù)據(jù)外推m階保持器實現(xiàn)同步點上的數(shù)據(jù)外推估計，多項式可表示為：

（1）

式中，Tinx是慣導(dǎo)數(shù)據(jù)輸出周期，是需要外推的時間差，且。

因為衛(wèi)星數(shù)據(jù)更新時間點與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)更新時間點不一致，且慣導(dǎo)數(shù)據(jù)更新速率要高出很多倍，所以在每個秒脈沖點上可以保證有足夠數(shù)據(jù)用于構(gòu)建高階保持器，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。但是綜合考慮外推精度與運算時間，選用了二階保持器，外推多項式如下所示：

（2）

其中，多項式系數(shù)為：

由式（2）可知，確定外推多項式系數(shù)之后，仍需確定時間差才能對估計數(shù)據(jù)進行計算，此時數(shù)據(jù)同步的關(guān)鍵所在就是獲取同步時間差。因為UTC時間與衛(wèi)星秒脈沖時間秒點是對齊的，如果慣導(dǎo)數(shù)據(jù)頻標(biāo)一定，則只需要第一次的時標(biāo)差，每個秒脈沖時間點處的時間差就能按照固有周期推算出來。但是，慣導(dǎo)數(shù)據(jù)存在頻標(biāo)漂移，一定的誤差會存在于時標(biāo)差直接遞推過程中，于是為了解決這個問題，一種利用中斷計時的方法獲取時間差和時標(biāo)差的方法在此處提出。

2.3 硬件及中斷設(shè)計

在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中設(shè)計兩個中斷，分別為1pps脈沖中斷與INS數(shù)據(jù)更新中斷，由數(shù)據(jù)處理軟件進行操作。在秒脈沖中斷觸發(fā)時，計時器啟動，在這個過程中，慣導(dǎo)數(shù)據(jù)更新中斷只有在秒脈沖觸發(fā)中斷后才會被允許；當(dāng)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)更新中斷到來后讀出計時值，計時器重置，該計時值即為時標(biāo)差，于是也就得到了。二者關(guān)系如下：

（3）

1pps脈沖中斷服務(wù)程序流程如圖2（a）所示， INS數(shù)據(jù)更新中斷服務(wù)程序流程如圖2（b）所示。

因為慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的更新頻率高，為了節(jié)省CPU資源，以此保證組合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的實時性，慣導(dǎo)數(shù)據(jù)更新中斷只有在衛(wèi)星秒脈沖中斷觸發(fā)后才能被啟動。

3 仿真實驗及分析

本論文分析了GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步問題，并從算法，硬件的角度設(shè)計解決了GPS和INS數(shù)據(jù)的同步問題，其中核心是外推算法設(shè)計，所以實驗過程針對外推算法進行仿真分析。

仿真結(jié)果如圖3所示，圖中‘*表示同步后衛(wèi)星秒脈沖點的慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，△表示未同步的nT點慣導(dǎo)數(shù)據(jù)，虛線表示衛(wèi)星秒脈沖點處的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

從圖可以看出，未同步的INS數(shù)據(jù)與實際INS數(shù)據(jù)有一個時間差，也就是本文提到的同步時間差 ，但是可以看到同步后‘*線數(shù)據(jù)與同步前‘△線數(shù)據(jù)連成一條正弦波線，也就是實際INS數(shù)據(jù)，由此可以證明外推算法的正確性；經(jīng)過實時同步處理后，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)基本重合，所以本文提出的實時同步方法是可行的。