CN101105401A - 一种sdins/gps组合导航***时间同步及同步数据提取方法 - Google Patents
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Abstract
一种SDINS/GPS组合导航***时间同步及同步数据提取方法,以GPS接收机的1PPS秒脉冲为基准,生成IMU采样时钟,通过FPGA中的计数器对IMU输出脉冲信号进行计数,实现IMU数据采样与1PPS同步,从而实现IMU数据与GPS数据的同步。GPS数据通过VHDL语言实现的串口接收。浮点DSP响应FPGA的外部中断,以总线方式读取FPGA内部的IMU数据,并根据IMU数据包中的IMU同步标志和GPS读取标志提取同步IMU数据和读取GPS数据。该方法采用硬件同步,时间同步精度高,稳定性好,并能够与1PPS实现再次同步,为组合导航解算提供高精度同步数据,提高组合导航***整体性能;DSP以中断方式提取同步数据,几乎不占用作组合解算的DSP资源,具有很好的实时性。
Description
技术领域
本发明涉及到一种SDINS(捷联惯性导航***Strapdown INS)/GPS组合导航***时间同步及同步数据提取方法,属于组合导航技术领域,适用于以脉冲方式输出的惯性测量单元组成的SDINS和GPS组合导航***,同步精度高,实时性好。
背景技术
SDINS/GPS组合导航***采用数据融合方法进行信息融合,以提高***的整体导航精度。而在进行信息融合时,必须保证来自SDINS和GPS的导航信息是同一时刻的数据,即首先要求解决两个子***的数据同步问题。而SDINS和GPS两个子***采用的是独立的时间***:SDINS中IMU具有自己的频标,在实际使用中由于温度特性等因素的影响,SDINS的频标还会出现漂移,而GPS采用协调世界时UTC时间,并且两者的数据更新率也不一样,GPS的更新率通常为1Hz,而SDINS的更新率一般大于20HZ,二者的导航信息在时间上不同步,为使二者在时间上同步,一般采用软硬件结合的时间同步方法。
当前软硬件结合的时间同步方法常采用1PPS脉冲触发CPU中断,利用CPU定时器测量GPS的1PPS后的第一个SDINS数据与1PPS的时间间隔,根据SDI NS固定的更新周期与该时间间隔作差,便得到1PPS前一个SDINS数据与1PPS的时间间隔,然后通过插值处理或多项式拟合得到在GPS的1PPS时间点上的SDINS数据,这种方法缺点是每次同步都需要CPU参与,进行数据处理,从而占用较多的CPU时间,增加CPU的任务量,且动态性越大,同步精度越低。中国专利申请200710099611.6所述的一种位置姿态***的硬件时间同步方法,以1PPS为中断信号,采用CPU定时器产生与1PPS同步的采样时钟,实现数据采集与1PPS同步,该方法在同步过程中同样始终需要CPU参与,由CPU控制数据采集,增加了CPU的任务量。这两种方法都采用1PPS向CPU申请中断,由于CPU响应外部中断本身具有一定的延迟,限制了同步精度。
发明内容
本发明的目的是:针对SDINS/GPS组合导航***在作数据融合时,必须保证来自两个***的数据同步的问题,提供一种SDINS/GPS组合导航***时间同步及同步数据提取方法,本发明采用硬件同步,时间同步精度高,稳定性好,为组合导航解算提供高精度同步数据,且实时性好,提高了组合导航***整体性能。
本发明的技术解决方案是:一种SDINS/GPS组合导航***时间同步及同步数据提取方法,其特点在于步骤如下:
①以GPS接收机的1PPS秒脉冲前沿为基准,在FPGA中分频生成周期为2秒、50%占空比的周期信号T_2S。
②根据IMU采样频率的要求,以导航***时钟T_B为基频,当T_2S为高电平时,分频产生IMU采样时钟T_S,当T_2S为低电平时,重新分频产生IMU采样时钟T_S,实现IMU数据采样与1PPS同步,从而实现IMU数据与GPS数据同步,当GPS接收机失锁导致1PPS不可用时,T_2S保持前一个1PPS处的电平,仍以导航***时钟T_B为基准,分频产生采样时钟信号T_S,当1PPS恢复正常时,T_2S恢复为正常的周期信号,实现IMU数据采样与1PPS再次同步,重新实现IMU数据与GPS数据同步。
③在FPGA中通过计数器对IMU脉冲信号进行采样,其方法为:对每一路IMU脉冲信号采用两个计数器交替计数,第一计数器在T_S上升沿开始在T_S前半周期内对IMU脉冲计数,在T_S下降沿,第一计数器停止计数,完成一次采样,同时第二计数器开始在T_S后半周期对同一路IMU脉冲信号计数,在T_S上升沿,第二计数器停止计数,完成第二次采样,同时第一计数器开始对IMU脉冲计数,如此交替计数;每次采样完毕保存数据,产生DSP外部中断,然后计数器复位,准备下次计数,第一计数器的数据保存和复位在T_S后半周期内完成,第二计数器的数据保存和复位在T_S前半周期内完成,该方法保证同步数据读取的可靠性;通过采样计数器对T_S上升沿计数,记录每秒内IMU采样次数,该计数器在1PPS脉冲前沿复位。在每完成一次IMU数据采样时,将包头、IMU采样数据、当前采样次数存为一个IMU数据包,数据包大小根据IMU输出的脉冲路数和最大输出频率确定,其中包头用于导航计算机识别数据包类型,将该数据包存于FPGA的双口RAM。该方法较之采用一路计数器提高了数据读取的可靠性,且计数器复位为多线程机制,不但复位可靠而且不会由于复位而损失IMU信息,从而提高了采样精度。
采集IMU数据的同时,在FPGA中通过串口接收程序接收GPS数据,并存于FPGA的双口RAM。串口接收程序依据RS-232协议,用VHDL语言实现。在每个数据位的中间时刻读取该位数据,即接收时钟为波特率的16倍,保证数据读取的可靠性。波特率时钟共用导航***时钟,根据不同的波特率要求做分频处理。
双口RAM的实现有两种途径,一种是采用FPGA的分布式RAM,该方法会占用FPGA较多逻辑资源,一种是采用FPGA内部的Block RAM,该方法不占用FPGA内部逻辑资源,又利用了FPGA的既有功能模块。两种方法可根据***资源利用情况灵活选择。
④DSP响应每次IMU采样结束时产生的外部中断,通过EMIF以总线方式与FPGA通信,在一个中断服务程序中读取IMU数据,并通过IMU同步数据提取方法提取IMU同步数据,通过GPS数据读取方法读取GPS数据,进行GPS失锁判断。
IMU同步数据提取方法是:IMU数据包中的采样次数为第一个计数值时,该数据包为同步数据,第一个计数值定为同步标志,DSP通过判断此同步标志来判断数据包是否为同步数据包,从而读取IMU同步数据。
GPS数据读取方法是:根据选用的GPS数据包格式和串口波特率,预先确定GPS数据接收完毕时刻与1PPS的时间间隔,选取IMU合适的采样次数作为GPS数据读取标志,DSP通过判断此读取标志来判断是否读取GPS数据。
GPS失锁判断方法是:比较DSP连续两次读取的GPS数据中的协调世界时UTC时间,如果两次读取的UTC时间相同,则GPS失锁,如不同则GPS未失锁。
⑤判断***工作是否结束,若未结束,则继续执行步骤②、③和步骤④,否则结束。
本发明的原理是:GPS接收机输出1PPS秒脉冲信号,其上升沿与UTC协调世界时在整秒点对齐,GPS接收机严格地在每一个1PPS秒脉冲的上升沿时刻进行一次伪距、伪距率、载波相位等测量,秒脉冲前沿为GPS数据更新时刻。
本方法利用GPS接收机能够输出与UTC精确同步的1PPS秒脉冲的特点,采用高性能FPGA,以GPS接收机的1PPS脉冲前沿为基准,通过高速硬件描述语言VHDL,分频产生周期为2秒的周期信号T_2S,该信号的上升沿和下降沿均与1PPS脉冲前沿对齐,在该信号为高电平时,根据IMU采样频率要求,以导航***时钟为基频,分频产生IMU采样时钟,在该信号为低电平时,仍以导航***时钟为基频,重新分频产生IMU采样时钟,实现IMU数据采样与1PPS同步,从而实现IMU数据与GPS数据同步。在GPS接收机失锁导致1PPS不可用时,T_2S保持前一个1PPS处的电平,以导航***时钟为基准,仍分频产生采样时钟信号T_S,继续IMU数据采集,当1PPS恢复正常时,T_2S恢复为正常的周期信号,T_S在整秒点与1PPS对齐,实现IMU数据采样与1PPS再次同步,重新实现IMU数据与GPS数据同步。
FPGA还完成IMU数据采集和GPS数据接收:对多路IMU脉冲信号采用多路计数器进行计数,并对每路IMU信号采用两路计数器交替计数,以提高可靠性和IMU信息的完整性,并利用采样次数计数器记录每秒内IMU采样次数,将当前采样次数存入IMU数据包,作为同步数据的标志;对GPS数据的采集通过VHDL语言实现的串口接收程序来实现,并在IMU数据包中选取合适的IMU采样次数作为DSP读取GPS数据的标志。
DSP响应IMU每次采样完成时产生的外部中断,通过EMIF以总线方式与FPGA通信,在一个中断服务程序中,通过判断同步标志和GPS读取标志来提取同步IMU数据,读取GPS数据,比较DSP连续两次读取的GPS数据中的协调世界时UTC时间,如果两次读取的UTC时间相同,则GPS失锁,如不同则GPS未失锁。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明采用FPGA实现硬件时间同步,同步过程不需要导航计算机参与,硬件结构紧凑,同步精度高,可靠性好,易于工程实现。
(2)GPS数据接收以及IMU数据采集均由同一片FPGA完成,不需要导航计算机控制采集过程,导航计算机承担的任务减轻,实时性好。
(3)GPS的1PPS不可用时,IMU采样时钟仍由***时钟分频产生,不影响IMU数据采集,在GPS秒脉冲重新可用时,IMU数据采样时钟自动在整秒点与1PPS对齐,重新实现同步,适用于高动态场合。
附图说明
图1 为本发明的硬件电路结构框图;
图2 为本发明的时间同步方法流程图;
图3 为本发明的同步时序图;
图4 为本发明的同步误差示意图;
图5 为本发明的GPS失锁后再同步的时序图;
图6 为本发明的DSP提取同步数据流程图。
具体实施方式
本发明采用FPGA实现时间同步电路,采用DSP提取同步数据,DSP以中断方式通过EMIF与FPGA中的双口RAM通信,读取IMU数据和GPS数据。FPGA选用美国Xilinx公司的产品;DSP选用TI公司的TMS320C6713B浮点系列产品。本发明的硬件结构如图1所示:
实施本发明方法采用的硬件电路由FPGA、浮点DSP、RS-232电平转换、***时钟组成。以GPS接收机的1PPS为参考,在FPGA内通过时间同步逻辑产生IMU数据采样时钟,通过多路计数器对IMU各路脉冲信号进行计数,实现IMU数据采样与1PPS的同步,从而实现IMU数据与GPS数据同步。每次IMU数据采样完毕,将各路计数结果存于FPGA的双口RAM中,并产生DSP外部中断,DSP响应该中断,通过EMIF接口以并行总线方式读取IMU、GPS数据,并提取同步IMU数据。通过RS-232电平转换芯片MAX3232将GPS接收机的串口输出电平转换为与FPGA兼容的3.3V电平,通过FPGA实现的RS-232串口接收程序接收GPS数据,并存于FPGA的双口RAM中,GPS数据的接收与IMU数据的采集在FPGA的两个进程中同步进行。
本发明的具体实施方式如图2所示:
①以GPS接收机的1PPS秒脉冲前沿为基准,在FPGA中分频生成周期为2秒、50%占空比的周期信号,图3为本发明的同步时序图,其中T_2S即为周期为2秒、50%占空比的周期信号。
②如图3所示,根据IMU采样频率要求,以导航***时钟T_B为基频,当T_2S为高电平时,分频产生IMU采样时钟T_S,当T_2S为低电平时,重新分频产生IMU采样时钟T_S,实现IMU数据采样与1PPS同步,从而实现IMU数据与GPS数据同步。如图4所示,当GPS接收机失锁导致1PPS不可用时,T_2S保持前一个1PPS处的电平,IMU采样时钟T_S仍由导航***时钟T_B产生,继续IMU数据采集,在GPS的1PPS秒脉冲重新可用时,T_2S恢复为正常的周期信号,IMU数据采样时钟在整秒点与1PPS对齐,实现IMU数据采样与1PPS再次同步,重新实现IMU数据与GPS数据同步。
如图5所示,IMU数据与1PPS的同步误差Tsy最大为一个***时钟周期T_B,***时钟越高,同步误差越小,以常用的25MHz为例,最大同步误差为40纳秒。
③如图3所示,在FPGA中对每一路I MU脉冲信号采用两个计数器交替计数,第一计数器在T_S上升沿开始在T_S前半周期内对IMU脉冲计数,在T_S下降沿,第一计数器停止计数,完成一次采样,同时第二计数器开始在T_S后半周期对同一路IMU脉冲信号计数,在T_S上升沿,第二计数器停止计数,完成第二次采样,同时第一计数器开始对IMU脉冲计数,如此交替计数;每次采样完毕保存数据,产生DSP外部中断INT_X,然后计数器复位,准备下次计数,第一计数器的数据保存和复位在T_S后半周期内完成,第二计数器的数据保存和复位在T_S前半周期内完成;通过采样计数器对T_S上升沿计数,记录每秒内IMU采样次数,该计数器在1PPS脉冲前沿复位。在每完成一次IMU数据采样时,IMU数据保存进程将包头、IMU采样数据、当前采样次数存为一个IMU数据包,数据包大小根据IMU输出的脉冲路数和最大输出频率确定,其中包头用于导航计算机识别数据包类型,将该数据包存于FPGA的双口RAM。第一和第二计数器计数完毕时数据包IMU_P相对于T_S的时刻分别为T1、T2。该方法较之采用一路计数器提高了数据读取的可靠性,且计数器复位为多线程机制,不但复位可靠而且不会由于复位而损失IMU信息,从而提高了采样精度。
IMU数据包IMU_P的格式为:
D1 | D2 | D3 | D4 | ... | DN |
其中D1-DN分别代表一个字节,D1、D2为两个字节的包头,D3为一个字节的采样次数,D4-DN为IMU各路计数值,N的大小根据IMU脉冲最大频率和采样周期来灵活修改。GPS读取标志与IMU同步标志共用一个字节D3,由于该字节表示每秒钟内IMU采样次数,限制了IMU采样频率最大为256Hz,如果要求更高的采样频率可将该标志字节设为多字节即可,在FPGA内可灵活修改。
采集IMU数据的同时,在FPGA中通过串口接收程序接收GPS数据,并存于FPGA的双口RAM。如图3所示,GPS数据GPS_DATA相对1PPS有一个延迟时间TD,该延迟比较稳定,可以预先观察确定。然后根据采用的波特率和GPS数据格式计算出GPS数据接收时间,据此再加一段延迟TA,总的延时TD+TA为IMU采样周期的整数倍,该延时确保GPS数据接收完毕,TD+TA时刻的IMU数据包中的采样次数即为GPS读取标志。串口接收程序依据RS-232协议,用VHDL语言编写。在每个数据位的中间时刻读取该位数据,即接收时钟为波特率的16倍,保证数据读取的可靠性。波特率时钟共用导航***的时钟,根据不同的波特率要求做分频处理,确保分频的误差在1%以内,如以25MHz时钟为基准时钟,115200波特率,13.5分频才能保证正确接收数据,本发明采用半整数分频方法实现13.5分频。
双口RAM的实现有两种途径,一种是采用FPGA的分布式RAM,该方法会占用FPGA较多逻辑资源,一种是采用FPGA内部的Block RAM,该方法不占用FPGA内部逻辑资源,又利用了FPGA的既有功能模块。两种方法可根据***资源利用情况灵活选择。本发明需要两个双口RAM,一个存放IMU数据,一个存放GPS数据,IMU数据所用RAM的大小根据IMU数据包的大小确定,存放GPS数据所用RAM的大小可依据采用的GPS数据包格式来确定,不同的数据包所包含的字节数不同,如NP(NavigationPosition)格式包含186个字节的信息。
④如图6所示,DSP响应每次IMU采样结束时产生的外部中断,通过EMIF以总线方式与FPGA通信,在一个中断服务程序中读取IMU数据,并通过IMU同步数据提取方法提取IMU同步数据,通过GPS数据读取方法读取GPS数据,进行GPS失锁判断。
IMU同步数据提取方法:DSP响应中断后首先判断IMU数据包的包头,对D1和D2两个字节进行判断,确认接收的数据为IMU数据,然后读取采样次数D3,如果D3为同步IMU数据标志,则该包数据为同步IMU数据,DSP读取同步IMU数据。
GPS数据读取方法:DSP响应中断后首先判断IMU数据包的包头,对D1和D2两个字节进行判断,确认接收的数据为IMU数据,然后读取采样次数D3,如果D3为GPS数据读取标志,则DSP读取GPS数据。
本发明对GPS失锁判断方法:DSP通过连续两次读取的GPS数据获取UTC时间,如果两次的UTC时间不同,则说明GPS未失锁,如果相同,则GPS失锁。
⑤判断***工作是否结束,若未结束,则继续执行步骤②、③和步骤④,否则结束。
总之,本发明采用硬件同步,时间同步精度高,稳定性好,并能够与1PPS实现再次同步,为组合导航解算提供高精度同步数据,提高了组合导航***整体性能;DSP以中断方式提取同步数据,几乎不占用作组合解算的DSP资源,具有很好的实时性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种SDINS/GPS组合导航***时间同步及同步数据提取方法,其特征在于步骤如下:
①以GPS接收机的1PPS秒脉冲前沿为基准,在FPGA中分频生成周期为2秒、占空比为50%的周期信号T_2S;
②根据IMU采样频率要求,以导航***时钟T_B为基频,当T_2S为高电平时,分频产生IMU采样时钟T_S,当T_2S为低电平时,重新分频产生IMU采样时钟T_S,实现IMU数据采样与1PPS同步,从而实现IMU数据与GPS数据同步,当GPS接收机失锁导致1PPS不可用时,T_2S保持前一个1_PPS处的电平,仍以导航***时钟T_B为基准,分频产生采样时钟信号T_S,不影响IMU数据采集,当1PPS恢复正常时,T_2S恢复为正常的周期信号,实现IMU数据采样与1PPS再次同步,重新实现IMU数据与GPS数据同步;
③在FPGA中对IMU数据进行采样,并通过计数器记录每秒内的IMU采样次数,该计数器在1PPS脉冲前沿复位,在每完成一次IMU数据采样时,产生DSP外部中断,将包头、IMU采样数据、当前采样次数存为一个IMU数据包,数据包大小根据IMU输出的脉冲路数和最大输出频率确定,其中包头用于导航计算机识别数据包类型,将该数据包存于FPGA的一个双口RAM中,采集IMU数据的同时,在FPGA中通过串口接收GPS数据,并存于FPGA的另一个双口RAM中;
④DSP响应IMU采样结束时产生的外部中断,通过外部存储器接口以总线方式与FPGA通信,在一个中断服务程序中读取IMU数据和GPS数据,提取IMU同步数据,并进行GPS失锁判断;
⑤判断***工作是否结束,若未结束,则继续执行步骤②、③和步骤④,否则结束。
2.根据权利要求1所述的一种SDINS/GPS组合导航***时间同步及时步数据提取方法,其特征在于:所述步骤③中IMU数据采样方法为:对每一路IMU脉冲信号采用两个计数器交替计数,第一计数器在T_S上升沿开始在T_S前半周期内对IMU脉冲计数,在T_S下降沿,第一计数器停止计数,完成一次采样,同时第二计数器开始在T_S后半周期对同一路IMU脉冲信号计数,在T_S上升沿,第二计数器停止计数,完成第二次采样,同时第一计数器开始对IMU脉冲计数,如此交替计数;每次采样完毕保存数据,然后计数器复位,准备下次计数,第一计数器的数据保存和复位在T_S后半周期内完成,第二计数器的数据保存和复位在T_S前半周期内完成。
3.根据权利要求1所述的一种SDINS/GPS组合导航***时间同步及同步数据提取方法,其特征在于:所述步骤③中的双口RAM的实现有两种途径,一种是采用FPGA的分布式RAM,另一种是采用FPGA内部的Block RAM。
4.根据权利要求1所述的一种SDINS/GPS组合导航***时间同步及同步数据提取方法,其特征在于:所述步骤④中IMU同步数据提取方法是:IMU数据包中的采样次数为第一个计数值时,该数据包为同步数据,第一个计数值定为同步标志,DSP通过判断此同步标志来判断数据包是否为同步数据包,从而提取IMU同步数据。
5.根据权利要求1所述的一种SDINS/GPS组合导航***时间同步及同步数据提取方法,其特征在于:所述步骤④中GPS数据读取方法是:根据选用的GPS数据包格式和串口波特率,预先确定GPS数据接收完毕时刻与1PPS的时间间隔,选取IMU合适的采样次数作为GPS数据读取标志,DSP通过判断此读取标志来判断是否读取GPS数据。
6.根据权利要求1所述的一种SDINS/GPS组合导航***时间同步及同步数据提取方法,其特征在于:所述步骤④中GPS失锁判断方法是:比较DSP连续两次读取的GPS数据中的协调世界时UTC时间,如果两次读取的UTC时间相同,则GPS失锁,如不同则GPS未失锁。
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