CN102193497A - 用gps秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法 - Google Patents

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丁赤飚
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Abstract

本发明公开了一种用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，涉及GPS应用技术，将GPS设备输出的数据信息通过RS-232协议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，作为中断触发信号；在嵌入式实时操作***环境下设置接收计算机COM口控制器的工作模式，使计算机能够直接响应PPS信号引发的中断；通过获得中断发生的精确时间与GPS数据中时间信息进行比较，以实现本机时间与GPS标准时间的精确对准，进而实现多台计算机、多种数据源数据的精确对准。本发明方法实现简单，无需对硬件进行大的修改，软件控制保证本发明方法具有很大灵活性。

Description

用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法
技术领域
本发明涉及全球定位***(GPS)应用技术领域，是实时数据处理技术，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***中，经常要对来自多台计算机采集的、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，将通过串行通信接口(COM口)接收PPS秒脉冲。COM口采用RS-232C标准，RS-232C的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS(recommended standard)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，发置了协议，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。在这一双向通讯过程中，数据的精确时间对准非常重要。
发明内容
本发明的目的是公开一种用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，利用计算机的串行通信接口接收GPS秒脉冲信号，实现本机精确时间对准，进而实现多台计算机、多源数据的精确时间对准。
为达到上述目的，本发明所采用的技术解决方案是：
一种用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其包括步骤：
A)用至少一台计算机接入全球定位***秒脉冲(PPS)信号；
B)将GPS设备输出的数据信息通过RS-232协议传送给该计算机第一个COM口；
C)GPS的PPS秒脉冲信号经过电平转换电路后引入该计算机第二个COM口，作为中断触发信号；
D)同时，在嵌入式实时操作***环境下设置该接收计算机COM口控制器的工作模式，使该计算机能够直接响应PPS信号引发的中断；
E)在该计算机直接响应PPS信号引发的中断时，记录中断发生的精确时间；
F)获得中断发生的精确时间，与GPS数据中时间信息进行比较，并校准，以实现本计算机时间与GPS标准时间的精确对准；
G)将A)至F)步在多台计算机上同时实施，以实现多台计算机时间与GPS标准时间的精确对准，进而实现在多台计算机上进行采集的多源数据间的精确时间对准。
所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其所述G)步中，实现在多台计算机上进行采集的多源数据间的精确时间对准，是指在每台计算机上进行一种或多种数据的采集工作，每台计算机在启动时首先通过A)至F)步骤完成本机时间的精确对准，然后在每种数据采集时，都在数据中记录本机上经过精确时间对准后的***时间，因为多台计算机都已实现和GPS标准时间的精确对准，因此使用各计算机***时间即可实现多源数据间的精确时间对准。
所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其所述C)步中，GPS的PPS秒脉冲信号引入计算机第二个COM口，是指PPS秒脉冲信号输出通过电平转换电路变换为RS-232电平后，连接到计算机第二个COM口的DCD信号线。
所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其所述D)步中，设置COM口控制器的工作模式，是指为了使COM口在DCD信号到来时能直接触发COM口中断，需要在通用计算机的操作***或者嵌入式***中进行编程，对COM口控制器的工作模式进行设置。
所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其所述D)步中，对数据接收计算机的COM口控制器进行设置，是在操作***或者嵌入式***VxWorks环境下，a)首先开启数据接收计算机的中断源(IRQ)，“使能”COM口中断寄存器；b)设置COM口控制寄存器中DCD的开关，使DCD信号能够引发COM口中断；c)将中断处理程序与COM口中断连接；d)这样，当PPS秒脉冲到来时即可引发中断；e)中断时，数据接收计算机在接收到PPS秒脉冲后，记录该时刻的时间信息并作为数据对准的依据。
所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其所述中断，在嵌入式***中，中断响应时间小于20微秒，因此时间对准精度为20微秒。
所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其用于满足合成孔径雷达***中运动补偿处理时，对多种数据的精确对准要求；结合惯性导航***(SINS)和全球定位***(GPS)组合技术，在合成孔径雷达的综合信号处理机中实现惯性导航***数据、全球定位***数据和雷达回波数据的三种数据精确时间对准。
所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其所述在合成孔径雷达的综合信号处理机中，惯性导航***数据、全球定位***数据和雷达回波数据的三种数据精确时间对准，是指在综合信号处理机中采集的全球定位***数据、雷达回波数据和在惯性导航***中采集的惯性导航数据三者之间的精确时间对准；
包括步骤：
f)全球定位***数据通过COM口发送给综合信号处理机和惯性导航***，综合信号处理机和惯性导航***记录并存储全球定位***数据；
g)全球定位***发出的PPS秒脉冲信号(TTL电平)直接传送给惯性导航***，同时经过电平转换电路转换为RS-232电平传送给综合信号处理机的第二个COM口；
h)当GPS发送PPS秒脉冲信号时，该信号触发综合信号处理机和惯性导航***的COM口中断；
i)记录中断时的时间信息，并作为数据对准的依据；
j)实现惯性导航***数据、全球定位***数据和雷达回波数据的精确时间对准后，才能进行后续的运动补偿处理。
所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其适用于X86体系的通用计算机***或者PowerPC体系计算机***。
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，本发明的实现简单，无需对硬件进行复杂修改，软件控制保证该方法具有很强灵活性。第三，PPS秒脉冲作为多台计算机、多源数据的统一时间基准，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设备开销。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***或者Power Pc***。
附图说明
图1是通过COM口接入GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准技术的***组成框图；
图2通过COM口接入PPS秒脉冲信号实现SINS/GPS组合导航数据与SAR回波数据精确时间对准技术的***组成框图。
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***(GPS)秒脉冲，实现本机精确时间对准，进而实现多台计算机、多源数据精确时间对准的技术。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，电平为TTL。
如图1所示，全球定位***(GPS)输出GPS数据和PPS秒脉冲，GPS数据通过RS-232电平传送给数据接收计算机1、2……n的COM接口1；GPS输出的TTL电平PPS信号连接到电平转换电路，转换为RS-232电平后连接到数据接收计算机1、2……n COM接口2的数据载波检出(DCD)信号线；多个数据源通过数据采集接口连接到多台数据接收计算机1、2……n，完成硬件连接。通过接收计算机1、2…..n通过接收GPS数据和PPS秒脉冲信号完成本机和GPS标准时间的精确时间对准，然后在采集数据源数据时将本机时间作为时间基准写入到数据源数据中，进而在后续的数据处理中实现多台计算机、多源数据的精确对准。
在嵌入式实时操作***环境下对数据接收计算机的COM口控制器编写软件，实现各种数据1、2…..n和GPS数据以及PPS秒脉冲的接收。在嵌入式实时操作***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”COM口中断寄存器，设置COM口控制寄存器，使DCD信号能够引发COM口中断，将中断处理程序与COM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，该信息将作为时间对准的依据。利用记录的PPS秒脉冲时间信息和全球定位***(GPS)时间信息对比，实现本机的精确时间对准。当需要停止该COM口工作时，要关闭中断，关闭COM口，清空寄存器设置。
本发明具体实施可在通用计算机***或Power Pc***环境进行，采用嵌入式实时操作***VxWorks及Tornado开发环境，VxWorks具有良好的实时性，该***的中断响应时间＜20us，保证了本方法的时间对准精度。
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***(SINS)和全球定位***(GPS)组合技术。这种运动补偿技术要求惯性导航***(SINS)、全球定位***(GPS)、雷达回波三种数据的精确时间对准，可利用本发明提出的精确时间对准的方法加以实现。
如图2所示，全球定位***(GPS)数据通过RS-232串行通信口(COM口)发送给综合信号处理机和惯性导航***(SINS)，综合信号处理机和惯性导航***记录并存储全球定位***数据；全球定位***接收机发出的PPS秒脉冲信号通过TTL电平直接传送给惯性导航***，同时经过电平转换电路将PPS秒脉冲信号转换为RS-232电平后连接到综合信号处理机的第二个COM口；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***的中断机制，中断得到响应后记录下该时刻的准确时间，利用该时间可以实现本机与GPS标准时间的精确对准。这样，惯性导航***数据和综合信号处理机采集的雷达回波数据就可以实现精确的时间对准，进行后续的运动补偿数据处理工作。

Claims (9)

1.一种用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其特征在于：包括步骤：
A)用至少一台计算机接入全球定位***秒脉冲信号；
B)将GPS设备输出的数据信息通过RS一232协议传送给该计算机第一个COM口；
C)GPS的PPS秒脉冲信号经过电平转换电路后引入该计算机第二个COM口，作为中断触发信号；
D)同时，在嵌入式实时操作***环境下设置该接收计算机COM口控制器的工作模式，使该计算机能够直接响应PPS信号引发的中断；
E)在该计算机直接响应PPS信号引发的中断时，记录中断发生的精确时间；
F)获得中断发生的精确时间，与GPS数据中时间信息进行比较，并校准，以实现本计算机时间与GPS标准时间的精确对准；
G)将A)至F)步在多台计算机上同时实施，以实现多台计算机时间与GPS标准时间的精确对准，进而实现在多台计算机上进行采集的多源数据间的精确时间对准。
2.如权利要求1所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其特征在于：所述G)步中，实现在多台计算机上进行采集的多源数据间的精确时间对准，是指在每台计算机上进行一种或多种数据的采集工作，每台计算机在启动时首先通过A)至F)步骤完成本机时间的精确对准，然后在每种数据采集时，都在数据中记录本机上经过精确时间对准后的***时间，因为多台计算机都已实现和GPS标准时间的精确对准，因此使用各计算机***时间即可实现多源数据间的精确时间对准。
3.如权利要求1所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其特征在于：所述C)步中，GPS的PPS秒脉冲信号引入计算机第二个COM口，是指PPS秒脉冲信号输出通过电平转换电路变换为RS-232电平后，连接到计算机第二个COM口的DCD信号线。
4.如权利要求1所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其特征在于：所述D)步中，设置COM口控制器的工作模式，是指为了使COM口在DCD信号到来时能直接触发COM口中断，需要在通用计算机的操作***或者嵌入式***中进行编程，对COM口控制器的工作模式进行设置。
5.如权利要求1或4所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其特征在于：所述D)步中，对数据接收计算机的COM口控制器进行设置，是在操作***或者嵌入式***VxWorks环境下，a)首先开启数据接收计算机的中断源(IRQ)，“使能”COM口中断寄存器；b)设置COM口控制寄存器中DCD的开关，使DCD信号能够引发COM口中断；c)将中断处理程序与COM口中断连接；d)这样，当PPS秒脉冲到来时即可引发中断；e)中断时，数据接收计算机在接收到PPS秒脉冲后，记录该时刻的时间信息并作为数据对准的依据。
6.如权利要求5所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其特征在于：所述中断，在嵌入式***中，中断响应时间小于20微秒，因此时间对准精度为20微秒。
7.如权利要求1所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其特征在于：用于满足合成孔径雷达***中运动补偿处理时，对多种数据的精确对准要求；结合惯性导航***和全球定位***组合技术，在合成孔径雷达的综合信号处理机中实现惯性导航***数据、全球定位***数据和雷达回波数据的三种数据精确时间对准。
8.如权利要求7所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其特征在于：所述在合成孔径雷达的综合信号处理机中，惯性导航***数据、全球定位***数据和雷达回波数据的三种数据精确时间对准，是指在综合信号处理机中采集的全球定位***数据、雷达回波数据和在惯性导航***中采集的惯性导航数据三者之间的精确时间对准；
包括步骤：
a)全球定位***数据通过COM口发送给综合信号处理机和惯性导航***，综合信号处理机和惯性导航***记录并存储全球定位***数据；
b)全球定位***发出的PPS秒脉冲信号直接传送给惯性导航***，同时经过电平转换电路转换为RS-232电平传送给综合信号处理机的第二个COM口；
c)当GPS发送PPS秒脉冲信号时，该信号触发综合信号处理机和惯性导航***的COM口中断；
d)记录中断时的时间信息，并作为数据对准的依据；
e)实现惯性导航***数据、全球定位***数据和雷达回波数据的精确时间对准后，才能进行后续的运动补偿处理。
9.如权利要求1或7所述的用GPS秒脉冲信号实现多源数据精确时间对准的方法，其特征在于：适用于X86体系的通用计算机***或者PowerPC体系计算机***。
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