CN105319567B - 一种激光陀螺位置姿态***时间同步方法 - Google Patents

Abstract

一种激光陀螺位置姿态***(POS)时间同步方法，本发明涉及一种用于将激光陀螺POS中惯性测量单元(IMU)时间和导航计算机(PCS)时间同步到卫星导航***(GNSS)时间的方法。该时间同步方法首先通过激光陀螺和加速度计精度确定时间同步额定修正时间，然后通过GNSS秒脉冲(PPS)标定IMU和PCS的时钟源实际工作频率，最后通过渐进调整IMU采样周期的方式将IMU时间同步到GNSS时间，将PCS计时开始时间对齐到PPS秒脉冲的方式将PCS时间同步到GNSS时间。本发明解决了激光陀螺POS与GNSS的时间同步问题，显著提高激光陀螺POS时间同步精度和稳定性。

Description

一种激光陀螺位置姿态***时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种激光陀螺位置姿态***(Position and Orientation System，POS)时间同步方法，可以应用于激光陀螺POS，也可以应用于激光陀螺惯性/卫星组合导航***(INS/GNSS)的时间同步。

背景技术

高分辨率航空遥感***中，制约遥感***成像分辨率的一个主要因素是POS测量精度。POS为遥感载荷提供位置姿态基准，同时为惯性稳定平台提供精确的指向。无论对于高分辨率光学相机，还是机载三维成像激光雷达，POS是提高成像分辨率的关键，已成为制约我国高分辨率遥感***发展的技术瓶颈。POS为多传感器组合测量***，不同采样时刻的数据不能直接进行数据融合，时间同步成为多传感器组合导航***的关键技术，直接关系到POS***功能的实现及性能的提高。

传统的位置姿态***时间同步方法(专利申请号1：200710099611.6，专利申请号2：200710119971.8)，通过利用GPS秒脉冲对I MU、PCS计数器进行重置或以GPS秒脉冲为基准生成时间同步脉冲实现***的时间同步，没有解决因***时钟源频率偏移引起的***同步误差，以及因为时钟修正引起的滤波器振荡问题；中国专利申请201010623900.3所述的一种位置和姿态测量***的软件时间同步方法，其基本思路在于惯性测量单元(IMU)完成数据采集后，测量GNSS秒脉冲与IMU数据之间的时间差，然后通过数据内插等处理方法实现不同传感器数据时间的同步。该类方法对于IMU时钟漂移和IMU滤波器模型与真实数据不匹配的问题无能为力。将GNSS秒脉冲引入到IMU***中，以GNSS秒脉冲为基准一次性同步IMU数据采集序列的硬件同步方法虽然可以消除IMU滤波器模型与真实数据不匹配的问题，但会引起修正时刻滤波器输出振荡，严重影响激光陀螺POS精度。因此，上述传统的时间同步方法都不能完成激光陀螺POS时间同步。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种激光陀螺位置姿态***时间同步方法，从而实现激光陀螺POS时间同步。

本发明的技术解决方案是：一种激光陀螺位置姿态***时间同步方法，其特征在于首先根据POS应用环境和激光陀螺、加速度计工作范围确定激光陀螺和加速度计数据一次额定修正采样时间，然后利用GNSS秒脉冲(Pulse Per Second，PPS)信号标定IMU和导航计算机(POS Computer System，PCS)时钟源，然后确定IMU采样周期修正次数M及每次修正的工作周期数K，并对IMU进行M次时钟修正，每次将激光陀螺和加速度计采样周期变化K个周期数，并将PCS计时时间同步到PPS信号，具体步骤如下：

(1)根据POS所使用的激光陀螺和加速度计精度及POS应用环境下的激光陀螺和加速度计工作范围，确定不影响陀螺和加速度计精度情况下陀螺和加速度计数据采样周期一次额定修正时间。

(2)GNSS信号捕获后，PPS信号开始输出，根据相邻两个PPS信号时间间隔，在线标定IMU和PCS的时钟源工作频率，得到IMU和PCS时钟源实际工作频率。

(3)根据激光陀螺和加速度计数据采样周期一次额定修正时间和标定得到的IMU时钟源工作频率，确定IMU采样周期修正次数M及每次修正的工作周期数K。

(4)对IMU陀螺和加速度计数据采样周期进行M次时钟修正，每次将陀螺和加速度计数据采样周期变化K个周期数。

(5)根据PCS时钟源实际工作频率，在每次GNSS秒脉冲信号到来时，将PCS计数器置零，并将计数器大小设置为PCS时钟实际工作频率大小，使PCS时间同步到GNSS时间。

其中确定不影响陀螺和加速度计精度情况下激光陀螺和加速度计一次额定修正数据采样时间方法如下：

其中，ΔT为激光陀螺和加速度计一次额定修正数据采样时间，G_max为激光陀螺应用环境下额定输出，G_precesion为激光陀螺精度；A_max为加速度计应用环境下额定输出，A_precesion为加速度计精度。

其中确定IMU采样周期修正次数M及每次修正的工作周期数K方法如下：

首先，确定时钟源实际工作频率较时钟源标称工作频率1秒钟时间内时间偏移值如下：

其中，F₁为时钟源实际工作频率，F₀为时钟源标称工作频率，f_s为激光陀螺和加速度计采样频率。

判断Δt与ΔT关系，如果|Δt|＜|ΔT|，IMU采样周期修正次数M及修正工作周期数K如下：

M＝1

K＝Δt·F₁

如果|Δt|＞|ΔT|，IMU采样周期修正次数M及修正工作周期数K如下：

对陀螺和加速度计数据采样周期T_s进行M次时钟修正，每次将陀螺和加速度计数据采样周期变化K个周期数：

T_s＝Q+S·N_c·K

其中N_c为修正次数，取值范围为1到M；Q为采样周期修正前一个采样周期时间长度为：

Q＝F₀·T₀

其中，F₀为时钟源工作频率标称值，T₀为采样周期标称值。

本发明的原理是：卫星导航***在捕获卫星信号后，输出的秒脉冲信号间隔为精确的一秒钟，利用PPS信号标定惯性测量单元和POS导航计算机时钟源，获得时钟源实际工作频率。根据激光陀螺位置姿态***所使用的激光陀螺和加速度计精度及POS应用环境下的激光陀螺和加速度计工作范

围，确定不影响陀螺和加速度计精度情况下陀螺和加速度计数据采样周期一次额定修正时间，以保证在进行时间同步时不会导致陀螺和加速度计精度降低。根据陀螺和加速度计数据采样周期一次额定修正时间和标定得到IMU时钟源工作频率，确定IMU采样周期修正次数及每次修正的工作周期数，并进行修正，以确保IMU中采用的陀螺和加速度计数据滤波器模型采样频率与实际陀螺和加速度计数据采样频率保持一致，提高滤波效果。将PCS计时时间同步到PPS信号，避免PCS计时因PCS时钟源的频漂引起误差，提高同步精度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明将IMU中激光陀螺和加速度计数据采集时刻与GNSS秒脉冲进行同步，将PCS计时时间同步到GNSS秒脉冲，降低了***时钟源时钟漂移对时间同步精度的影响。

(2)本发明采用渐进修正的方式进行陀螺和加速度计采样周期修正，消除了因采样周期修正过大引起激光陀螺和加速度计精度降低及激光陀螺和加速度计滤波器振荡的问题，并使激光陀螺和加速度计数据滤波器模型的采样频率与实际激光陀螺和加速度计数据采样频率保持一致，提高了滤波效果。

附图说明

图1为本发明的时钟同步流程图；

图2为时钟源工作频率标定图；

图3为激光陀螺和加速度计采样周期修正图；

图4为PCS计时时间同步图。

具体实施方式

本实施例中位置姿态***由激光陀螺IMU、GPS、POS计算机组成，IMU时钟源额定频率300MHz，实际工作频率299.9MHz，PCS时钟源额定频率300MHz，实际工作频率299.9MHz，激光陀螺精度0.01°/h，额定输出300°/s，加速度计精度10ug，额定输出10g，设置激光陀螺和加速度计数据采样频率为4000Hz。

本发明的具体方法如图1所示：

1、根据激光陀螺POS所使用的激光陀螺和加速度计精度及POS应用环境下的激光陀螺和加速度计工作范围，确定不影响激光陀螺和加速度计精度情况下陀螺和加速度计数据采样周期一次额定修正时间ΔT，如式1所示。

其中，G_max为陀螺应用环境下额定输出，G_precesion为陀螺精度；A_max为加速度计应用环境下额定输出，A_precesion为加速度计精度。

2、卫星导航***(GNSS)信号捕获后，秒脉冲(PPS)信号输出，根据相邻两个PPS信号时间间隔，在线标定惯性测量单元(IMU)和POS导航计算机(PCS)的时钟源工作频率，得到IMU和PCS时钟源实际工作频率，如图2所示，本实施例中PPS下降沿有效，相邻两个PPS下降沿间时钟源脉冲数量，确定时钟源实际工作频率，如式2所示。

F₁＝N＝299.9MHz (2)

其中，N为2个PPS间时钟源输出脉冲数。

3、根据激光陀螺和加速度计数据采样周期一次额定修正时间和标定得到IMU时钟源工作频率，确定IMU采样周期修正次数M及每次修正的工作周期数K。时钟源实际工作频率较标称工作频率1秒钟时间内时间偏移值Δt如式3所示：

其中，F₁为IMU时钟源实际工作频率，F₀为IMU时钟源标称工作频率，f_s为激光陀螺和加速度计采样频率。

判断Δt与ΔT关系，如果|Δt|＜|ΔT|，IMU采样周期修正次数M及修正工作周期数K如式4所示：

M＝1

K＝Δt·F₁ (4)

如果|Δt|＞|ΔT|，IMU采样周期修正次数M及修正工作周期数K如式5所示：

本实施例中|Δt|＞|ΔT|，

4、根据修正次数M及每次修正工作周期数K，对IMU中激光陀螺和加速度计数据采样周期进行M次时钟修正，每次将激光陀螺和加速度计数据采样周期变化K个周期，使IMU时间同步到GNSS时间。如图3所示，图3中第一行为IMU中陀螺和加速度计数据采样周期，对IMU陀螺和加速度计数据采样周期T_s进行M次时钟修正，每次将陀螺和加速度计数据采样周期变化K个时钟源脉冲数，图3中第二行为时钟源脉冲，如图3中的第三行所示，调整后的陀螺和加速度计采样周期如式6所示。

T_s＝Q+S·N_c·K (6)

其中S＝-1(F₀＝300MHz＞F₁＝299.9MHz)，N_c为修正次数，取值范围为1到M；Q为采样周期修正前一个采样周期时间长度如式7所示。

Q＝F₀·T₀＝300·0.00025＝75000 (7)

其中，F₀为时钟源工作频率标称值，T₀为采样周期标称值。得到陀螺和加速度计采样周期第一次修正后变为T_s＝Q+S·K＝75000+(-1)·3＝74997，经过M次修正完成后，陀螺和加速度计采样周期变为

T_s＝Q+S·M·K＝75000+(-1)·10·3＝74970。

5、根据PCS时钟源实际工作频率，在每次GNSS秒脉冲信号到来时，将PCS计数器置零，并将计数器大小设置为PCS时钟实际工作频率大小，使PCS时间同步到GNSS时间。如图4所示，本实施例中PPS下降沿有效，每次PPS下降沿到来后，如图4第二行所示，以PCS计时脉冲为基准，在PPS下降沿后的PCS计时脉冲的第一次下降沿处，如图4第三行所示，将PCS定时器计时时间置零，并将计数器大小设置为PCS时钟源实际工作频率大小，即设置为299.9M，使PCS时间同步到GNSS时间。

Claims (1)

1.一种激光陀螺位置姿态***时间同步方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据激光陀螺位置姿态***所使用的激光陀螺和加速度计精度及POS应用环境下的激光陀螺和加速度计工作范围，确定不影响激光陀螺和加速度计精度情况下激光陀螺和加速度计数据采样周期一次额定修正时间；

(2)卫星导航***信号捕获后，秒脉冲信号输出，根据相邻两个PPS信号时间间隔，在线标定惯性测量单元和POS导航计算机的时钟源工作频率，得到IMU和PCS时钟源实际工作频率；

(3)根据步骤(1)确定的激光陀螺和加速度计数据采样周期一次额定修正时间和步骤(2)确定的IMU时钟源工作频率，确定IMU采样周期修正次数M及每次修正的工作周期数K；

(4)根据步骤(3)确定的修正次数M及每次修正工作周期数K，对IMU中激光陀螺和加速度计数据采样周期进行M次时钟修正，每次将激光陀螺和加速度计数据采样周期变化K个周期，使IMU时间同步到GNSS时间；

(5)根据步骤(2)确定的PCS时钟源实际工作频率，在每次GNSS秒脉冲信号到来时，将PCS计数器置零，并将计数器大小设置为PCS时钟实际工作频率大小，使PCS时间同步到GNSS时间；

其中，确定不影响陀螺和加速度计精度情况下激光陀螺和加速度计一次额定修正数据采样时间方法如下：

<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>{</mo> <mfrac> <msub> <mi>G</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>c</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>G</mi> <mi>max</mi> </msub> </mfrac> <mo>,</mo> <mfrac> <msub> <mi>A</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>c</mi> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>o</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>max</mi> </msub> </mfrac> <mo>}</mo> </mrow>

其中，ΔT为激光陀螺和加速度计一次额定修正数据采样时间，G_max为激光陀螺应用环境下额定输出，G_precesion为激光陀螺精度；A_max为加速度计应用环境下额定输出，A_precesion为加速度计精度；

确定IMU采样周期修正次数M及每次修正的工作周期数K方法如下：

首先，确定时钟源实际工作频率较时钟源标称工作频率1秒钟时间内时间偏移值如下：

<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>F</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>F</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow>

其中，F₁为时钟源实际工作频率，F₀为时钟源标称工作频率，f_s为激光陀螺和加速度计采样频率；

判断Δt与ΔT关系，如果|Δt|＜|ΔT|，IMU采样周期修正次数M及修正工作周期数K如下：

M＝1

K＝Δt·F₁

如果|Δt|＞|ΔT|IMU采样周期修正次数M及修正工作周期数K如下：

对陀螺和加速度计数据采样周期T_s进行M次时钟修正，每次将陀螺和加速度计数据采样周期变化K个周期数：

T_s＝Q+S·N_c·K

其中N_c为修正次数，取值范围为1到M；Q为采样周期修正前一个采样周期时间长度为：

Q＝F₀·T₀

其中，F₀为时钟源工作频率标称值，T₀为采样周期标称值。