基于1pps的GPS/INS組合導航系統數據同步方法

丁貝

摘 要：針對GPS/INS組合導航系統中GPS數據和INS數據不同步的問題，以衛星接收機發出的秒脈沖信號作為參考時標，本文提出了一種軟、硬件相結合的數據同步方法。該方法基于GPS接收機輸出的1pps，綜合考慮時間起點與基準不一致、采樣頻率不一致、電路時延問題對數據同步的影響，設計了中斷計時方法，利用數字信號保持器對慣導數據與衛星數據進行同步。仿真結果表明，該方法能保證數據準確同步。

關鍵詞：組合導航；數據同步；中斷；衛星秒脈沖

1 影響數據同步的主要因素

對于GPS/INS組合導航系統，導致從IMU和GPS接收機輸出的導航數據不同步的原因從如下原因進行分析：

1） 時間起點和基準不同

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

2） 數據更新頻率不一致

衛星接收機和INS的數據更新率是不同的，慣導系統可以達到200Hz，而衛星接收機一般為1Hz。衛星接收機測量采樣能夠嚴格在秒脈沖點進行，此時，在秒脈沖整秒時刻肯定有衛星數據，但此時慣導系統未必會有新的測量值。

3） 電路時延

在電路板中，測量、數模轉換、采樣過程中均會產生時延，這樣就會導致慣導數據和導航信息傳輸過程中存在時間誤差。在衛星接收機和慣導系統數據傳輸到導航系統中的數采板時，產生傳輸時延。

2 數據同步方法研究

2.1 同步問題分析

衛星數據和慣導數據的同步示意圖如圖1所示，衛星數據接收點由長豎線顯示，即衛星秒脈沖；慣導數據接收點由短豎線顯示。從下圖能看出，衛星數據接收時刻沒有慣導數據。現假設慣導數據域衛星數據的接收時間差為，在秒脈沖上沿，慣導與衛星數據時標差為。如果能實時計算出每個秒脈沖與秒脈沖之前的慣導數據接收時間差為，經過某種算法估計出慣導系統在每個衛星秒脈沖點上的值，這樣就相當于采樣到兩路信號在同一時刻的數據。

2.2 同步算法設計

因為慣導數據的周期性特點，同步外推算法可以使用數字信號保持器。假設衛星秒脈沖時間點與慣導數據X（nTinx ）的時間差為，則可利用以下的數據外推m階保持器實現同步點上的數據外推估計，多項式可表示為：

（1）

式中，Tinx是慣導數據輸出周期，是需要外推的時間差，且。

因為衛星數據更新時間點與慣導數據更新時間點不一致，且慣導數據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據用于構建高階保持器，從而實現數據同步。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，多項式系數為：

由式（2）可知，確定外推多項式系數之后，仍需確定時間差才能對估計數據進行計算，此時數據同步的關鍵所在就是獲取同步時間差。因為UTC時間與衛星秒脈沖時間秒點是對齊的，如果慣導數據頻標一定，則只需要第一次的時標差，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，慣導數據存在頻標漂移，一定的誤差會存在于時標差直接遞推過程中，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差的方法在此處提出。

2.3 硬件及中斷設計

在慣性導航系統中設計兩個中斷，分別為1pps脈沖中斷與INS數據更新中斷，由數據處理軟件進行操作。在秒脈沖中斷觸發時，計時器啟動，在這個過程中，慣導數據更新中斷只有在秒脈沖觸發中斷后才會被允許；當慣導數據更新中斷到來后讀出計時值，計時器重置，該計時值即為時標差，于是也就得到了。二者關系如下：

（3）

1pps脈沖中斷服務程序流程如圖2（a）所示， INS數據更新中斷服務程序流程如圖2（b）所示。

因為慣導數據的更新頻率高，為了節省CPU資源，以此保證組合導航系統數據處理的實時性，慣導數據更新中斷只有在衛星秒脈沖中斷觸發后才能被啟動。

3 仿真實驗及分析

本論文分析了GPS/INS組合導航系統的數據同步問題，并從算法，硬件的角度設計解決了GPS和INS數據的同步問題，其中核心是外推算法設計，所以實驗過程針對外推算法進行仿真分析。

仿真結果如圖3所示，圖中‘*表示同步后衛星秒脈沖點的慣導數據，△表示未同步的nT點慣導數據，虛線表示衛星秒脈沖點處的衛星數據。

從圖可以看出，未同步的INS數據與實際INS數據有一個時間差，也就是本文提到的同步時間差 ，但是可以看到同步后‘*線數據與同步前‘△線數據連成一條正弦波線，也就是實際INS數據，由此可以證明外推算法的正確性；經過實時同步處理后，發現衛星數據與慣導數據基本重合，所以本文提出的實時同步方法是可行的。