專利名稱：一種位置姿態(tài)系統(tǒng)的硬件時(shí)間同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位置姿態(tài)系統(tǒng)(Position & Orientation System，POS)的硬件時(shí)間同步方法，屬于遙感信息獲取領(lǐng)域，用于位置姿態(tài)系統(tǒng)中各傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間同步。
背景技術(shù)：
位置姿態(tài)系統(tǒng)由傳感器部分和POS計(jì)算機(jī)組成。傳感器部分包括慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GlobalPosition System，GPS)以及輔助傳感器，如里程儀、高度表等。POS計(jì)算機(jī)通過提取IMU輸出的角速度、加速度信息，GPS輸出的速度、位置信息，以及輔助傳感器輸出的輔助信息，如速度、高度等，通過數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并通過反饋校正，以獲得載體高精度的位置姿態(tài)信息。
由于不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合是沒有意義的，所以在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)融合算法時(shí)，必須保證各傳感器數(shù)據(jù)在融合點(diǎn)上是一致的，也就是說必須解決不同傳感器之間的數(shù)據(jù)時(shí)間同步問題，這樣的位置姿態(tài)系統(tǒng)才具有實(shí)用價(jià)值。
所謂的硬件時(shí)間同步是以GPS秒脈沖作為基準(zhǔn)，控制其它傳感器的采樣時(shí)刻，使各傳感器工作于同一時(shí)標(biāo)下，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間同步。GPS秒脈沖(1PPS，每秒一個(gè)脈沖)是由GPS接收機(jī)通過解碼轉(zhuǎn)換后輸出的，它是與世界協(xié)調(diào)時(shí)(Coordinate Universal Time，UTC)秒點(diǎn)對(duì)齊的。
現(xiàn)有的硬件時(shí)間同步方法，是以GPS秒脈沖作為一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器通過對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)輸出預(yù)定的頻率硬件同步脈沖，然后利用硬件同步脈沖對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使各傳感器工作于同一時(shí)標(biāo)下，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的時(shí)間同步。但由于系統(tǒng)時(shí)鐘精度有限，輸出的硬件同步脈沖會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間積累的時(shí)鐘漂移誤差。這將導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間遙感作業(yè)時(shí)位置姿態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步精度下降，進(jìn)而導(dǎo)致輸出的位置姿態(tài)信息精度下降。目前這種時(shí)間同步方法多用于算法仿真研究和實(shí)驗(yàn)室演示驗(yàn)證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有硬件時(shí)間同步方法的不足，提供一種可實(shí)時(shí)修正系統(tǒng)時(shí)鐘漂移，且時(shí)間同步精度高的位置姿態(tài)系統(tǒng)的硬件時(shí)間同步方法。
本發(fā)明的另一技術(shù)解決問題是提供一種可判斷出GPS信號(hào)是否失鎖。實(shí)現(xiàn)了GPS信號(hào)的監(jiān)測(cè)的位置姿態(tài)系統(tǒng)的硬件時(shí)間同步方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種位置姿態(tài)系統(tǒng)的硬件時(shí)間同步方法，其特點(diǎn)在于步驟如下(1)將POS系統(tǒng)時(shí)間同步到世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC時(shí)間；(2)啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)器，并使能系統(tǒng)定時(shí)中斷；(3)通過響應(yīng)系統(tǒng)定時(shí)中斷產(chǎn)生包含UTC時(shí)間信息的硬件同步脈沖；但當(dāng)GPS秒脈沖到來且未產(chǎn)生系統(tǒng)定時(shí)中斷時(shí)，則通過響應(yīng)GPS秒脈沖中斷產(chǎn)生包含UTC時(shí)間信息的硬件同步脈沖；(4)利用包含UTC時(shí)間信息的硬件同步脈沖對(duì)IMU和輔助傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使POS中GPS、IMU和輔助傳感器工作于UTC時(shí)間的時(shí)標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的時(shí)間同步；(5)判斷系統(tǒng)工作是否結(jié)束，如果不是，則繼續(xù)執(zhí)行步驟(3)和步驟(4)，直到結(jié)束。
所述步驟(1)中將POS系統(tǒng)時(shí)間同步到世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC時(shí)間的步驟如下(1)根據(jù)IMU的采樣頻率設(shè)置系統(tǒng)定時(shí)間隔；(2)當(dāng)獲得與UTC同步的GPS時(shí)間后，使能GPS秒脈沖中斷；(3)在下一個(gè)GPS秒脈沖到來時(shí)，GPS時(shí)間計(jì)數(shù)加1作為這一時(shí)刻的GPS時(shí)間，并設(shè)置為系統(tǒng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)時(shí)間同步到UTC時(shí)間。
所述步驟(3)中系統(tǒng)定時(shí)中斷響應(yīng)過程如下輸出硬件同步脈沖。判斷定時(shí)中斷次數(shù)，來判斷是否到了整秒時(shí)刻，如果到整秒時(shí)刻，則將定時(shí)中斷次數(shù)清0，系統(tǒng)的UTC時(shí)間加1；如果不到整秒時(shí)刻，則將定時(shí)中斷次數(shù)加1。
所述步驟(3)中GPS秒脈沖中斷響應(yīng)過程如下重新啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)器。通過定時(shí)中斷標(biāo)志位判斷系統(tǒng)定時(shí)中斷是否產(chǎn)生，如果系統(tǒng)定時(shí)中斷已經(jīng)產(chǎn)生，則GPS秒脈沖滯后于硬件同步脈沖，則只對(duì)GPS的UTC計(jì)數(shù)加1；如果系統(tǒng)定時(shí)中斷未產(chǎn)生，則GPS秒脈沖超前于硬件同步脈沖，輸出硬件同步脈沖，而不通過系統(tǒng)定時(shí)中斷產(chǎn)生硬件同步脈沖，然后將定時(shí)中斷次數(shù)清0，并分別對(duì)GPS的UTC和系統(tǒng)的UTC計(jì)數(shù)加1。
本發(fā)明在響應(yīng)系統(tǒng)定時(shí)中斷時(shí)，通過比較GPS時(shí)間和同步到UTC時(shí)間后的系統(tǒng)時(shí)間，判斷出GPS信號(hào)是否失鎖。
本發(fā)明的原理是本發(fā)明是在系統(tǒng)獲得與UTC時(shí)間同步的GPS時(shí)間后，在下一個(gè)GPS秒脈沖到來時(shí)，將系統(tǒng)時(shí)間同步到UTC時(shí)間，并啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)器，然后按照預(yù)定的頻率輸出硬件同步脈沖。
本發(fā)明利用GPS秒脈沖對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘漂移進(jìn)行修正原理如圖2所示，由于系統(tǒng)時(shí)鐘存在漂移，GPS秒脈沖可能會(huì)出現(xiàn)超前、滯后和同步于整秒時(shí)刻的硬件同步脈沖這三種情況。
圖2a為GPS秒脈沖超前于硬件同步脈沖時(shí)的情況。在GPS秒脈沖中斷服務(wù)程序中，重新啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)器，并輸出硬件同步脈沖。這種情況下將不再產(chǎn)生系統(tǒng)定時(shí)中斷。此后即輸出修正后的硬件同步脈沖。
圖2b為GPS秒脈沖滯后于硬件同步脈沖時(shí)的情況。硬件同步脈沖已經(jīng)在系統(tǒng)定時(shí)中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生，則在GPS秒脈沖中斷服務(wù)程序中，僅重啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)器。此后即輸出修正后的硬件同步脈沖。
圖2c為GPS秒脈沖同步于硬件同步脈沖時(shí)的情況。由于設(shè)置的GPS秒脈沖中斷的優(yōu)先級(jí)高于系統(tǒng)定時(shí)中斷，因此在GPS秒脈沖中斷服務(wù)程序中，重新啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)器，并輸出硬件同步脈沖。
當(dāng)系統(tǒng)時(shí)間同步到UTC時(shí)間后(用變量SYS_UTC表示)，則系統(tǒng)時(shí)間SYS_UTC在整秒時(shí)刻的系統(tǒng)定時(shí)中斷里計(jì)數(shù)加1，GPS時(shí)間(用變量GPS_UTC表示)在GPS秒脈沖中斷里計(jì)數(shù)加1。但當(dāng)有GPS秒脈沖時(shí)，如果GPS秒脈沖超前于硬件同步脈沖，如圖2a，則系統(tǒng)時(shí)間SYS_UTC在GPS秒脈沖中斷里計(jì)數(shù)加1。
在GPS的使用過程中，可能會(huì)出現(xiàn)因信號(hào)遮擋而導(dǎo)致GPS接收機(jī)不能完成定位解算而沒有秒脈沖和數(shù)據(jù)輸出的情況，稱為GPS信號(hào)失鎖。本發(fā)明通過判斷GPS信號(hào)是否失鎖，實(shí)現(xiàn)了GPS信號(hào)的監(jiān)測(cè)，解決了系統(tǒng)工作模式切換問題，有利于系統(tǒng)故障診斷和隔離等。其原理如圖3所示。
如果GPS信號(hào)失鎖，則GPS_UTC在GPS秒脈沖應(yīng)該出現(xiàn)的時(shí)刻(即整秒時(shí)刻)沒有計(jì)數(shù)加1，而此時(shí)的SYS_UTC在整秒時(shí)刻的系統(tǒng)定時(shí)中斷里計(jì)數(shù)加1，因此GPS_UTC將小于SYS_UTC，故通過比較GPS_UTC和SYS_UTC就可判斷出GPS信號(hào)是否失鎖。當(dāng)GPS秒脈沖再次到來時(shí)，則將SYS_UTC賦給GPS_UTC，以便于繼續(xù)對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明通過在每個(gè)GPS秒脈沖信號(hào)到來時(shí)重新啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)時(shí)鐘漂移進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，使得系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作仍保持很高的數(shù)據(jù)時(shí)間同步精度，因此具有同步精度高，適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)。
(2)本發(fā)明設(shè)置了GPS時(shí)間和同步到UTC時(shí)間后的系統(tǒng)時(shí)間兩個(gè)變量，即GPS_UTC和SYS_UTC，分別在不同中斷服務(wù)程序中進(jìn)行計(jì)數(shù)加1，可判斷出GPS信號(hào)是否失鎖，實(shí)現(xiàn)了GPS信號(hào)的監(jiān)測(cè)，有利于系統(tǒng)的故障診斷和隔離，使得本發(fā)明同時(shí)還具有可靠性高的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的硬件時(shí)間同步方法流程圖；
圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)時(shí)鐘漂移修正原理示意圖，其中圖2a為GPS秒脈沖超前于硬件同步脈沖，圖2b為GPS秒脈沖滯后于硬件同步脈沖，圖2c為GPS秒脈沖同步于硬件同步脈沖；圖3為本發(fā)明的GPS信號(hào)監(jiān)測(cè)原理示意圖；圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)硬件時(shí)間同步初始化流程圖；圖5為本發(fā)明的系統(tǒng)定時(shí)中斷服務(wù)程序流程圖；圖6為本發(fā)明的GPS秒脈沖中斷服務(wù)程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例中位置姿態(tài)系統(tǒng)由IMU、GPS、里程儀和POS計(jì)算機(jī)組成。根據(jù)IMU的采樣頻率，設(shè)定硬件同步脈沖頻率為100Hz，即定時(shí)間隔為10ms。本實(shí)施例中POS計(jì)算機(jī)采用DSP芯片TMS320C6713B作為處理器以響應(yīng)GPS秒脈沖中斷和系統(tǒng)定時(shí)中斷，并產(chǎn)生硬件同步脈沖。本發(fā)明的具體實(shí)施方式
如圖1所示(1)POS開機(jī)啟動(dòng)后，將系統(tǒng)時(shí)間同步到UTC時(shí)間。如圖4所示，包括①設(shè)置TMS320C6713B定時(shí)器T0的定時(shí)周期為10ms，以使啟動(dòng)定時(shí)器后，每10ms產(chǎn)生一次定時(shí)中斷。
②在獲得與UTC時(shí)間同步的GPS時(shí)間后，使能GPS秒脈沖中斷。
③在下一個(gè)GPS秒脈沖到來時(shí)，在GPS秒脈沖中斷服務(wù)程序中更新這一時(shí)刻的GPS時(shí)間，并設(shè)置為系統(tǒng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了將系統(tǒng)時(shí)間同步到UTC時(shí)間。
(2)然后，啟動(dòng)定時(shí)器T0，并使能TMS320C6713B定時(shí)器中斷。
(3)通過響應(yīng)系統(tǒng)定時(shí)中斷產(chǎn)生包含UTC時(shí)間信息的硬件同步脈沖。但當(dāng)GPS秒脈沖到來且未產(chǎn)生系統(tǒng)定時(shí)中斷時(shí)，則通過響應(yīng)GPS秒脈沖中斷產(chǎn)生包含UTC時(shí)間信息的硬件同步脈沖。
系統(tǒng)定時(shí)中斷服務(wù)程序流程如圖5所示，其響應(yīng)過程如下
硬件同步初始化后，則等待每10ms產(chǎn)生一次的系統(tǒng)定時(shí)中斷。在TMS320C6713B的10ms定時(shí)中斷服務(wù)程序中，輸出硬件同步脈沖，并通過判斷定時(shí)中斷次數(shù)，來判斷是否到了整秒時(shí)刻。如果到整秒時(shí)刻，則將定時(shí)中斷次數(shù)清0，系統(tǒng)UTC時(shí)間，即SYS_UTC計(jì)數(shù)加1；如果不到整秒時(shí)刻，則將定時(shí)中斷次數(shù)加1。
GPS秒脈沖中斷服務(wù)程序流程如圖6所示，其響應(yīng)過程如下在GPS秒脈沖中斷服務(wù)程序中，首先通過重新啟動(dòng)TMS320C6713B的定時(shí)器進(jìn)行時(shí)鐘漂移的修正，并通過定時(shí)中斷標(biāo)志位判斷系統(tǒng)定時(shí)中斷是否產(chǎn)生。如果系統(tǒng)定時(shí)中斷已經(jīng)產(chǎn)生，說明GPS秒脈沖滯后于硬件同步脈沖，則只對(duì)GPS_UTC計(jì)數(shù)加1；如果系統(tǒng)定時(shí)中斷沒有產(chǎn)生，說明GPS秒脈沖超前于硬件同步脈沖，則輸出硬件同步脈沖，而不通過系統(tǒng)定時(shí)中斷產(chǎn)生硬件同步脈沖。然后將定時(shí)中斷次數(shù)清0，并分別對(duì)GPS_UTC和SYS_UTC計(jì)數(shù)加1。
(4)系統(tǒng)時(shí)間同步后的產(chǎn)生的硬件同步脈沖包含的UTC時(shí)間信息(毫秒)可表示為SYS_UTC×1000ms+定時(shí)中斷次數(shù)×10ms。
利用產(chǎn)生的包含UTC時(shí)間信息的硬件同步脈沖，對(duì)IMU和里程儀輸出進(jìn)行采集。從而實(shí)現(xiàn)了POS中IMU、GPS和里程儀數(shù)據(jù)的時(shí)間同步。
(5)此后，一直執(zhí)行步驟(3)和步驟(4)，直至系統(tǒng)工作結(jié)束。
本發(fā)明對(duì)于GPS信號(hào)的監(jiān)測(cè)如下在整秒之后的下一個(gè)定時(shí)中斷服務(wù)程序中，如果SYS_UTC＞GPS_UTC，說明GPS信號(hào)失鎖，并置GPS信號(hào)失鎖標(biāo)志位。此時(shí)系統(tǒng)由IMU、GPS和里程儀組合模式切換為IMU和里程儀組合模式，以繼續(xù)為載體提供高精度的位置姿態(tài)信息。
在GPS秒脈沖中斷中，通過GPS信號(hào)失鎖標(biāo)志位，可判斷GPS脈沖已經(jīng)再次到來。系統(tǒng)恢復(fù)為IMU、GPS和里程儀組合模式，然后清GPS信號(hào)失鎖標(biāo)志位，并將SYS_UTC賦給GPS_UTC，以便于GPS信號(hào)繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
本發(fā)明可以作為一種適用于IMU、GPS、里程儀、高度表等多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件時(shí)間同步方法，應(yīng)用者可以根據(jù)其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域通過修改軟件來靈活方便地實(shí)現(xiàn)硬件時(shí)間同步功能。
權(quán)利要求
1.一種位置姿態(tài)系統(tǒng)的硬件時(shí)間同步方法，其特征在于步驟如下(1)將POS系統(tǒng)時(shí)間同步到世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC時(shí)間；(2)啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)器，并使能系統(tǒng)定時(shí)中斷；(3)通過響應(yīng)系統(tǒng)定時(shí)中斷產(chǎn)生包含UTC時(shí)間信息的硬件同步脈沖；但當(dāng)GPS秒脈沖到來且未產(chǎn)生系統(tǒng)定時(shí)中斷時(shí)，則通過響應(yīng)GPS秒脈沖中斷產(chǎn)生包含UTC時(shí)間信息的硬件同步脈沖；(4)利用包含UTC時(shí)間信息的硬件同步脈沖對(duì)IMU和輔助傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使POS中GPS、IMU和輔助傳感器工作于UTC時(shí)間的時(shí)標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的時(shí)間同步；(5)判斷系統(tǒng)工作是否結(jié)束，如果不是，則繼續(xù)執(zhí)行步驟(3)和步驟(4)，直到結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置姿態(tài)系統(tǒng)的硬件時(shí)間同步方法，其特征在于所述步驟(1)的將POS系統(tǒng)時(shí)間同步到世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC時(shí)間的步驟如下(1)根據(jù)IMU的采樣頻率設(shè)置系統(tǒng)定時(shí)間隔；(2)當(dāng)獲得與UTC同步的GPS時(shí)間后，使能GPS秒脈沖中斷；(3)在下一個(gè)GPS秒脈沖到來時(shí)，GPS時(shí)間計(jì)數(shù)加1作為這一時(shí)刻的GPS時(shí)間，并設(shè)置為系統(tǒng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)時(shí)間同步到UTC時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置姿態(tài)系統(tǒng)的硬件時(shí)間同步方法，其特征在于所述步驟(3)中系統(tǒng)定時(shí)中斷響應(yīng)過程如下輸出硬件同步脈沖；判斷定時(shí)中斷次數(shù)，來判斷是否到了整秒時(shí)刻，如果到整秒時(shí)刻，則將定時(shí)中斷次數(shù)清0，系統(tǒng)的UTC時(shí)間加1；如果不到整秒時(shí)刻，則將定時(shí)中斷次數(shù)加1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置姿態(tài)系統(tǒng)的硬件時(shí)間同步方法，其特征在于所述步驟(3)中GPS秒脈沖中斷響應(yīng)過程如下重新啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)器。通過定時(shí)中斷標(biāo)志位判斷系統(tǒng)定時(shí)中斷是否產(chǎn)生，如果系統(tǒng)定時(shí)中斷已經(jīng)產(chǎn)生，則GPS秒脈沖滯后于硬件同步脈沖，則只對(duì)GPS的UTC計(jì)數(shù)加1；如果系統(tǒng)定時(shí)中斷未產(chǎn)生，則GPS秒脈沖超前于硬件同步脈沖，輸出硬件同步脈沖，而不通過系統(tǒng)定時(shí)中斷產(chǎn)生硬件同步脈沖，然后將定時(shí)中斷次數(shù)清0，并分別對(duì)GPS的UTC和系統(tǒng)的UTC計(jì)數(shù)加1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置姿態(tài)系統(tǒng)的硬件時(shí)間同步方法，其特征在于所述步驟(3)在響應(yīng)系統(tǒng)定時(shí)中斷時(shí)，還通過比較GPS時(shí)間和同步到UTC后的系統(tǒng)時(shí)間來判斷GPS信號(hào)是否失鎖。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的位置姿態(tài)系統(tǒng)的硬件時(shí)間同步方法，其特征在于所述的比較方法是在整秒之后的下一個(gè)定時(shí)中斷中，如果系統(tǒng)的UTC大于GPS的UTC，則GPS信號(hào)失鎖，并置GPS信號(hào)失鎖標(biāo)志位。
全文摘要
一種位置姿態(tài)系統(tǒng)(Position & Orientation System，POS)的硬件時(shí)間同步方法，本發(fā)明涉及一種位置姿態(tài)系統(tǒng)中各傳感器數(shù)據(jù)時(shí)間同步的方法。該方法首先利用GPS接收機(jī)輸出的與世界協(xié)調(diào)時(shí)(Coordinate Universal Time，UTC)時(shí)間精確同步的GPS秒脈沖信號(hào)，將位置姿態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)間同步到UTC時(shí)間，然后通過系統(tǒng)定時(shí)器產(chǎn)生包含UTC時(shí)間信息的硬件同步脈沖，并對(duì)各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)POS中各傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間同步。本發(fā)明利用GPS秒脈沖對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘漂移進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPS信號(hào)的監(jiān)測(cè)，使得本發(fā)明具有同步精度高，適應(yīng)性好和可靠性高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P5/10GK101067656SQ20071009961
公開日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者房建成, 楊勝, 劉百奇, 宮曉琳, 韓曉英 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)