[发明专利]基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种导航设备领域中的多传感器组合导航时间同步技术，尤其是涉及一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统。

背景技术

多传感器测量数据的时间同步一直是GNSS／INS或多传感器组合导航系统设计过程中极富挑战性的问题。相比较而言，惯性导航(INS)中的测量元件IMU量测没有特定的时间基准，即使是数字化的IMU输出，也只带有连续的采样间隔标志，而没有绝对时间刻度。IMU数据经过导航计算机的数据传输接口进入导航计算机，目前最常见的仍是RS232／RS422等串行接口。接口硬件延迟或导航计算机采用的非实时操作系统，将导致IMU数据的传输延迟无法确认。IMU和GNSS(全球卫星导航系统)接收机(或其他辅助导航传感器)之间未知的时间同步误差，会引入严重的数据源误差致使滤波器发散，即使在好的情况下也只能得到次优的滤波结果。导致惯性传感器和GNSS接收机输出的数据不同步的因素主要可以归纳为：

首先，两个系统的数据更新率不一致。其次，即使选择的GNSS接收机和IMU的数据更新率一致，也不能达到数据的完全同步。另外，数据传输的延迟和两个导航系统不能同时启动等因素，都会对组导测量数据同步产生影响。

下面以GNSS／INS组合导航实际数据为例，探究量测数据的时间同步误差对组合导航系统性能带来的影响。

首先，假定IMU量测与GNSS接收机数据之间的时间异步误差为δt。如果载体速度保持不变，IMU和GPS接收机将经历相同且恒定的位置改变，那么δt就不会引入误差。如果有加速度a存在，异步误差δt将随着INS与GNSS两个系统位置和速度解算的不同而显现出来。为了简单其间，假定加速度a恒定。根据基本运动学方程，GNSS接收机速度与INS解算速度之间差别的累积：

δv=aδt

于是，位置误差的累积为：

δρ=12aδt2]]>

如果时间异步误差为δt=1ms，加速度a=10m／s²，速度和位置累积误差分别为1cm／s和<<1mm。此时，不论IMU精度级别和性能如何，位置误差都可忽略。对于低成本导航系统，速度误差也处于可接受的范围。若是对于价格高昂的导航系统，时间异步误差引起的速度累积误差将成为必须考虑的误差权重，因为高性能INS的短时速度误差和GNSS的速度误差都是处于这一级别(0.01m／s)。由此发现时间同步精度的需求，与载体运动的动态范围(即加速度)的级别密切相关。若时间异步误差δt过大，速度和位置累积误差将达到GNSS／INS组合系统自身组合导航滤波器输出的误差级别，此时必须校正时间同步误差。

国外的研究学者曾将时间同步方法划分为三种：软件编程、硬件解决方案和混合式方案。硬件解决方案是商用产品最常用的方法，基于软件编程的方法的性能与载体的运行轨道密切相关，而且这种方法距离完成导航系统的研制相去甚远。不过有时候，软件同步能够提供足够的同步精度，以满足商用地面车辆导航系统。在国外同领域的研究中，引入了一种使用多功能数据采集卡的混合式时间同步方案。不过数据采集卡的成本往往较高，并不适用于实际组合系统的研制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，将通过对FPGA为IMU和辅助导航传感器的测量数据添加时间标签，将IMU和辅助导航传感器的测量数据统一到GNSS接收机时间上，从根本上消除导航传感器测量数据之间的时间误差，实现高速环境下高精度的组合导航。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于FPGA的多传感器组合导航时间同步系统，包括GNSS接收机、导航传感器组、FPGA模块和组合导航计算机，所述的GNSS接收机和导航传感器组分别通过FPGA模块的数据接口与FPGA模块连接，所述的GNSS接收机和FPGA模块分别通过组合导航计算机的数据接口与组合导航计算机连接；