专利名称：一种位置姿态系统的硬件时间同步方法
技术领域：
本发明涉及一种位置姿态系统(Position & Orientation System，POS)的硬件时间同步方法，属于遥感信息获取领域，用于位置姿态系统中各传感器数据的时间同步。
背景技术：
位置姿态系统由传感器部分和POS计算机组成。传感器部分包括惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)、全球卫星定位系统(GlobalPosition System，GPS)以及辅助传感器，如里程仪、高度表等。POS计算机通过提取IMU输出的角速度、加速度信息，GPS输出的速度、位置信息，以及辅助传感器输出的辅助信息，如速度、高度等，通过数据融合算法进行数据融合处理，并通过反馈校正，以获得载体高精度的位置姿态信息。
由于不同时刻的数据进行融合是没有意义的，所以在设计数据融合算法时，必须保证各传感器数据在融合点上是一致的，也就是说必须解决不同传感器之间的数据时间同步问题，这样的位置姿态系统才具有实用价值。
所谓的硬件时间同步是以GPS秒脉冲作为基准，控制其它传感器的采样时刻，使各传感器工作于同一时标下，以实现数据的时间同步。GPS秒脉冲(1PPS，每秒一个脉冲)是由GPS接收机通过解码转换后输出的，它是与世界协调时(Coordinate Universal Time，UTC)秒点对齐的。
现有的硬件时间同步方法，是以GPS秒脉冲作为一个触发信号，启动一个定时器，定时器通过对系统时钟进行计数输出预定的频率硬件同步脉冲，然后利用硬件同步脉冲对传感器数据进行采集，使各传感器工作于同一时标下，从而实现了数据的时间同步。但由于系统时钟精度有限，输出的硬件同步脉冲会产生随时间积累的时钟漂移误差。这将导致长时间遥感作业时位置姿态系统的数据同步精度下降，进而导致输出的位置姿态信息精度下降。目前这种时间同步方法多用于算法仿真研究和实验室演示验证。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有硬件时间同步方法的不足，提供一种可实时修正系统时钟漂移，且时间同步精度高的位置姿态系统的硬件时间同步方法。
本发明的另一技术解决问题是提供一种可判断出GPS信号是否失锁。实现了GPS信号的监测的位置姿态系统的硬件时间同步方法。
本发明的技术解决方案是一种位置姿态系统的硬件时间同步方法，其特点在于步骤如下(1)将POS系统时间同步到世界协调时UTC时间；(2)启动系统定时器，并使能系统定时中断；(3)通过响应系统定时中断产生包含UTC时间信息的硬件同步脉冲；但当GPS秒脉冲到来且未产生系统定时中断时，则通过响应GPS秒脉冲中断产生包含UTC时间信息的硬件同步脉冲；(4)利用包含UTC时间信息的硬件同步脉冲对IMU和辅助传感器进行数据采集，使POS中GPS、IMU和辅助传感器工作于UTC时间的时标下，实现了数据的时间同步；(5)判断系统工作是否结束，如果不是，则继续执行步骤(3)和步骤(4)，直到结束。
所述步骤(1)中将POS系统时间同步到世界协调时UTC时间的步骤如下(1)根据IMU的采样频率设置系统定时间隔；(2)当获得与UTC同步的GPS时间后，使能GPS秒脉冲中断；(3)在下一个GPS秒脉冲到来时，GPS时间计数加1作为这一时刻的GPS时间，并设置为系统时间，实现将系统时间同步到UTC时间。
所述步骤(3)中系统定时中断响应过程如下输出硬件同步脉冲。判断定时中断次数，来判断是否到了整秒时刻，如果到整秒时刻，则将定时中断次数清0，系统的UTC时间加1；如果不到整秒时刻，则将定时中断次数加1。
所述步骤(3)中GPS秒脉冲中断响应过程如下重新启动系统定时器。通过定时中断标志位判断系统定时中断是否产生，如果系统定时中断已经产生，则GPS秒脉冲滞后于硬件同步脉冲，则只对GPS的UTC计数加1；如果系统定时中断未产生，则GPS秒脉冲超前于硬件同步脉冲，输出硬件同步脉冲，而不通过系统定时中断产生硬件同步脉冲，然后将定时中断次数清0，并分别对GPS的UTC和系统的UTC计数加1。
本发明在响应系统定时中断时，通过比较GPS时间和同步到UTC时间后的系统时间，判断出GPS信号是否失锁。
本发明的原理是本发明是在系统获得与UTC时间同步的GPS时间后，在下一个GPS秒脉冲到来时，将系统时间同步到UTC时间，并启动系统定时器，然后按照预定的频率输出硬件同步脉冲。
本发明利用GPS秒脉冲对系统时钟漂移进行修正原理如图2所示，由于系统时钟存在漂移，GPS秒脉冲可能会出现超前、滞后和同步于整秒时刻的硬件同步脉冲这三种情况。
图2a为GPS秒脉冲超前于硬件同步脉冲时的情况。在GPS秒脉冲中断服务程序中，重新启动系统定时器，并输出硬件同步脉冲。这种情况下将不再产生系统定时中断。此后即输出修正后的硬件同步脉冲。
图2b为GPS秒脉冲滞后于硬件同步脉冲时的情况。硬件同步脉冲已经在系统定时中断服务程序中产生，则在GPS秒脉冲中断服务程序中，仅重启动系统定时器。此后即输出修正后的硬件同步脉冲。
图2c为GPS秒脉冲同步于硬件同步脉冲时的情况。由于设置的GPS秒脉冲中断的优先级高于系统定时中断，因此在GPS秒脉冲中断服务程序中，重新启动系统定时器，并输出硬件同步脉冲。
当系统时间同步到UTC时间后(用变量SYS_UTC表示)，则系统时间SYS_UTC在整秒时刻的系统定时中断里计数加1，GPS时间(用变量GPS_UTC表示)在GPS秒脉冲中断里计数加1。但当有GPS秒脉冲时，如果GPS秒脉冲超前于硬件同步脉冲，如图2a，则系统时间SYS_UTC在GPS秒脉冲中断里计数加1。
在GPS的使用过程中，可能会出现因信号遮挡而导致GPS接收机不能完成定位解算而没有秒脉冲和数据输出的情况，称为GPS信号失锁。本发明通过判断GPS信号是否失锁，实现了GPS信号的监测，解决了系统工作模式切换问题，有利于系统故障诊断和隔离等。其原理如图3所示。
如果GPS信号失锁，则GPS_UTC在GPS秒脉冲应该出现的时刻(即整秒时刻)没有计数加1，而此时的SYS_UTC在整秒时刻的系统定时中断里计数加1，因此GPS_UTC将小于SYS_UTC，故通过比较GPS_UTC和SYS_UTC就可判断出GPS信号是否失锁。当GPS秒脉冲再次到来时，则将SYS_UTC赋给GPS_UTC，以便于继续对GPS信号进行监测。
本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明通过在每个GPS秒脉冲信号到来时重新启动系统定时器实现了系统时钟漂移进行实时修正，使得系统长时间工作仍保持很高的数据时间同步精度，因此具有同步精度高，适应性好的优点。
(2)本发明设置了GPS时间和同步到UTC时间后的系统时间两个变量，即GPS_UTC和SYS_UTC，分别在不同中断服务程序中进行计数加1，可判断出GPS信号是否失锁，实现了GPS信号的监测，有利于系统的故障诊断和隔离，使得本发明同时还具有可靠性高的特点。
图1为本发明的硬件时间同步方法流程图；
图2为本发明的系统时钟漂移修正原理示意图，其中图2a为GPS秒脉冲超前于硬件同步脉冲，图2b为GPS秒脉冲滞后于硬件同步脉冲，图2c为GPS秒脉冲同步于硬件同步脉冲；图3为本发明的GPS信号监测原理示意图；图4为本发明的系统硬件时间同步初始化流程图；图5为本发明的系统定时中断服务程序流程图；图6为本发明的GPS秒脉冲中断服务程序流程图。
具体实施例方式
本实施例中位置姿态系统由IMU、GPS、里程仪和POS计算机组成。根据IMU的采样频率，设定硬件同步脉冲频率为100Hz，即定时间隔为10ms。本实施例中POS计算机采用DSP芯片TMS320C6713B作为处理器以响应GPS秒脉冲中断和系统定时中断，并产生硬件同步脉冲。本发明的具体实施方式
如图1所示(1)POS开机启动后，将系统时间同步到UTC时间。如图4所示，包括①设置TMS320C6713B定时器T0的定时周期为10ms，以使启动定时器后，每10ms产生一次定时中断。
②在获得与UTC时间同步的GPS时间后，使能GPS秒脉冲中断。
③在下一个GPS秒脉冲到来时，在GPS秒脉冲中断服务程序中更新这一时刻的GPS时间，并设置为系统时间，实现了将系统时间同步到UTC时间。
(2)然后，启动定时器T0，并使能TMS320C6713B定时器中断。
(3)通过响应系统定时中断产生包含UTC时间信息的硬件同步脉冲。但当GPS秒脉冲到来且未产生系统定时中断时，则通过响应GPS秒脉冲中断产生包含UTC时间信息的硬件同步脉冲。
系统定时中断服务程序流程如图5所示，其响应过程如下
硬件同步初始化后，则等待每10ms产生一次的系统定时中断。在TMS320C6713B的10ms定时中断服务程序中，输出硬件同步脉冲，并通过判断定时中断次数，来判断是否到了整秒时刻。如果到整秒时刻，则将定时中断次数清0，系统UTC时间，即SYS_UTC计数加1；如果不到整秒时刻，则将定时中断次数加1。
GPS秒脉冲中断服务程序流程如图6所示，其响应过程如下在GPS秒脉冲中断服务程序中，首先通过重新启动TMS320C6713B的定时器进行时钟漂移的修正，并通过定时中断标志位判断系统定时中断是否产生。如果系统定时中断已经产生，说明GPS秒脉冲滞后于硬件同步脉冲，则只对GPS_UTC计数加1；如果系统定时中断没有产生，说明GPS秒脉冲超前于硬件同步脉冲，则输出硬件同步脉冲，而不通过系统定时中断产生硬件同步脉冲。然后将定时中断次数清0，并分别对GPS_UTC和SYS_UTC计数加1。
(4)系统时间同步后的产生的硬件同步脉冲包含的UTC时间信息(毫秒)可表示为SYS_UTC×1000ms+定时中断次数×10ms。
利用产生的包含UTC时间信息的硬件同步脉冲，对IMU和里程仪输出进行采集。从而实现了POS中IMU、GPS和里程仪数据的时间同步。
(5)此后，一直执行步骤(3)和步骤(4)，直至系统工作结束。
本发明对于GPS信号的监测如下在整秒之后的下一个定时中断服务程序中，如果SYS_UTC＞GPS_UTC，说明GPS信号失锁，并置GPS信号失锁标志位。此时系统由IMU、GPS和里程仪组合模式切换为IMU和里程仪组合模式，以继续为载体提供高精度的位置姿态信息。
在GPS秒脉冲中断中，通过GPS信号失锁标志位，可判断GPS脉冲已经再次到来。系统恢复为IMU、GPS和里程仪组合模式，然后清GPS信号失锁标志位，并将SYS_UTC赋给GPS_UTC，以便于GPS信号继续进行监测。
本发明可以作为一种适用于IMU、GPS、里程仪、高度表等多传感器组合导航系统的硬件时间同步方法，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改软件来灵活方便地实现硬件时间同步功能。
权利要求
1.一种位置姿态系统的硬件时间同步方法，其特征在于步骤如下(1)将POS系统时间同步到世界协调时UTC时间；(2)启动系统定时器，并使能系统定时中断；(3)通过响应系统定时中断产生包含UTC时间信息的硬件同步脉冲；但当GPS秒脉冲到来且未产生系统定时中断时，则通过响应GPS秒脉冲中断产生包含UTC时间信息的硬件同步脉冲；(4)利用包含UTC时间信息的硬件同步脉冲对IMU和辅助传感器进行数据采集，使POS中GPS、IMU和辅助传感器工作于UTC时间的时标下，实现了数据的时间同步；(5)判断系统工作是否结束，如果不是，则继续执行步骤(3)和步骤(4)，直到结束。
2.根据权利要求1所述的位置姿态系统的硬件时间同步方法，其特征在于所述步骤(1)的将POS系统时间同步到世界协调时UTC时间的步骤如下(1)根据IMU的采样频率设置系统定时间隔；(2)当获得与UTC同步的GPS时间后，使能GPS秒脉冲中断；(3)在下一个GPS秒脉冲到来时，GPS时间计数加1作为这一时刻的GPS时间，并设置为系统时间，实现将系统时间同步到UTC时间。
3.根据权利要求1所述的位置姿态系统的硬件时间同步方法，其特征在于所述步骤(3)中系统定时中断响应过程如下输出硬件同步脉冲；判断定时中断次数，来判断是否到了整秒时刻，如果到整秒时刻，则将定时中断次数清0，系统的UTC时间加1；如果不到整秒时刻，则将定时中断次数加1。
4.根据权利要求1所述的位置姿态系统的硬件时间同步方法，其特征在于所述步骤(3)中GPS秒脉冲中断响应过程如下重新启动系统定时器。通过定时中断标志位判断系统定时中断是否产生，如果系统定时中断已经产生，则GPS秒脉冲滞后于硬件同步脉冲，则只对GPS的UTC计数加1；如果系统定时中断未产生，则GPS秒脉冲超前于硬件同步脉冲，输出硬件同步脉冲，而不通过系统定时中断产生硬件同步脉冲，然后将定时中断次数清0，并分别对GPS的UTC和系统的UTC计数加1。
5.根据权利要求1所述的位置姿态系统的硬件时间同步方法，其特征在于所述步骤(3)在响应系统定时中断时，还通过比较GPS时间和同步到UTC后的系统时间来判断GPS信号是否失锁。
6.根据权利要求5所述的位置姿态系统的硬件时间同步方法，其特征在于所述的比较方法是在整秒之后的下一个定时中断中，如果系统的UTC大于GPS的UTC，则GPS信号失锁，并置GPS信号失锁标志位。
全文摘要
一种位置姿态系统(Position & Orientation System，POS)的硬件时间同步方法，本发明涉及一种位置姿态系统中各传感器数据时间同步的方法。该方法首先利用GPS接收机输出的与世界协调时(Coordinate Universal Time，UTC)时间精确同步的GPS秒脉冲信号，将位置姿态系统的系统时间同步到UTC时间，然后通过系统定时器产生包含UTC时间信息的硬件同步脉冲，并对各传感器数据进行采集，进而实现POS中各传感器数据的时间同步。本发明利用GPS秒脉冲对系统时钟漂移进行实时修正，还实现了对GPS信号的监测，使得本发明具有同步精度高，适应性好和可靠性高的特点。
文档编号G01P5/10GK101067656SQ20071009961
公开日2007年11月7日 申请日期2007年5月25日 优先权日2007年5月25日
发明者房建成, 杨胜, 刘百奇, 宫晓琳, 韩晓英 申请人:北京航空航天大学