GPS／INS組合導航系統時間同步方法綜述①

劉 帥，孫付平，陳 坡，李海峰

（信息工程大學測繪學院，河南 鄭州450052）

0 引 言

GPS具有定位精度高、誤差不隨時間積累等優點，而且，用載波相位觀測值時，其定位精度可以達到厘米級，但是，GPS也存在著信號容易受到遮擋或干擾、數據更新率低、缺少姿態信息輸出等缺點；相比較而言，慣性導航系統（INS）是一種完全自主的導航系統，其擁有高數據更新率，并具備姿態信息輸出，但是由于陀螺誤差漂移的存在，即使高精度的INS也面臨誤差隨著導航時間延長而不斷累積的問題。由于GPS和INS之間存在良好的互補特性，GPS和INS的組合將能克服各自的缺點、體現組合優勢。

GPS和INS組合導航包含各自導航信息的融合，而導航信息融合的重要前提是不同導航傳感器所獲取的導航信息在空間和時間上統一。導航傳感器的空間統一是指測量出GPS和INS之間的坐標差值，并在導航信息的融合時加以轉換改正，相對較易實現。而導航傳感器的時間統一或者說時間同步則相對復雜。若不考慮GPS和INS這兩種導航傳感器間的時間偏差，將不同時間點上所獲取的導航信息進行融合會給濾波結果帶來誤差，甚至產生錯誤的導航結果。因此，時間同步是GPS／INS組合導航系統設計的基礎。鑒于時間同步對組合導航的重要性，許多學者對GPS／INS組合導航系統時間延遲的影響、時間同步的方法進行了研究。根據現有的相關研究資料，著重分析了時間不同步產生的原因，歸納了組合導航時間同步的實現思路，并闡述了現今典型的時間同步方法。

1 時間異步原因

1）時間起點和基準不一致。GPS和INS是兩個獨立的系統，對應著不同的時間系統，各自的時間起點和基準均不一致。GPS接收機時間對應于GPS時，其起點是1980年1月6日零時；INS使用其內部控制電路中的計時器，通常每次INS開機后該計時器從零開始計時。GPS以原子時秒長作為自身秒長，能夠保證時間間隔的高穩定性；INS是依靠內部晶振頻率作為計時基準，相對GPS時鐘其頻率并不穩定，易發生漂移。由上可知，INS和GPS的時間起點不一致，基準也不同。

2）數據采樣點不一致。GPS接收機和INS的采樣率或者說數據更新率是不同的，INS能夠達到200Hz或更高的數據更新率；GPS接收機的數據更新率通常為1Hz.GPS接收機能夠嚴格在整秒進行測量采樣，但INS并不能保證恰好也在整秒時刻進行測量采樣，這會導致當把卡爾曼濾波時刻選擇在GPS整秒時刻時，此時雖有GPS測量值，但由于采樣點的差異未必有INS測量值。

3）電路時延。GPS導航信息和INS數據存在著輸出時延，具體體現在：GPS接收機和INS的內部時延（測量、采樣、模數轉換等產生的時延）、GPS接收機和INS的導航信息傳輸到組合導航信息融合濾波器過程中的傳輸時延（串口時延等）、導航信息處理過程中產生的時延、秒脈沖信號的不穩定性及時延。

2 時間同步方法分析

在設計組合導航系統時應根據組合導航系統的整體精度需求，確定時間同步的精度需求，繼而確定時間同步方法，以實現設計成本和系統精度的協調。因此，需要明確時間不同步對組合導航性能的影響量級，此方面內容具體可以參考文獻［1]、［2]、［3]、［4]、［11]。理想的時間同步實現方法是讓GPS與INS使用同一個晶振來進行數據采集［6]，但這很難實現，因為需要同時具備GPS和INS的底層開發能力。

通常的時間同步方法借助于GPS接收機輸出的秒脈沖信號（1PPS）。GPS接收機輸出的1PPS的上升沿與GPS時的偏差通常小于1μs，對于授時型接收機其偏差會小于100ns.GPS接收機嚴格在1PPS的上升沿進行一次偽距、偽距率、載波相位等測量，可以看出1PPS是代表GPS接收機測量時刻的一個穩定的信號，因此，可以借助GPS接收機輸出的1PPS作為參考來實現時間同步。但考慮到GPS接收機輸出的1PPS僅是一個能夠代表GPS測量時刻的秒脈沖信號，并不包含絕對的時間信息，因此，要達到絕對的時間同步還需要利用GPS接收機輸出的NEMA0183格式導航數據或是二進制格式導航數據所包含的絕對時間信息。此外還需要從INS提供的接口上考慮時間同步方法，如果INS不提供GPS接收機信號或數據的輸入，則需要設計公用的時間同步模塊。

3 典型時間同步方法

現有的典型組合導航時間同步方法可將其分為三類：GPS接收機1PPS輸入INS的時間同步方法、GPS接收機1PPS輸入公用時間同步模塊的時間同步方法和參數化方法。其中，參數化方法是指將時間同步誤差作為待估參數的一種方法，這種方法需要將時間同步誤差限定在一定的范圍之內，而且對于低精度的INS該方法未必能夠估計出來好的結果，重點研究前兩種方法，關于參數化方法可以參考文獻［1]、［3]、［4]、［5]。

3.1 GPS接收機1PPS輸入INS的時間同步

此處選取馬云峰［6]的設計作為說明。該設計利用GPS接收機輸出的1PPS，結合CPLD產生的時序實現INS和GPS數據的同步采集。如圖1所示，其實現思路是將GPS－OEM板輸出的1PPS接入CPLD多通道數據采集控制電路，用它觸發硬件內部邏輯從而校準并初始化CPLD的內部定時器，同時保證1PPS到來時刻產生一個同步采樣脈沖，實現INS與GPS數據在整秒時刻的同步。可以把這種方法稱之為在采樣級別的同步，此方法可以獲得微秒級的時間同步精度。這種方法適用于具備從底層進行組合導航系統開發的用戶。有些商用INS能夠直接接收1PPS并在其內部實現如上所述的功能。

圖1 CPLD多通道數據采集控制電路［7]

3.2 GPS接收機1PPS輸入公用時間同步模塊的時間同步

當使用無外部脈沖輸入接口的INS進行的組合導航系統設計時可以使用此種時間同步方法，該方法的核心思想是設計公用的時間同步模塊，將1 PPS和GPS時間信息都輸入到公用的時間同步模塊中來完成時間同步，如圖2所示。Li給出了一種叫做高效同步系統（CESS）的典型時間同步設計［8]，其模塊結構如圖3所示。CESS由3部分構成：能夠輸出1PPS的GPS接收機、多功能數據采集卡（DAQ Card）和數據采集軟件，GPS接收機輸出的1PPS作為時間參考并觸發整個系統，其中多功能數據采集卡由模擬信號輸入／輸出、計數器／計時器和數字I／O線等組成，Li使用了多種方法對CESS所能達到的同步精度進行評價，并得出所能實現的時間同步精度是0.4ms.該方法引入了一種使用DAQ Card作為公用時間同步模塊進行數據采集的思路，只需選擇合適的數據采集卡，根據所采用的INS編寫相應的數據采集軟件即可。與此類似，張開東、朱志勤也是使用DAQ Card實現各自的時間同步方法［9－10]。

Li的方法要求輸入DAQ Card的INS信號須是模擬信號，對模擬信號的處理要加入模數轉換，而大部分INS產品輸出的是數字信號，Ding就針對這種情況設計了如圖4所示的時間同步方法［11]，該實現方法更具有一般性，其中組合平臺既可以是個人電腦也可以是嵌入式的處理器，Ding假定GPS接收機和INS都能夠輸出PPS，當組合平臺檢測到PPS信息時將觸發相應的寄存器，記錄下來當前計數器中的計數，通過寄存器中的計數值可以計算出GPS和INS的PPS信號間的時間差。但很多INS產品無PPS輸出，此時可以使用INS的串口信號來觸發寄存器。Ding對時間同步的精度進行了詳細的評價，當INS有PPS輸出時能達到0.1ms，因為PPS代表的正是測量時刻，其時延量相當小，而若INS沒有PPS輸出時，通過串口數據來觸發計時器會引入串口傳輸時延，因此，其精度相對降低為2ms.此外，Li、李倩設計了基于FPGA的時間同步方法［12－13]，Xu設計了基于微控制器輔助PC104的時間同步方法［14]，可參考相應的文獻。

4 結 論

分析了GPS／INS組合導航時間異步產生的原因，借助GPS的1PPS實現時間同步的基本思路，對當今典型的時間同步方法進行了分類闡述。可以為組合導航系統時間同步設計提供重要參考。

［1]BAR－ITZHACK I，VITEK Y.The Enigma of false bias detection in a strapdown system during transfer alignment［J].Journal of Guidance，Control and Dynamics，1985，8（2）：175－180.

［2]陳兵舫，張育林，趙華麗.組合導航系統時間不同步對INS初始對準的影響［J].中國空間科學技術，2001（5）：13－20.

［3]LEE H K，LEE J G ，JEE G.Calibration of measurement delay in global positioning system／strapdown inertial navigation system［J].Journal of Guidance，Control and Dynamics，2002，25（2）：240－247.

［4]SKOG I，Handel P.Effects of time synchronization errors in GNSS－aided INS［C]／／Position，Location and Navigation Symposium，2008IEEE／ION.

［5]楊 濤，王 瑋.GPS／SINS組合導航系統實現時間同步的軟件方法［J].中國慣性技術學報，2008，16（4）：436－438.

［6]馬云峰.MSINS／GPS組合導航系統及其數據融合技術研究［D].南京：東南大學，2006.

［7]馬云峰.基于DSP的MSINS／GPS組合導航計算機設計［J].微計算機信息，2007，23（6－2）：180－181.

［8]LI B，RIZOS C，LEE H，et al.GPS－slaved time synchronization system for hybrid navigation［J].GPS Solutions，2006，10（3）：207－217.

［9]張開東，吳美平.SINS／GPS組合導航中的一種高精度時間同步方案［J].戰術導彈控制技術，2006（4）：66－68.

［10]朱智勤，吳玉宏，羊遠新.GPS／INS組合系統中時間同步的模塊化實現［J].武漢大學學報·信息科學版，2010，35（7）：830－832.

［11]DING Wei－dong，WANG Jin－ling，LI Yong，et al.Time synchronization error and calibration in integrated GPS／INS systems［J].ETRI Journal，2008，30（1）：59－66.

［12]LI Yong，MUMFORD J，WANG Jin－ling，et al.Time synchronization analysis of an FPGA based GPS／INS integrated system［C]／／Proceedings of IGNSS Symposium 2006，Holiday Inn Surfers Paradise，Australia.

［13]李 倩，戰興群，王立端，等.GPS／INS組合導航系統時間同步系統設計［J].傳感技術學報，2009，22（12）：1752－1756.

［14]XU Zhen－kai，LI Yong，CHRIS R，et al.Implementation of microcontroller－aided PC104platform for multisensor integrated system［C]／／Proceedings of IGNSS Symposium 2009，Holiday Inn Surfers Paradise，Australia.