CN102901517B - 一种基于时间同步的火箭橇试验测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间同步的火箭橇试验测量系统，数据采集记录系统同时采集惯性测量装置、差分GPS系统和遮光板光电组件的测量数据，晶振产生频率大于1MHz的时钟信号，计数器对晶振产生的时钟信号进行计数作为数据采集记录系统的基准时间，数据采集系统根据基准时间对采集到的测量数据进行同步处理。本发明的系统组成简单，时间同步精度高，通过在原有测量系统中增加了时间同步单元，直接将时间同步信息加入到惯性测量装置、外测差分GPS系统和外测遮光板组件的测量数据中，通过比较惯性测量装置与外测差分GPS系统和外测遮光板组件之间输出数据的时间同步信息即可实现同步。

Description

一种基于时间同步的火箭橇试验测量系统

技术领域

本发明涉及一种火箭橇试验测量系统，尤其涉及一种基于时间同步的火箭橇试验测量系统，属于火箭橇试验技术领域。

背景技术

目前，国内主要利用惯性测量装置、外测差分GPS系统、外测遮光板组件和数据采集记录系统组成测量系统开展火箭橇试验的功能验证和误差模型考核。惯性测量装置主要测量自身元件所敏感的角速度和线加速度，其测量的精度由更高精度的差分GPS系统和遮光板光电组件进行考察，数据采集记录系统主要将惯性测量装置、外测差分GPS系统、外测遮光板组件的测量数据实时记录并保存下来。由于惯性测量装置、外测差分GPS系统和外测遮光板组件的数据都是单独产生并传输到记录数据采集系统中，数据之间没有时间关联。如果不进行处理而直接存储，将无法将外测差分GPS系统和外测遮光板组件的数据对应到惯性测量装置的数据上，也就无法进行后续数据处理，因此有必要将各部分数据进行时间同步处理。

在火箭橇试验中，惯性测量装置的输出为脉冲计数方式或串行通信方式，高精度差分GPS外测的输出采用串行通信方式，遮光板光电组件采用脉冲触发方式。对火箭橇试验数据的处理主要是通过人工找到大过载段数据，然后再进行数据对齐，一般数据采集时间可达几十分钟或数小时，而有用时间仅几十秒，工作量大，对准精度比较低，而随着火箭橇试验测量设备越来越多，时间同步问题越来越突出，对时间同步要求的精度也越来越高，因此需要对现有的测量系统进行改进以满足对火箭橇试验数据的时间同步处理。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于时间同步的火箭橇试验测量系统，该系统组成简单、时间同步精度高，解决了火箭橇试验测量数据的时间同步问题。

本发明的技术解决方案：一种基于时间同步的火箭橇试验测量系统，包括惯性测量装置、差分GPS系统、遮光板组件、数据采集系统和时间同步单元，时间同步单元由晶振和计数器组成，数据采集记录系统同时采集惯性测量装置、差分GPS系统和遮光板光电组件的测量数据，晶振产生频率大于1MHz的时钟信号，计数器对晶振产生的时钟信号进行计数作为数据采集记录系统的基准时间，数据采集系统根据基准时间对采集到的测量数据进行同步处理。

所述数据采集系统根据基准时间对测量数据进行同步处理的方法为：

(1)数据采集系统将基准时间的时刻值插入到惯性测量装置、差分GPS系统和遮光板光电组件的每桢测量数据中，使惯性测量装置、差分GPS系统和遮光板光电组件的每桢测量数据对准到基准时间上；

(2)对插入基准时间的惯性测量装置测量数据进行导航处理，得到惯性测量装置连续的速度和位置信息；

(3)设惯性测量装置的采样周期为△T＝T₂-T₁，差分GPS系统或遮光板光电组件的测量时刻为T₁，T₁介于T₁和T₂之间，利用离散化方程对惯性测量装置连续的位置信息进行离散化处理，得到惯性测量装置连续的位置信息在差分GPS系统或遮光板光电组件相应测量时刻上的离散值，其中S(T₁)和S(T₂)分别为T₁和T₂时刻惯性测量装置的位置信息，S(T_i)为T_i时刻惯性测量装置的位置信息；

(4)完成惯性测量装置测量数据与差分GPS系统、遮光板组件测量数据的时间同步。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明的系统组成简单，在原有测量系统中增加了时间同步单元，可以直接将时间同步信息加入到惯性测量装置、外测差分GPS系统和外测遮光板组件的测量数据中，由于计数器产生的计数值连续单调并且唯一，因此每一帧数据都含有时间同步的信息，比较惯性测量装置与外测差分GPS系统和外测遮光板组件之间输出数据的时间同步信息即可实现同步。

(2)本发明时间同步精度高，因为时间同步信息是直接从硬件地址中读取，速度快、效率高。同时，可以选用高精度的晶振作为频标基准，本发明中选用的晶振分频精度优于3ppm，对于火箭橇试验短时间的数据量来说，同步精度可以控制在1ms以内。本发明也可应用于解决惯性组合导航、制导与控制中不同设备的时间同步问题。

附图说明

图1为本发明的系统组成原理图；

图2为本发明时间同步单元的组成原理图；

图3为字节宽度为3时的计数器输出曲线图；

图4为在测量数据中增加基准时间的实现流程图；

图5为增加基准时间前后的测量数据格式；

图6为利用基准时间进行时间对齐的原理图；

图7为本发明的时间同步原理图。

具体实施方式

本发明是一种基于时间同步的火箭橇试验测量系统，包括惯性测量装置、差分GPS系统、遮光板组件、数据采集系统和时间同步单元，时间同步单元由晶振和计数器组成，各设备的连接如图1所示，数据采集记录系统同时采集惯性测量装置、差分GPS系统和遮光板光电组件的测量数据，晶振产生频率大于1MHz的时钟信号，计数器对晶振产生的时钟信号进行计数作为数据采集记录系统的基准时间，实现在惯性测量系统火箭橇试验中把惯性测量装置的遥测数据和高精度外测数据进行时刻对准，数据采集系统根据基准时间对采集到的测量数据进行同步处理。

如图2所示，数据采集系统以嵌入式计算机为平台并搭载QNX操作系统实现对数据的实时采集和存储，在此基础上利用FPGA设计了计数器并通过ISA总线和嵌入式计算机进行数据通信。计数器选用高精度晶振作为频标基础，晶振分频精度优于3ppm，对于火箭橇试验短时间的数据量来说，同步精度可以控制在1ms以内。分频后计数器每1ms输出一次计数值并存放于FPGA模块的地址fifo中供嵌入式计算机读取。火箭橇试验时间一般仅为十几秒，若分配3个字节宽度存储计数值，可实现连续计数时间为4s，即可满足火箭橇试验时间对准，图3为字节宽度为3时的计数器输出情况。

在火箭橇试验中，惯性测量装置的输出为脉冲计数方式或串行通信方式，高精度差分GPS外测的输出采用串行通信方式，遮光板光电组件采用脉冲触发方式。惯性测量装置和外测差分GPS系统均通过串口与数据采集系统进行通信，激光惯组输出频率为100Hz，外测差分GPS系统输出频率为20Hz。在接收每桢信息时作帧头判断处理，每当判断出帧头时即时读取由计数器产生的基准时间并将其附加到每帧信息中，如图4、5所示。遮光板光电组件的输出为脉冲方式时，当数据采集系统有脉冲信息时，就直接读取数据采集系统计数器中的时刻值。

在上述基准时间的基础上对测量数据进行同步处理：数据采集系统将基准时间的时刻值插入到惯性测量装置、差分GPS系统和遮光板光电组件的每桢测量数据中，使得惯性测量装置、差分GPS系统和遮光板光电组件的每桢测量数据都对准到基准时间上，如图6所示。由于惯性测量装置的输出数据为载体的角速度和视加速度信息，为了与外测信息(包括位置和速度信息)进行比较，需要通过导航算法把惯性测量装置的输出不仅包含角速度和加速度信息，还包括速度和位置信息。对插入基准时间的惯性测量装置测量数据进行导航处理，可以得到惯性测量装置本体连续的速度和位置信息，再将惯性测量装置经过导航处理后的速度和位置信息同步到差分GPS和遮光板外测时刻上，结合图7说明具体同步方法如下：图中实线为惯性测量装置的测量数据经过导航处理后得到的连续位置信息，离散的点为差分GPS系统或遮光板光电组件测量得到的离散位置信息。

设惯性测量装置的采样周期为△T＝T₂-T₁，外测差分GPS系统或遮光板光电组件的测量时刻T_i精确到T_s(取决于晶振的精度以及采样脉冲电路的响应精度)，由于T₂和T₁时刻的导航位置信息S(T₂)和S(T_i)已知，所以在将导航位置信息对应到外测差分GPS系统的测量时刻时，必须先对导航位置信息进行离散化处理，才能求得T_i时刻的测量值S(T_i)。离散化方程如下所示。

$S\left(T_i\right)=S\left(T_1\right)+\frac{T_i-T_1}{T_2-T_1}[S\left(T_2\right)-S\left(T_1\right)]$

通过上述方程，即可得到惯性测量装置的测量数据经过导航后的连续数据在相应外测系统测量时刻上的离散值，也就实现了惯性测量装置的测量数据与外测差分GPS系统和外侧遮光板光电组件测量数据的时间同步。

本发明未公开的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种基于时间同步的火箭橇试验测量系统，其特征在于：包括惯性测量装置、差分GPS系统、遮光板光电组件、数据采集系统和时间同步单元，时间同步单元由晶振和计数器组成，数据采集系统同时采集惯性测量装置、差分GPS系统和遮光板光电组件的测量数据，晶振产生频率大于1MHz的时钟信号，计数器对晶振产生的时钟信号进行计数作为数据采集系统的基准时间，数据采集系统根据基准时间对采集到的测量数据进行同步处理； 

所述数据采集系统根据基准时间对测量数据进行同步处理的方法为： 

(1)数据采集系统将基准时间的时刻值插入到惯性测量装置、差分GPS系统和遮光板光电组件的每帧测量数据中，使惯性测量装置、差分GPS系统和遮光板光电组件的每帧测量数据对准到基准时间上； 

(2)对插入基准时间的惯性测量装置测量数据进行导航处理，得到惯性测量装置连续的速度和位置信息； 

(3)设惯性测量装置的采样周期为ΔT＝T₂-T₁，差分GPS系统或遮光板光电组件的测量时刻为T_i，T_i介于T₁和T₂之间，利用离散化方程 对惯性测量装置连续的位置信息进行离散化处理，得到惯性测量装置连续的位置信息在差分GPS系统或遮光板光电组件相应测量时刻上的离散值，其中S(T₁)和S(T₂)分别为T₁和T₂时刻惯性测量装置的位置信息，S(T_i)为T_i时刻惯性测量装置的位置信息； 

(4)完成惯性测量装置测量数据与差分GPS系统、遮光板组件测量数据的时间同步。