gpsins組合導航系統(tǒng)中數(shù)據(jù)實時同步的實現(xiàn)

gpsins組合導航系統(tǒng)中數(shù)據(jù)實時同步的實現(xiàn)

隨著科學技術的快速發(fā)展，它現(xiàn)在廣泛應用于各種導航系統(tǒng)的航空、航空航天、導航和地面交通工具，但它們都有各自的優(yōu)缺點。如果能以適當?shù)姆椒▽煞N或幾種導航系統(tǒng)組合起來使其優(yōu)勢互補,成為一個組合系統(tǒng),必定可以提高系統(tǒng)的整體導航精度及導航性能。GPS/INS組合導航系統(tǒng)就是一種既保持了INS(慣性導航系統(tǒng))的自主性、隱蔽性及信息全面、頻帶寬等特有優(yōu)點,又克服了其導航誤差隨時間累積等缺點的理想組合系統(tǒng)。在對多傳感器組成的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)融合處理時,要求在融合中心進行處理的數(shù)據(jù)信息必須是同一時刻的,這樣才能計算出目標的正確狀態(tài)。但是,在GPS/INS組合導航系統(tǒng)的實際應用中,兩個子系統(tǒng)送往融合中心(卡爾曼濾波器)處理的數(shù)據(jù)往往并不來自于同一時刻,如果對這兩路導航數(shù)據(jù)不進行同步處理就直接進行融合運算,則會由于不同步誤差的存在而使組合系統(tǒng)導航精度下降。所以,要使GPS/INS組合導航系統(tǒng)的設計具有實際意義,必須解決其兩個子系統(tǒng)之間的實時數(shù)據(jù)同步問題。1gps與驗算時間同步差若GPS/INS組合導航系統(tǒng)采用位置、速度組合模式,其狀態(tài)方程和量測方程為:˙X(t)=F(t)X(t)+G(t)W(t)(1)Ζ(t)=YΙΝS(t)-YGΡS(t)=Η(t)X(t)+V(t)(2)X˙(t)=F(t)X(t)+G(t)W(t)(1)Z(t)=YINS(t)?YGPS(t)=H(t)X(t)+V(t)(2)當GPS接收機和INS各自采用獨立的時鐘頻率標準時,由于其頻標的穩(wěn)定性以及溫度特性存在一定的差異,即使GPS和INS同時啟動,其數(shù)據(jù)之間也會存在時標差并且隨系統(tǒng)工作時間的遞增而累積。另外,GPS和INS通常都具有不同的數(shù)據(jù)更新頻率(一般情況下,GPS接收機的數(shù)據(jù)更新頻率為1Hz,INS的數(shù)據(jù)更新頻率則可達到100Hz以上),并且各自存在不同的通信延遲等,這些因素都會導致卡爾曼濾波器在融合時間點上所處理GPS和INS的數(shù)據(jù)不同步。假設GPS與INS之間的數(shù)據(jù)時間同步差為Δt,則受時間同步差Δt影響的量測方程為:Ζ(t)=YΙΝS(t+Δt)-YGΡS(t)(3)Z(t)=YINS(t+Δt)?YGPS(t)(3)在t時刻作一階泰勒展開,量測方程為:Ζ(t)=Η(t)X(t)+V(t)+ξ(t)(4)Z(t)=H(t)X(t)+V(t)+ξ(t)(4)式中,ξ(t)≈˙YΙΝS(t)Δt,可視為數(shù)據(jù)時間同步差Δt對系統(tǒng)引入的量測噪聲?？柭鼮V波要求系統(tǒng)的驅(qū)動噪聲和量測噪聲都必須是白噪聲,但當ξ(t)不滿足白噪聲的條件時,就會給系統(tǒng)引入額外的估計誤差,從而影響系統(tǒng)的導航精度。因而,GPS/INS組合導航系統(tǒng)要消除數(shù)據(jù)時間同步差Δt對整個系統(tǒng)精度的影響,必須將兩路數(shù)據(jù)在同一時刻配準。2在線國際時間參照系當GPS/INS采用軟件模式進行組合時,GPS接收機和INS一般通過RS-232或RS-422接口輸出各自的NMEA-0183格式導航數(shù)據(jù)包。GPS的導航數(shù)據(jù)包不僅包含有緯度、經(jīng)度、海拔高度等當前位置信息,還包含當前位置所對應的UTC時間信息。INS的導航數(shù)據(jù)包也包含有姿態(tài)角速率和位置加速度等導航信息,但所包含的時間信息并非UTC這一國際標準時間,這是因為INS沒有統(tǒng)一的時間參照系,每種INS產(chǎn)品內(nèi)部的時鐘頻率標準都是生產(chǎn)廠家自定的。所以,針對GPS/INS組合導航系統(tǒng)的兩個子系統(tǒng)各自使用不同的時鐘頻率標準的問題,若要將它們的數(shù)據(jù)在同一時刻配準,必須先將其統(tǒng)一到一個公共的時間參照系中。由于卡爾曼濾波一般都是通過計算機來完成,所以不妨以計算機所使用的當?shù)貢r間作為兩個子系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的公共時間參照系。另外,兩個子系統(tǒng)在完成測量并更新數(shù)據(jù)后要通過串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C,計算機在接收到數(shù)據(jù)后,還要先對其進行預處理(如對INS輸出的姿態(tài)角速率進行積分才能得到載體姿態(tài)角的信息)才會開始濾波運算;由于數(shù)據(jù)傳輸和預處理都要花費時間,GPS/INS組合系統(tǒng)在作數(shù)據(jù)同步時,需要同步的數(shù)據(jù)所對應的時刻是其更新時刻,而不是計算機對其進行濾波的時刻。2.1gps/in時間壓縮設GPS接收機的數(shù)據(jù)更新周期為TGPS,INS的數(shù)據(jù)更新周期為TINS,卡爾曼濾波的濾波周期為T,并且TGPS和TINS滿足比例關系:TGPS=NTINS(N為正整數(shù))。在第k個融合時間段(tk-1,tk]內(nèi),GPS接收機數(shù)據(jù)更新一次,更新時刻為tkG;INS數(shù)據(jù)更新N次,更新時刻為tkΙ(i)(i=1,2,…,N);計算機接收到GPS接收機和INS數(shù)據(jù)包首字節(jié)的時刻分別為ˉtjG和ˉtjΙ(i)(i=1,2,?,Ν),開始濾波的時刻為tk。另設GPS接收機和INS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C的通信延遲分別為ΔtkG和ΔtkΙ,則有:tkG+ΔtkG=ˉtkG(5)tkΙ+ΔtkΙ=ˉtkΙ(6)由前述可知,GPS/INS組合導航系統(tǒng)在作數(shù)據(jù)同步時,需要同步的數(shù)據(jù)所對應的時刻是數(shù)據(jù)更新時刻,而不是加上通信延遲的計算機接收時刻。由于在通常情況下,ΔtkG和ΔtkΙ大致相等,所以若把GPS接收機數(shù)據(jù)更新的時刻作為同步的標準時刻,則在融合時間段(tk-1,tk]內(nèi),GPS接收機和INS的數(shù)據(jù)同步時間差Δtk為:Δtk=tkΙ(Ν)-tkG≈ˉtkΙ(Ν)-ˉtkG=Δτk(Ν)(7)另有:Τ=ΤGΡS(8)在某個融合時間段,只要得到計算機接收兩路導航數(shù)據(jù)的時間差Δτ(i)(i=1,2,…,N),就可以近似得到數(shù)據(jù)更新同步時間差Δt。顯然,要得到某個融合時間段的Δτ(i)(i=1,2,…,N),則只需要分別獲得計算機在此時間段內(nèi)接收到GPS接收機和INS數(shù)據(jù)包首字節(jié)的時刻ˉtG和ˉtΙ(i)(i=1?2???Ν),即給計算機接收到的兩路導航數(shù)據(jù)打上到達時的時間戳。對于一個實際的GPS/INS車載導航系統(tǒng)而言,假定要求其滿足的導航定位精度為10cm,又若車輛以120km/h的速度行駛,則系統(tǒng)的時間同步誤差必須小于3ms,也即要求得到的計算機系統(tǒng)時間達到ms級。在VisualC++中,可通過使用GetSystemTime()這個API函數(shù)來得到系統(tǒng)精確到ms的時間。2.2利用20d來創(chuàng)造新的獨立的原理若已經(jīng)得到了GPS接收機和INS在某個融合時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)同步時間差Δt,那么根據(jù)Δt,經(jīng)過插值運算即可獲得INS在相應同步時刻(GPS數(shù)據(jù)更新時刻)的值,這樣就獲得了組合系統(tǒng)在相應同步時刻的虛擬量測數(shù)據(jù)。插值的方法有多種,最為典型是拉格朗日三點插值法,其原理如下。假設在某個融合時間段內(nèi),INS數(shù)據(jù)更新時刻tI(N-2)、tI(N-1)、tI(N)的測量值分別為YINS[tI(N-2)]、YINS[tI(N-1)]、YINS[tI(N)],由于插值點時間為GPS接收機數(shù)據(jù)更新時刻tG,則運用拉格朗日三點插值法計算出INS在tG時刻的虛擬測量值為:YΙΝS(tG)=YΙΝS[tΙ(Ν-2)]L2+YΙΝS[tΙ(Ν-1)]L1+YΙΝS[tΙ(Ν)]L0(9)其中,L0=[tG-tΙ(Ν-2)][tG-tΙ(Ν-1)][tΙ(Ν)-tΙ(Ν-2)][tΙ(Ν)-tΙ(Ν-1)],L1=[tG-tΙ(Ν-2)][tG-tΙ(Ν)][tΙ(Ν-1)-tΙ(Ν-2)][tΙ(Ν-1)-tΙ(Ν)]?L2=[tG-tΙ(Ν-1)][tG-tΙ(Ν)][tΙ(Ν-2)-tΙ(Ν-1)][tΙ(Ν-2)-tΙ(Ν)]。3步處和已進行數(shù)據(jù)同步處理時的慣導濾波估計誤差比較為驗證以上方法的可行性,本文設計了一個簡便的GPS/INS組合導航系統(tǒng)。在實驗中,GPS接收機和INS采用集中卡爾曼濾波進行組合,各自的數(shù)據(jù)更新頻率分別為1Hz和20Hz,圖1為兩個子系統(tǒng)在未進行數(shù)據(jù)同步處理和已進行數(shù)據(jù)同步處理兩種情況下的慣導濾波估計誤差(?δL、?δλ、?δVE、?δVΝ)的比較。圖中,虛線表示兩個子系統(tǒng)導航數(shù)據(jù)未進行同步時的慣導濾波估計誤差,實線則表示兩個子系統(tǒng)導航數(shù)據(jù)已進行同步時的慣導濾波估計誤差。可以看出,與兩個子系統(tǒng)未進行數(shù)據(jù)同步處理的融