專利名稱：一種基于時間同步的火箭橇試驗測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種火箭橇試驗測量系統，尤其涉及一種基于時間同步的火箭橇試驗測量系統，屬于火箭橇試驗技術領域。
背景技術：
目前，國內主要利用慣性測量裝置、外測差分GPS系統、外測遮光板組件和數據采集記錄系統組成測量系統開展火箭橇試驗的功能驗證和誤差模型考核。慣性測量裝置主要測量自身元件所敏感的角速度和線加速度，其測量的精度由更高精度的差分GPS系統和遮光板光電組件進行考察，數據采集記錄系統主要將慣性測量裝置、外測差分GPS系統、夕卜測遮光板組件的測量數據實時記錄并保存下來。由于慣性測量裝置、外測差分GPS系統和外測遮光板組件的數據都是單獨產生并傳輸到記錄數據采集系統中，數據之間沒有時間關聯。如果不進行處理而直接存儲，將無法將外測差分GPS系統和外測遮光板組件的數據對 應到慣性測量裝置的數據上，也就無法進行后續數據處理，因此有必要將各部分數據進行時間同步處理。在火箭橇試驗中，慣性測量裝置的輸出為脈沖計數方式或串行通信方式，高精度差分GPS外測的輸出采用串行通信方式，遮光板光電組件采用脈沖觸發方式。對火箭橇試驗數據的處理主要是通過人工找到大過載段數據，然后再進行數據對齊，一般數據采集時間可達幾十分鐘或數小時，而有用時間僅幾十秒，工作量大，對準精度比較低，而隨著火箭橇試驗測量設備越來越多，時間同步問題越來越突出，對時間同步要求的精度也越來越高，因此需要對現有的測量系統進行改進以滿足對火箭橇試驗數據的時間同步處理。
發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種基于時間同步的火箭橇試驗測量系統，該系統組成簡單、時間同步精度高，解決了火箭橇試驗測量數據的時間同步問題。本發明的技術解決方案一種基于時間同步的火箭橇試驗測量系統，包括慣性測量裝置、差分GPS系統、遮光板組件、數據采集系統和時間同步單元，時間同步單元由晶振和計數器組成，數據采集記錄系統同時采集慣性測量裝置、差分GPS系統和遮光板光電組件的測量數據，晶振產生頻率大于IMHz的時鐘信號，計數器對晶振產生的時鐘信號進行計數作為數據采集記錄系統的基準時間，數據采集系統根據基準時間對采集到的測量數據進行同步處理。所述數據采集系統根據基準時間對測量數據進行同步處理的方法為(I)數據采集系統將基準時間的時刻值插入到慣性測量裝置、差分GPS系統和遮光板光電組件的每楨測量數據中，使慣性測量裝置、差分GPS系統和遮光板光電組件的每楨測量數據對準到基準時間上；(2)對插入基準時間的慣性測量裝置測量數據進行導航處理，得到慣性測量裝置連續的速度和位置信息；(3)設慣性測量裝置的采樣周期為Λ T = T2-T1，差分GPS系統或遮光板光電組件
的測量時刻為T1, T1介于T1和T2之間，利用離散化方程艱)=艱[難2)-難I)]
對慣性測量裝置連續的位置信息進行離散化處理，得到慣性測量裝置連續的位置信息在差分GPS系統或遮光板光電組件相應測量時刻上的離散值，其中S(T1)和S(T2)分別為T1和T2時刻慣性測量裝置的位置信息，S(Ti)為Ti時刻慣性測量裝置的位置信息；(4)完成慣性測量裝置測量數據與差分GPS系統、遮光板組件測量數據的時間同
止/J/ O本發明與現有技術相比的優點如下·(I)本發明的系統組成簡單，在原有測量系統中增加了時間同步單元，可以直接將時間同步信息加入到慣性測量裝置、外測差分GPS系統和外測遮光板組件的測量數據中，由于計數器產生的計數值連續單調并且唯一，因此每一幀數據都含有時間同步的信息，比較慣性測量裝置與外測差分GPS系統和外測遮光板組件之間輸出數據的時間同步信息即可實現同步。(2)本發明時間同步精度高，因為時間同步信息是直接從硬件地址中讀取，速度快、效率高。同時，可以選用高精度的晶振作為頻標基準，本發明中選用的晶振分頻精度優于3ppm，對于火箭橇試驗短時間的數據量來說，同步精度可以控制在Ims以內。本發明也可應用于解決慣性組合導航、制導與控制中不同設備的時間同步問題。
圖I為本發明的系統組成原理圖；圖2為本發明時間同步單元的組成原理圖；圖3為字節寬度為3時的計數器輸出曲線圖；圖4為在測量數據中增加基準時間的實現流程圖；圖5為增加基準時間前后的測量數據格式；圖6為利用基準時間進彳丁時間對齊的原理圖；圖7為本發明的時間同步原理圖。
具體實施例方式本發明是一種基于時間同步的火箭橇試驗測量系統，包括慣性測量裝置、差分GPS系統、遮光板組件、數據采集系統和時間同步單元，時間同步單元由晶振和計數器組成，各設備的連接如圖I所示，數據采集記錄系統同時采集慣性測量裝置、差分GPS系統和遮光板光電組件的測量數據，晶振產生頻率大于IMHz的時鐘信號，計數器對晶振產生的時鐘信號進行計數作為數據采集記錄系統的基準時間，實現在慣性測量系統火箭橇試驗中把慣性測量裝置的遙測數據和高精度外測數據進行時刻對準，數據采集系統根據基準時間對采集到的測量數據進行同步處理。如圖2所示，數據采集系統以嵌入式計算機為平臺并搭載QNX操作系統實現對數據的實時采集和存儲，在此基礎上利用FPGA設計了計數器并通過ISA總線和嵌入式計算機進行數據通信。計數器選用高精度晶振作為頻標基礎，晶振分頻精度優于3ppm，對于火箭橇試驗短時間的數據量來說，同步精度可以控制在Ims以內。分頻后計數器每Ims輸出一次計數值并存放于FPGA模塊的地址fifo中供嵌入式計算機讀取。火箭橇試驗時間一般僅為十幾秒，若分配3個字節寬度存儲計數值，可實現連續計數時間為4s，即可滿足火箭橇試驗時間對準，圖3為字節寬度為3時的計數器輸出情況。在火箭橇試驗中，慣性測量裝置的輸出為脈沖計數方式或串行通信方式，高精度差分GPS外測的輸出采用串行通信方式，遮光板光電組件采用脈沖觸發方式。慣性測量裝置和外測差分GPS系統均通過串口與數據采集系統進行通信，激光慣組輸出頻率為100Hz，外測差分GPS系統輸出頻率為20Hz。在接收每楨信息時作幀頭判斷處理，每當判斷出幀頭時即時讀取由計數器產生的基準時間并將其附加到每幀信息中，如圖4、5所示。遮光板光電組件的輸出為脈沖方式時，當數據采集系統有脈沖信息時，就直接讀取數據采集系統計數器中的時刻值。 在上述基準時間的基礎上對測量數據進行同步處理數據采集系統將基準時間的時刻值插入到慣性測量裝置、差分GPS系統和遮光板光電組件的每楨測量數據中，使得慣性測量裝置、差分GPS系統和遮光板光電組件的每楨測量數據都對準到基準時間上，如圖6所示。由于慣性測量裝置的輸出數據為載體的角速度和視加速度信息，為了與外測信息(包括位置和速度信息)進行比較，需要通過導航算法把慣性測量裝置的輸出不僅包含角速度和加速度信息，還包括速度和位置信息。對插入基準時間的慣性測量裝置測量數據進行導航處理，可以得到慣性測量裝置本體連續的速度和位置信息，再將慣性測量裝置經過導航處理后的速度和位置信息同步到差分GPS和遮光板外測時刻上，結合圖7說明具體同步方法如下圖中實線為慣性測量裝置的測量數據經過導航處理后得到的連續位置信息，離散的點為差分GPS系統或遮光板光電組件測量得到的離散位置信息。設慣性測量裝置的采樣周期為Λ T = T2-T1，外測差分GPS系統或遮光板光電組件的測量時刻Ti精確到Ts(取決于晶振的精度以及采樣脈沖電路的響應精度)，由于T2和T1時刻的導航位置信息s (T2)和S (Ti)已知，所以在將導航位置信息對應到外測差分GPS系統的測量時刻時，必須先對導航位置信息進行離散化處理，才能求得Ti時刻的測量值S(Ti)。離散化方程如下所示。
權利要求
1.一種基于時間同步的火箭橇試驗測量系統，其特征在于包括慣性測量裝置、差分GPS系統、遮光板組件、數據采集系統和時間同步單元，時間同步單元由晶振和計數器組成，數據采集記錄系統同時采集慣性測量裝置、差分GPS系統和遮光板光電組件的測量數據，晶振產生頻率大于IMHz的時鐘信號，計數器對晶振產生的時鐘信號進行計數作為數據采集記錄系統的基準時間，數據采集系統根據基準時間對采集到的測量數據進行同步處理。
2.根據權利要求I所述的一種基于時間同步的火箭橇試驗測量系統，其特征在于所述數據采集系統根據基準時間對測量數據進行同步處理的方法為 (1)數據采集系統將基準時間的時刻值插入到慣性測量裝置、差分GPS系統和遮光板光電組件的每楨測量數據中，使慣性測量裝置、差分GPS系統和遮光板光電組件的每楨測量數據對準到基準時間上； (2)對插入基準時間的慣性測量裝置測量數據進行導航處理，得到慣性測量裝置連續的速度和位置信息； (3)設慣性測量裝置的采樣周期為ΛT = T2-T1,差分GPS系統或遮光板光電組件的測量時刻為Ti,Ti介于TJPT2之間，利用離散化方程沖)=難[難2)-難)]對慣性*2 —測量裝置連續的位置信息進行離散化處理，得到慣性測量裝置連續的位置信息在差分GPS系統或遮光板光電組件相應測量時刻上的離散值，其中S(T1)和S(T2)分別為T1和T2時刻慣性測量裝置的位置信息，S(T1)為Ti時刻慣性測量裝置的位置信息； (4)完成慣性測量裝置測量數據與差分GPS系統、遮光板組件測量數據的時間同步。
全文摘要
本發明公開了一種基于時間同步的火箭橇試驗測量系統，數據采集記錄系統同時采集慣性測量裝置、差分GPS系統和遮光板光電組件的測量數據，晶振產生頻率大于1MHz的時鐘信號，計數器對晶振產生的時鐘信號進行計數作為數據采集記錄系統的基準時間，數據采集系統根據基準時間對采集到的測量數據進行同步處理。本發明的系統組成簡單，時間同步精度高，通過在原有測量系統中增加了時間同步單元，直接將時間同步信息加入到慣性測量裝置、外測差分GPS系統和外測遮光板組件的測量數據中，通過比較慣性測量裝置與外測差分GPS系統和外測遮光板組件之間輸出數據的時間同步信息即可實現同步。
文檔編號G01C25/00GK102901517SQ20121037849
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者魏宗康, 劉建波, 常新, 段宇鵬, 劉生炳, 張曉玲, 張笑楠 申請人:北京航天控制儀器研究所