一種激光陀螺位置姿態系統時間同步方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種激光陀螺位置姿態系統（Position and Orientation System, POS)時間同步方法，可以應用于激光陀螺POS，也可以應用于激光陀螺慣性/衛星組合導航 系統（INS/GNSS)的時間同步。
【背景技術】
[0002] 高分辨率航空遙感系統中，制約遙感系統成像分辨率的一個主要因素是POS測量 精度。POS為遙感載荷提供位置姿態基準，同時為慣性穩定平臺提供精確的指向。無論對于 高分辨率光學相機，還是機載三維成像激光雷達，POS是提高成像分辨率的關鍵，已成為制 約我國高分辨率遙感系統發展的技術瓶頸。POS為多傳感器組合測量系統，不同采樣時刻的 數據不能直接進行數據融合，時間同步成為多傳感器組合導航系統的關鍵技術，直接關系 到 POS系統功能的實現及性能的提高。
[0003] 傳統的位置姿態系統時間同步方法（專利申請號I :200710099611. 6,專利申請號 2 :200710119971. 8)，通過利用GPS秒脈沖對I MU、PCS計數器進行重置或以GPS秒脈沖為 基準生成時間同步脈沖實現系統的時間同步，沒有解決因系統時鐘源頻率偏移引起的系統 同步誤差，以及因為時鐘修正引起的濾波器振蕩問題；中國專利申請201010623900. 3所述 的一種位置和姿態測量系統的軟件時間同步方法，其基本思路在于慣性測量單元（IMU)完 成數據采集后，測量GNSS秒脈沖與頂U數據之間的時間差，然后通過數據內插等處理方法 實現不同傳感器數據時間的同步。該類方法對于IMU時鐘漂移和IMU濾波器模型與真實數 據不匹配的問題無能為力。將GNSS秒脈沖引入到頂U系統中，以GNSS秒脈沖為基準一次 性同步頂U數據采集序列的硬件同步方法雖然可以消除頂U濾波器模型與真實數據不匹配 的問題，但會引起修正時刻濾波器輸出振蕩，嚴重影響激光陀螺POS精度。因此，上述傳統 的時間同步方法都不能完成激光陀螺POS時間同步。
【發明內容】
[0004] 本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種激光陀螺位置姿態系 統時間同步方法，從而實現激光陀螺POS時間同步。
[0005] 本發明的技術解決方案是：一種激光陀螺位置姿態系統時間同步方法，其特征在 于首先根據POS應用環境和激光陀螺、加速度計工作范圍確定激光陀螺和加速度計數據一 次額定修正采樣時間，然后利用GNSS秒脈沖（Pulse Per Second，PPS)信號標定頂U和導航 計算機（POS Computer System，PCS)時鐘源，然后確定頂U采樣周期修正次數M及每次修正 的工作周期數K，并對頂U進行M次時鐘修正，每次將激光陀螺和加速度計采樣周期變化K 個周期數，并將PCS計時時間同步到PPS信號，具體步驟如下：
[0006] (1)根據POS所使用的激光陀螺和加速度計精度及POS應用環境下的激光陀螺和 加速度計工作范圍，確定不影響陀螺和加速度計精度情況下陀螺和加速度計數據采樣周期 一次額定修正時間。
[0007] ⑵GNSS信號捕獲后，PPS信號開始輸出，根據相鄰兩個PPS信號時間間隔，在線標 定IMU和PCS的時鐘源工作頻率，得到IMU和PCS時鐘源實際工作頻率。
[0008] (3)根據激光陀螺和加速度計數據采樣周期一次額定修正時間和標定得到的頂U 時鐘源工作頻率，確定MU采樣周期修正次數M及每次修正的工作周期數K。
[0009] (4)對頂U陀螺和加速度計數據采樣周期進行M次時鐘修正，每次將陀螺和加速度 計數據采樣周期變化K個周期數。
[0010] (5)根據PCS時鐘源實際工作頻率，在每次GNSS秒脈沖信號到來時，將PCS計數器 置零，并將計數器大小設置為PCS時鐘實際工作頻率大小，使PCS時間同步到GNSS時間。
[0011] 其中確定不影響陀螺和加速度計精度情況下激光陀螺和加速度計一次額定修正 數據采樣時間方法如下：
[0013] 其中，Λ T為激光陀螺和加速度計一次額定修正數據采樣時間，Gniax為激光陀螺應 用環境下額定輸出，Gpi^ slcin為激光陀螺精度；Α_為加速度計應用環境下額定輸出，Api^slcin 為加速度計精度。
[0014] 其中確定頂U采樣周期修正次數M及每次修正的工作周期數K方法如下：
[0015] 首先，確定時鐘源實際工作頻率較時鐘源標稱工作頻率1秒鐘時間內時間偏移值 如下：
[0017] 其中，F1為時鐘源實際工作頻率，F。為時鐘源標稱工作頻率，fs為激光陀螺和加速 度計采樣頻率。
[0018] 判斷Λ t與Λ T關系，如果I Λ 11 < I Λ T I，頂U采樣周期修正次數M及修正工作 周期數K如下：
[0019] M=I
[0020] K = Δ t · F1
[0021] 如果I Λ 11 > I Λ T I，頂U采樣周期修正次數M及修正工作周期數K如下：
[0024] 對陀螺和加速度計數據采樣周期Ts進行M次時鐘修正，每次將陀螺和加速度計數 據采樣周期變化K個周期數：
[0025] Ts = Q+S · Nc · K
[0026] 其中^
N。為修正次數，取值范圍為1到M ;Q為采樣周期修正前一 個采樣周期時間長度為：
[0027] Q = F0 · T0
[0028] 其中，F。為時鐘源工作頻率標稱值，T。為采樣周期標稱值。
[0029] 本發明的原理是：衛星導航系統在捕獲衛星信號后，輸出的秒脈沖信號間隔為精 確的一秒鐘，利用PPS信號標定慣性測量單元和POS導航計算機時鐘源，獲得時鐘源實際工 作頻率。根據激光陀螺位置姿態系統所使用的激光陀螺和加速度計精度及POS應用環境下 的激光陀螺和加速度計工作范
[0030] 圍，確定不影響陀螺和加速度計精度情況下陀螺和加速度計數據采樣周期一次額 定修正時間，以保證在進行時間同步時不會導致陀螺和加速度計精度降低。根據陀螺和加 速度計數據采樣周期一次額定修正時間和標定得到頂U時鐘源工作頻率，確定頂U采樣周 期修正次數及每次修正的工作周期數，并進行修正，以確保頂U中采用的陀螺和加速度計 數據濾波器模型采樣頻率與實際陀螺和加速度計數據采樣頻率保持一致，提高濾波效果。 將PCS計時時間同步到PPS信號，避免PCS計時因 PCS時鐘源的頻漂引起誤差，提高同步精 度。
[0031] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0032] (1)本發明將IMU中激光陀螺和加速度計數據采集時刻與GNSS秒脈沖進行同步， 將PCS計時時間同步到GNSS秒脈沖，降低了系統時鐘源時鐘漂移對時間同步精度的影響。
[0033] (2)本發明采用漸進修正的方式進行陀螺和加速度計采樣周期修正，消除了因采 樣周期修正過大引起激光陀螺和加速度計精度降低及激光陀螺和加速度計濾波器振蕩的 問題，并使激光陀螺和加速度計數據濾波器模型的采樣頻率與實際激光陀螺和加速度計數 據采樣頻率保持一致，提高了濾波效果。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發明的時鐘同步流程圖；
[0035] 圖2為時鐘源工作頻率標定圖；
[0036] 圖3為激光陀螺和加速度計采樣周期修正圖；
[0037] 圖4為PCS計時時間同步圖。
【具體實施方式】
[0038] 本實施例中位置姿態系統由激光陀螺頂U、GPS、POS計算機組成，頂U時鐘源 額定頻率300MHz，實際工作頻率299. 9MHz，PCS時鐘源額定頻率300MHz，實際工作頻率 299. 9MHz，激光陀螺精度0. 0Γ /h，額定輸出300° /s，加速度計精度10ug，額定輸出10g， 設置激光