GPS/INS组合导航系统时间同步方法综述

liyf

第３７卷　第１期
２０１２年２月　　　　　　　　　　　
全球定位系统
ＧＮＳＳ　Ｗｏｒｌｄ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１
Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１２
ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导航系统时间同步方法综述①
刘　帅，孙付平，陈　坡，李海峰
（信息工程大学测绘学院，河南郑州４５００５２）
　　摘　要：导航传感器间的时间同步是保证全球定位系统／惯性导航系统（ＧＰＳ／ＩＮＳ）组合
导航系统实现的重要前提。详细分析了时间异步产生的原因，归纳了ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导航时
间同步的实现思路，阐述了现有的典型时间同步方法。为ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导航系统时间同步
设计提供重要参考。
关键词：ＧＰＳ；ＩＮＳ；组合导航；时间同步
中图分类号：Ｐ２２８．４　　　　文献标志码：Ａ
文章编号：１００８－９２６８（２０１２）０１－００５３－０４
０　引　言
ＧＰＳ具有定位精度高、误差不随时间积累等
优点，而且，用载波相位观测值时，其定位精度可以
达到厘米级，但是，ＧＰＳ也存在着信号容易受到遮
挡或干扰、数据更新率低、缺少姿态信息输出等缺
点；相比较而言，惯性导航系统（ＩＮＳ）是一种完全
自主的导航系统，其拥有高数据更新率，并具备姿
态信息输出，但是由于陀螺误差漂移的存在，即使
高精度的ＩＮＳ也面临误差随着导航时间延长而不
断累积的问题。由于ＧＰＳ和ＩＮＳ之间存在良好的
互补特性，ＧＰＳ和ＩＮＳ的组合将能克服各自的缺
点、体现组合优势。
ＧＰＳ和ＩＮＳ组合导航包含各自导航信息的融
合，而导航信息融合的重要前提是不同导航传感器
所获取的导航信息在空间和时间上统一。导航传
感器的空间统一是指测量出ＧＰＳ和ＩＮＳ之间的坐
标差值，并在导航信息的融合时加以转换改正，相
对较易实现。而导航传感器的时间统一或者说时
间同步则相对复杂。若不考虑ＧＰＳ和ＩＮＳ这两种
导航传感器间的时间偏差，将不同时间点上所获取
的导航信息进行融合会给滤波结果带来误差，甚至
产生错误的导航结果。因此，时间同步是ＧＰＳ／
ＩＮＳ组合导航系统设计的基础。鉴于时间同步对
组合导航的重要性，许多学者对ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导
航系统时间延迟的影响、时间同步的方法进行了研
究。根据现有的相关研究资料，着重分析了时间不
同步产生的原因，归纳了组合导航时间同步的实现
思路，并阐述了现今典型的时间同步方法。
１　时间异步原因
１）时间起点和基准不一致。ＧＰＳ和ＩＮＳ是
两个独立的系统，对应着不同的时间系统，各自的
时间起点和基准均不一致。ＧＰＳ接收机时间对应
于ＧＰＳ时，其起点是１９８０年１月６日零时；ＩＮＳ
使用其内部控制电路中的计时器，通常每次ＩＮＳ
开机后该计时器从零开始计时。ＧＰＳ以原子时秒
长作为自身秒长，能够保证时间间隔的高稳定性；
ＩＮＳ是依靠内部晶振频率作为计时基准，相对
ＧＰＳ时钟其频率并不稳定，易发生漂移。由上可
知，ＩＮＳ和ＧＰＳ的时间起点不一致，基准也不同。
２）数据采样点不一致。ＧＰＳ接收机和ＩＮＳ
的采样率或者说数据更新率是不同的，ＩＮＳ能够达
到２００Ｈｚ或更高的数据更新率；ＧＰＳ接收机的数
据更新率通常为１Ｈｚ．ＧＰＳ接收机能够严格在整
秒进行测量采样，但ＩＮＳ并不能保证恰好也在整
秒时刻进行测量采样，这会导致当把卡尔曼滤波时
刻选择在ＧＰＳ整秒时刻时，此时虽有ＧＰＳ测量
值，但由于采样点的差异未必有ＩＮＳ测量值。
３）电路时延。ＧＰＳ导航信息和ＩＮＳ数据存
①收稿日期：２０１１－１１－０６
　联系人：刘帅Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｓｈｕａｉ－０１１５＠１６３．ｃｏｍ
在着输出时延，具体体现在：ＧＰＳ接收机和ＩＮＳ的
内部时延（测量、采样、模数转换等产生的时延）、
ＧＰＳ接收机和ＩＮＳ的导航信息传输到组合导航信
息融合滤波器过程中的传输时延（串口时延等）、导
航信息处理过程中产生的时延、秒脉冲信号的不稳
定性及时延。
２　时间同步方法分析
在设计组合导航系统时应根据组合导航系统
的整体精度需求，确定时间同步的精度需求，继而
确定时间同步方法，以实现设计成本和系统精度的
协调。因此，需要明确时间不同步对组合导航性能
的影响量级，此方面内容具体可以参考文献［１］、
［２］、［３］、［４］、［１１］。理想的时间同步实现方法是
让ＧＰＳ与ＩＮＳ 使用同一个晶振来进行数据采
集［６］，但这很难实现，因为需要同时具备ＧＰＳ和
ＩＮＳ的底层开发能力。
通常的时间同步方法借助于ＧＰＳ接收机输出
的秒脉冲信号（１ＰＰＳ）。ＧＰＳ接收机输出的１ＰＰＳ
的上升沿与ＧＰＳ时的偏差通常小于１μｓ，对于授
时型接收机其偏差会小于１００ｎｓ．ＧＰＳ接收机严
格在１ＰＰＳ的上升沿进行一次伪距、伪距率、载波
相位等测量，可以看出１ＰＰＳ是代表ＧＰＳ接收机
测量时刻的一个稳定的信号，因此，可以借助ＧＰＳ
接收机输出的１ＰＰＳ作为参考来实现时间同步。
但考虑到ＧＰＳ接收机输出的１ＰＰＳ仅是一个能够
代表ＧＰＳ测量时刻的秒脉冲信号，并不包含绝对
的时间信息，因此，要达到绝对的时间同步还需要
利用ＧＰＳ接收机输出的ＮＥＭＡ０１８３格式导航数
据或是二进制格式导航数据所包含的绝对时间信
息。此外还需要从ＩＮＳ提供的接口上考虑时间同
步方法，如果ＩＮＳ不提供ＧＰＳ接收机信号或数据
的输入，则需要设计公用的时间同步模块。
３　典型时间同步方法
现有的典型组合导航时间同步方法可将其分
为三类：ＧＰＳ接收机１ＰＰＳ输入ＩＮＳ的时间同步
方法、ＧＰＳ接收机１ＰＰＳ输入公用时间同步模块
的时间同步方法和参数化方法。其中，参数化方法
是指将时间同步误差作为待估参数的一种方法，这
种方法需要将时间同步误差限定在一定的范围之
内，而且对于低精度的ＩＮＳ该方法未必能够估计
出来好的结果，重点研究前两种方法，关于参数化
方法可以参考文献［１］、［３］、［４］、［５］。
３．１　ＧＰＳ接收机１ＰＰＳ输入ＩＮＳ的时间同步
此处选取马云峰［６］的设计作为说明。该设计
利用ＧＰＳ接收机输出的１ＰＰＳ，结合ＣＰＬＤ产生
的时序实现ＩＮＳ和ＧＰＳ数据的同步采集。如图１
所示，其实现思路是将ＧＰＳ－ＯＥＭ 板输出的１ＰＰＳ
接入ＣＰＬＤ多通道数据采集控制电路，用它触发
硬件内部逻辑从而校准并初始化ＣＰＬＤ的内部定
时器，同时保证１ＰＰＳ到来时刻产生一个同步采样
脉冲，实现ＩＮＳ与ＧＰＳ数据在整秒时刻的同步。
可以把这种方法称之为在采样级别的同步，此方法
可以获得微秒级的时间同步精度。这种方法适用
于具备从底层进行组合导航系统开发的用户。有
些商用ＩＮＳ能够直接接收１ＰＰＳ并在其内部实现
如上所述的功能。
图１　ＣＰＬＤ多通道数据采集控制电路［７］
３．２　ＧＰＳ接收机１ＰＰＳ输入公用时间同步模块的
时间同步
当使用无外部脉冲输入接口的ＩＮＳ进行的组
合导航系统设计时可以使用此种时间同步方法，该
方法的核心思想是设计公用的时间同步模块，将１
ＰＰＳ和ＧＰＳ时间信息都输入到公用的时间同步模
块中来完成时间同步，如图２所示。Ｌｉ给出了一
种叫做高效同步系统（ＣＥＳＳ）的典型时间同步设
计［８］，其模块结构如图３所示。ＣＥＳＳ由３部分构
成：能够输出１ＰＰＳ的ＧＰＳ接收机、多功能数据采
集卡（ＤＡＱ　Ｃａｒｄ）和数据采集软件，ＧＰＳ接收机输
出的１ＰＰＳ作为时间参考并触发整个系统，其中多
功能数据采集卡由模拟信号输入／输出、计数器／计
时器和数字Ｉ／Ｏ线等组成，Ｌｉ使用了多种方法对
ＣＥＳＳ所能达到的同步精度进行评价，并得出所能
实现的时间同步精度是０．４ｍｓ．该方法引入了一
种使用ＤＡＱ　Ｃａｒｄ作为公用时间同步模块进行数
据采集的思路，只需选择合适的数据采集卡，根据
所采用的ＩＮＳ编写相应的数据采集软件即可。与
·５４· 全　球　定　位　系　统 第３７卷
此类似，张开东、朱志勤也是使用ＤＡＱ　Ｃａｒｄ实现
各自的时间同步方法［９－１０］。
Ｌｉ的方法要求输入ＤＡＱ　Ｃａｒｄ的ＩＮＳ信号须
是模拟信号，对模拟信号的处理要加入模数转换，
而大部分ＩＮＳ产品输出的是数字信号，Ｄｉｎｇ就针
对这种情况设计了如图４ 所示的时间同步方
法［１１］，该实现方法更具有一般性，其中组合平台既
可以是个人电脑也可以是嵌入式的处理器，Ｄｉｎｇ
假定ＧＰＳ接收机和ＩＮＳ都能够输出ＰＰＳ，当组合
平台检测到ＰＰＳ信息时将触发相应的寄存器，记
录下来当前计数器中的计数，通过寄存器中的计数
值可以计算出ＧＰＳ和ＩＮＳ的ＰＰＳ信号间的时间
差。但很多ＩＮＳ产品无ＰＰＳ输出，此时可以使用
ＩＮＳ的串口信号来触发寄存器。Ｄｉｎｇ对时间同步
的精度进行了详细的评价，当ＩＮＳ有ＰＰＳ输出时
能达到０．１ｍｓ，因为ＰＰＳ代表的正是测量时刻，其
时延量相当小，而若ＩＮＳ没有ＰＰＳ输出时，通过串
口数据来触发计时器会引入串口传输时延，因此，
其精度相对降低为２ｍｓ．此外，Ｌｉ、李倩设计了基
于ＦＰＧＡ的时间同步方法［１２－１３］，Ｘｕ设计了基于微
控制器辅助ＰＣ１０４的时间同步方法［１４］，可参考相
应的文献。
４　结　论
分析了ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导航时间异步产生的
原因，借助ＧＰＳ的１ＰＰＳ实现时间同步的基本思
路，对当今典型的时间同步方法进行了分类阐述。
可以为组合导航系统时间同步设计提供重要参考。
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第１期　　　　　　　　　刘　帅等：ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导航系统时间同步方法综述 ·５５·
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，战兴群，王立端，等．ＧＰＳ／ＩＮＳ组合导航
系统时间同步系统设计［Ｊ］．传感技术学报，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．
作者简介
刘　帅　（１９８６－），男，硕士，主要研究方向为
ＧＮＳＳ数据处理和组合导航。
Ａ　Ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　Ｔｉｍｅ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｉｎ
ＧＰＳ／ＩＮＳ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ
ＬＩＵ　Ｓｈｕａｉ，ＳＵＮ　Ｆｕ－ｐｉｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｐｏ，ＬＩ　Ｈａｉ－ｆｅｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｐｐｉｎｇ，Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，
Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｈｅｎａｎ　４５００５２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｃｒｕｃｉａｌ　ｐｒｅｒｅｑｕｉｓｉｔｅ　ｆｏｒ　ＧＰＳ／ＩＮＳ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ．
Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｃａｕｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ａｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ａｎｄ
ｔｈｏｕｇｈｔｓ　ｏｆ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａ　ｓｕｒｖｅｙ
　ｏｆ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ
ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ；ＩＮＳ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ
　　（上接第４３页）
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎｅｔ　Ｌｉｎｅ　Ｓｕｒｖｅｙ　ｗｉｔｈ　Ｔｏｔａｌ
Ｓｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＲＴＫ　ｉｎ　Ｊｏｉｎｔ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ＺＨＡＮ　Ｊｉａ－ｍｉｎ１，ＺＨＯＵ　Ｊｉｎ－ｓｈａｎ２，ＦＡＮ　Ｘｉａｏ－ｍｅｉ　３
（１．Ｘｕ　Ｚｈｏｕ＇ｓ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｕ　Ｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２２１１１６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｈｅ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｓｕｒｖｅｙｓ　ａｎｄ　Ｍａｐ　ｔｈｅ　Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｇｕａｒａｎｔｅｅｓ　Ｃｅｎｔｅｒ
Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１００１３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｊｉｎｗｅｉ　Ｓｕｒｖｅｙｓ　ａｎｄ
Ｍａｐ　ｔｈｅ　Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１００１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｏａｄ　ｎｅｔ　ｌｉｎｅ　ｓｕｒｖｅｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｉｔｈ　ＲＴＫ　ａｎｄ　ｔｏｔａｌ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｊｏｉｎｔ
ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｒｅｖｅａｌｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｏｒ　ｑｕａｎｔｉｔｙ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｔｏ
ｅｎｈａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ－ＲＴＫ　ｔｈｅ　ｔｏｔａｌ　ｓｔａｔｉｏｎ；ｃｏｎｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｈｏｍｅｗｏｒｋ；ｒｏａｄ　ｎｅｔ　ｌｉｎｅ；ｔｈｅ　ｃｅｎｔｅｒｌｉｎｅ
　ｍｅａｓｕｒｅｓ；ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｓ
·５６· 全　球　定　位　系　统 第３７卷】
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2014-10-1 07:38 上传

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