一种激光陀螺位置姿态系统时间同步方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光陀螺位置姿态系统（Position and Orientation System, POS)时间同步方法，可以应用于激光陀螺POS，也可以应用于激光陀螺惯性/卫星组合导航 系统（INS/GNSS)的时间同步。
【背景技术】
[0002] 高分辨率航空遥感系统中，制约遥感系统成像分辨率的一个主要因素是POS测量 精度。POS为遥感载荷提供位置姿态基准，同时为惯性稳定平台提供精确的指向。无论对于 高分辨率光学相机，还是机载三维成像激光雷达，POS是提高成像分辨率的关键，已成为制 约我国高分辨率遥感系统发展的技术瓶颈。POS为多传感器组合测量系统，不同采样时刻的 数据不能直接进行数据融合，时间同步成为多传感器组合导航系统的关键技术，直接关系 到 POS系统功能的实现及性能的提高。
[0003] 传统的位置姿态系统时间同步方法（专利申请号I :200710099611. 6,专利申请号 2 :200710119971. 8)，通过利用GPS秒脉冲对I MU、PCS计数器进行重置或以GPS秒脉冲为 基准生成时间同步脉冲实现系统的时间同步，没有解决因系统时钟源频率偏移引起的系统 同步误差，以及因为时钟修正引起的滤波器振荡问题；中国专利申请201010623900. 3所述 的一种位置和姿态测量系统的软件时间同步方法，其基本思路在于惯性测量单元（IMU)完 成数据采集后，测量GNSS秒脉冲与頂U数据之间的时间差，然后通过数据内插等处理方法 实现不同传感器数据时间的同步。该类方法对于IMU时钟漂移和IMU滤波器模型与真实数 据不匹配的问题无能为力。将GNSS秒脉冲引入到頂U系统中，以GNSS秒脉冲为基准一次 性同步頂U数据采集序列的硬件同步方法虽然可以消除頂U滤波器模型与真实数据不匹配 的问题，但会引起修正时刻滤波器输出振荡，严重影响激光陀螺POS精度。因此，上述传统 的时间同步方法都不能完成激光陀螺POS时间同步。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种激光陀螺位置姿态系 统时间同步方法，从而实现激光陀螺POS时间同步。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种激光陀螺位置姿态系统时间同步方法，其特征在 于首先根据POS应用环境和激光陀螺、加速度计工作范围确定激光陀螺和加速度计数据一 次额定修正采样时间，然后利用GNSS秒脉冲（Pulse Per Second，PPS)信号标定頂U和导航 计算机（POS Computer System，PCS)时钟源，然后确定頂U采样周期修正次数M及每次修正 的工作周期数K，并对頂U进行M次时钟修正，每次将激光陀螺和加速度计采样周期变化K 个周期数，并将PCS计时时间同步到PPS信号，具体步骤如下：
[0006] (1)根据POS所使用的激光陀螺和加速度计精度及POS应用环境下的激光陀螺和 加速度计工作范围，确定不影响陀螺和加速度计精度情况下陀螺和加速度计数据采样周期 一次额定修正时间。
[0007] ⑵GNSS信号捕获后，PPS信号开始输出，根据相邻两个PPS信号时间间隔，在线标 定IMU和PCS的时钟源工作频率，得到IMU和PCS时钟源实际工作频率。
[0008] (3)根据激光陀螺和加速度计数据采样周期一次额定修正时间和标定得到的頂U 时钟源工作频率，确定MU采样周期修正次数M及每次修正的工作周期数K。
[0009] (4)对頂U陀螺和加速度计数据采样周期进行M次时钟修正，每次将陀螺和加速度 计数据采样周期变化K个周期数。
[0010] (5)根据PCS时钟源实际工作频率，在每次GNSS秒脉冲信号到来时，将PCS计数器 置零，并将计数器大小设置为PCS时钟实际工作频率大小，使PCS时间同步到GNSS时间。
[0011] 其中确定不影响陀螺和加速度计精度情况下激光陀螺和加速度计一次额定修正 数据采样时间方法如下：
[0013] 其中，Λ T为激光陀螺和加速度计一次额定修正数据采样时间，Gniax为激光陀螺应 用环境下额定输出，Gpi^ slcin为激光陀螺精度；Α_为加速度计应用环境下额定输出，Api^slcin 为加速度计精度。
[0014] 其中确定頂U采样周期修正次数M及每次修正的工作周期数K方法如下：
[0015] 首先，确定时钟源实际工作频率较时钟源标称工作频率1秒钟时间内时间偏移值 如下：
[0017] 其中，F1为时钟源实际工作频率，F。为时钟源标称工作频率，fs为激光陀螺和加速 度计采样频率。
[0018] 判断Λ t与Λ T关系，如果I Λ 11 < I Λ T I，頂U采样周期修正次数M及修正工作 周期数K如下：
[0019] M=I
[0020] K = Δ t · F1
[0021] 如果I Λ 11 > I Λ T I，頂U采样周期修正次数M及修正工作周期数K如下：
[0024] 对陀螺和加速度计数据采样周期Ts进行M次时钟修正，每次将陀螺和加速度计数 据采样周期变化K个周期数：
[0025] Ts = Q+S · Nc · K
[0026] 其中^
N。为修正次数，取值范围为1到M ;Q为采样周期修正前一 个采样周期时间长度为：
[0027] Q = F0 · T0
[0028] 其中，F。为时钟源工作频率标称值，T。为采样周期标称值。
[0029] 本发明的原理是：卫星导航系统在捕获卫星信号后，输出的秒脉冲信号间隔为精 确的一秒钟，利用PPS信号标定惯性测量单元和POS导航计算机时钟源，获得时钟源实际工 作频率。根据激光陀螺位置姿态系统所使用的激光陀螺和加速度计精度及POS应用环境下 的激光陀螺和加速度计工作范
[0030] 围，确定不影响陀螺和加速度计精度情况下陀螺和加速度计数据采样周期一次额 定修正时间，以保证在进行时间同步时不会导致陀螺和加速度计精度降低。根据陀螺和加 速度计数据采样周期一次额定修正时间和标定得到頂U时钟源工作频率，确定頂U采样周 期修正次数及每次修正的工作周期数，并进行修正，以确保頂U中采用的陀螺和加速度计 数据滤波器模型采样频率与实际陀螺和加速度计数据采样频率保持一致，提高滤波效果。 将PCS计时时间同步到PPS信号，避免PCS计时因 PCS时钟源的频漂引起误差，提高同步精 度。
[0031] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0032] (1)本发明将IMU中激光陀螺和加速度计数据采集时刻与GNSS秒脉冲进行同步， 将PCS计时时间同步到GNSS秒脉冲，降低了系统时钟源时钟漂移对时间同步精度的影响。
[0033] (2)本发明采用渐进修正的方式进行陀螺和加速度计采样周期修正，消除了因采 样周期修正过大引起激光陀螺和加速度计精度降低及激光陀螺和加速度计滤波器振荡的 问题，并使激光陀螺和加速度计数据滤波器模型的采样频率与实际激光陀螺和加速度计数 据采样频率保持一致，提高了滤波效果。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明的时钟同步流程图；
[0035] 图2为时钟源工作频率标定图；
[0036] 图3为激光陀螺和加速度计采样周期修正图；
[0037] 图4为PCS计时时间同步图。
【具体实施方式】
[0038] 本实施例中位置姿态系统由激光陀螺頂U、GPS、POS计算机组成，頂U时钟源 额定频率300MHz，实际工作频率299. 9MHz，PCS时钟源额定频率300MHz，实际工作频率 299. 9MHz，激光陀螺精度0. 0Γ /h，额定输出300° /s，加速度计精度10ug，额定输出10g， 设置激光