多传感器组合导航系统时间同步及实时数据采集方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多传感器组合导航系统时间同步及实时数据采集方法，基于Linux本地时钟实现时间同步，包括进行标准Linux系统的实时性改造，使运行在计算载体上的操作系统满足硬实时要求；实现数据采集与时间同步，使各传感器采集的数据的时标与标准GPS时保持一致，然后进入缓冲区，为组合导航数据融合做准备；所述数据采集与时间同步，实现方式为以GPS接收机输出的PPS信号作为基准，校正计算载体的本地时钟，然后利用计算载体的本地时钟为其它传感器标注时标。本发明专利技术在无需增加额外硬件的情况下，可以实现10ms以内的时间同步精度，满足多传感器数据融合的需求，且编程简单、适用广泛、便于移植。

Time synchronization and real-time data acquisition method for multi-sensor integrated navigation system

The invention relates to a time synchronization and real-time data acquisition method for a multi-sensor integrated navigation system, which realizes time synchronization based on the local clock of Linux, including the real-time transformation of a standard Linux system, so that the operating system running on a computing carrier meets the requirements of hard real-time, and realizes data acquisition and time synchronization so as to transmit data. The time scale of the data collected by the sensor is consistent with that of the standard GPS, and then goes into the buffer to prepare for the data fusion of the integrated navigation system. Mark time scales for other sensors. The time synchronization accuracy within 10 ms can be achieved without additional hardware, and the requirement of multi-sensor data fusion can be met. The program is simple, the application is wide and the transplantation is convenient.

【技术实现步骤摘要】
多传感器组合导航系统时间同步及实时数据采集方法
本专利技术属于多传感器组合导航领域，具体为实时多传感器组合导航的时间同步与数据采集方法。
技术介绍
在城市峡谷等地面复杂环境下，GNSS信号由于易受遮挡和多路径的影响而无法提供高精度可靠的定位导航服务，在这种情况下，集成多传感器的组合导航成为解决地面复杂环境下导航的首选方案。由于各传感器数据采样时刻有所差异而导致的数据时标不一致会对组合导航的数据融合引入误差甚至导致融合错误，因此，解决多传感器数据的时间同步问题，特别是在实时条件下，是实现多传感器优化融合的关键。目前实时多传感器数据的时间同步分为两种方案，一是采用外接FPGA芯片作为数据采集的统一时钟源，现有的多传感器组合系统一般采用这种时间同步方式，这种时间同步方式同步精度高，但需要单独增加芯片，且传感器扩展维护需单独编程实现；二是直接采用计算载体(例如ARM开发板)的本地时钟作为时间同步的时钟源进行软同步，这种方式扩展性好，无需专门的芯片支持且编程实现简单，但在同步精度上相对较低。采用软件同步要想使时间同步精度满足要求，往往需要使操作系统达到硬实时要求，现有的研究多采用基于RTAI，Xenomai等单独实时内核的Linux进行时间同步，但这种方式往往只能针对某一特定的芯片类型，且其编程由于基于单独的实时内核，在实际应用中实现难度大，通用性不佳。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有的技术缺点，提供一种实现简单，通用性好，能满足实时组合导航需求的组合导航多传感器数据采集与时间同步方法。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种多传感器组合导航系统时间同步方法，基于Linux本地时钟实现时间同步，实现如下，进行标准Linux系统的实时性改造，使运行在计算载体上的操作系统满足硬实时要求；实现数据采集与时间同步，使各传感器采集的数据的时标与标准GPS时保持一致，然后进入缓冲区，为组合导航数据融合做准备；所述数据采集与时间同步，实现方式为以GPS接收机输出的PPS信号作为基准，校正计算载体的本地时钟，然后利用计算载体的本地时钟为其它传感器标注时标。而且，所述标准Linux系统的实时性改造，包括利用PREEMPT-RT补丁对标准Linux内核进行改写，使Linux内核变为完全可抢占内核。而且，Linux内核实现完全可抢占后，在新的内核框架下重新生成GPIO中断驱动、串口驱动及USB驱动，其中GPIO驱动用于处理输入的PPS秒脉冲信号，串口驱动及USB驱动用于接收多传感器数据。而且，在完全可抢占内核下，对PPS信号的采集线程的优先级置于最高，其它多传感器数据的采集线程的优先级略低于PPS信号采集线程，但高于其他Linux内核线程。而且，以GPS接收机输出的PPS信号作为基准，校正计算载体的本地时钟的实现方式为，PPS信号采集线程进入中断后，记录PPS信号到达时刻的本地时间，然后与随后接收的PPS信号对应的GPS时间数据包中的标准GPS时做差，得到当前时刻本地时钟与GPS时的差异dT；通过在多传感器数据采集中断触发时，记录该时刻的本地时间，然后利用dT对时标进行校正，得到各传感器在GPS时标系统下的数据，实现将各传感器数据归算到GPS时框架下。而且，对校正所得各传感器在GPS时标系统下的数据，采用从传感器端口到计算载体的时延进行改正，得到精确同步的多传感器数据。本专利技术还基于上述多传感器组合导航系统时间同步方法，提出一种多传感器组合导航系统数据采集方法。而且，为每一个传感器分配一个FIFO队列，将经过时标校正的多传感器数据加入到各自的队列中，然后以采样率最高的传感器为基准进行轮询，查找最接近当前时刻的多传感器数据并进行插值，归算到统一的时间点并打包进入新的数据队列中。本专利技术在标准Linux系统的基础上，对广泛运行于各类ARM开发板、PC机等计算载体设备上的Linux操作系统进行完全可抢占的改造，使之满足硬实时的要求；在此基础上，利用PPS秒脉冲信号提供的高精度标准时标实时地对本地时钟进行校对，使本地时钟维持较高的精度。其关键在于硬实时条件下，各类数据，特别是PPS信号，传输的延迟可以严格保证并事先标定，从而使本专利技术中的软时间同步能达到10ms以内的同步精度，满足了多传感器数据融合的要求，且实现简单、适用广泛、便于移植。并且，对每一类传感器采用队列方式进行缓冲存储，并以最高采样率的传感器数据对所有数据进行插值、打包，为后续多传感器数据融合提供了极大方便，具有重要的市场价值。附图说明图1为本专利技术实施例的整体框架图。图2为本专利技术实施例的时间同步示意图。图3为本专利技术实施例的数据缓存区设计示意图。具体实施方式以下将结合附图及实施例对本专利技术的具体技术方案进行详细说明。本专利技术提出标准Linux系统的实时性改造在于使运行在计算载体(例如ARM开发板)上的操作系统满足硬实时要求；数据采集与时间同步在于使IMU、里程计等传感器采集的数据的时标与标准GPS时保持一致，然后进入设计好的缓冲区，为组合导航数据融合做准备，具体为：以GPS接收机输出的PPS信号作为基准，校正计算载体的本地时钟，然后利用计算载体的本地时钟为其它传感器标注时标。本专利技术实施例实现如下：首先对标准Linux内核利用PREEMPT-RT补丁进行改写，使内核成为完全可抢占，满足硬实时操作系统的要求。同时对GPIO驱动，USB驱动，串口驱动在完全可抢占内核框架下进行重写，其中GPIO驱动用于接收GNSS输出的PPS秒脉冲信号，串口驱动和USB驱动用于接收多传感器数据。然后在经过改造的Linux系统框架下，为每一类传感器创建一个单独的线程用于接收传感器数据，并将PPS秒脉冲接收线程的线程优先级置为最高，其它传感器数据接收线程略低，但均高于一般Linux内核线程。接收到PPS秒脉冲信号后，PPS秒脉冲信号采集线程进入中断，记录PPS秒脉冲信号到达时刻的本地时间，然后与随后接收的该PPS秒脉冲信号对应的GPS时间数据包中的标准GPS时做差，得到当前本地时钟与GPS时的差异dT；同时，在多传感器数据采集中断触发时，记录该时刻的本地时间，然后利用dT对记录的多传感器数据到达时刻的本地时间进行校正。为每一类传感器维持一个单独的FIFO队列，经过时间标定后的传感器数据进入各自的队列后，以采样率最高的传感器为基准进行轮询，查找最接近当前时刻的多传感器数据并进行插值，归算到统一的时间点并打包进入新的数据队列中，为数据融合做准备。通过以上方案，采用PREEMPT-RT补丁对标准Linux内核进行实时改造，使Linux满足硬实时的要求，并且直接在Linux驱动层采用中断的方式接收GPS接收机输出的PPS秒脉冲信号，最大限度降低由于系统调度引入的延迟；通过不断比对PPS信号在本地时钟系统和标准GPS时系统下的差异，从而不断地对本地时钟进行校准；同时利用本地时钟在PPS间隔内短期稳定性较高的特点，对多传感器数据标注高精度的时标，从而实现实时条件下组合导航多传感器数据时标的统一；根据实时条件下多传感器组合导航数据融合的特点，采用FIFO队列对时标统一后的各传感器数据进行存储，并以采样率最高的传感器作为基准，对多传感器数据进行插值处理归算到统一时间点，为多传感器数据融合提供了便利。如图1所示，本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多传感器组合导航系统时间同步方法，其特征在于：基于Linux本地时钟实现时间同步，实现如下，进行标准Linux系统的实时性改造，使运行在计算载体上的操作系统满足硬实时要求；实现数据采集与时间同步，使各传感器采集的数据的时标与标准GPS时保持一致，然后进入缓冲区，为组合导航数据融合做准备；所述数据采集与时间同步，实现方式为以GPS接收机输出的PPS信号作为基准，校正计算载体的本地时钟，然后利用计算载体的本地时钟为其它传感器标注时标。

【技术特征摘要】
1.一种多传感器组合导航系统时间同步方法，其特征在于：基于Linux本地时钟实现时间同步，实现如下，进行标准Linux系统的实时性改造，使运行在计算载体上的操作系统满足硬实时要求；实现数据采集与时间同步，使各传感器采集的数据的时标与标准GPS时保持一致，然后进入缓冲区，为组合导航数据融合做准备；所述数据采集与时间同步，实现方式为以GPS接收机输出的PPS信号作为基准，校正计算载体的本地时钟，然后利用计算载体的本地时钟为其它传感器标注时标。2.根据权利要求1所述多传感器组合导航系统时间同步方法，其特征在于：所述标准Linux系统的实时性改造，包括利用PREEMPT-RT补丁对标准Linux内核进行改写，使Linux内核变为完全可抢占内核。3.根据权利要求2所述多传感器组合导航系统时间同步方法，其特征在于：Linux内核实现完全可抢占后，在新的内核框架下重新生成GPIO中断驱动、串口驱动及USB驱动，其中GPIO驱动用于处理输入的PPS秒脉冲信号，串口驱动及USB驱动用于接收多传感器数据。4.根据权利要求2所述多传感器组合导航系统时间同步方法，其特征在于：在完全可抢占内核下，对PPS信号的采集线程的优先级置于最高，其它多传感器数据的采集线程的优先级略低于PPS信号采集线程，但高于其他Li...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小红，段睿，朱锋，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42