[发明专利]基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法

说明书

本发明公开了一种基于GNSS/MEMS惯性组合芯片的组网硬件时间基准建立方法，同一晶振时钟驱动射频、GNSS基带以及MEMS传感器高频采样；将时钟误差加入组合导航滤波器来估计时钟误差并修正；在有星时形成时钟的绝对时间，在无星或存在干扰下进行时钟估计的精度外推获取时间基准；通过此时间基准的芯片对各个导航终端在同一时间基准下进行组网。本发明可靠有星状态下形成绝对时间基准，在无星或受干扰情况下根据外推形成绝对时间基准，从而使得装配该芯片的导航设备都处于同一时间基准下，形成组网设备的协同工作时间。

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种基于GNSS/MEMS组合导航芯片的组网硬件统一时间基准建立的。

背景技术

卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satellite System)具有提供绝对定位坐标和时间基准的特性，且误差不随时间积累，但存在无线电信号易受遮挡和干扰的不足，进而造成定位精度和时间精度的下降。以MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)惯性传感器为基础部件的惯性导航具有不受干扰、完全自主式导航的特点，但误差随时间积累。惯性/卫星导航紧密相结合的组合充分发挥了二者的优势，组合系统可以在弱星环境下利用惯导的优势保持系统的位置和时间精度。

GNSS通常采用精度较低的晶振做为时钟源用于产生本地时间和频率基准，以降低硬件成本。本地频率用于对输入的射频信号降频并产生本地复制信号，经导航解算后依据频率基准可以产生本地时间，用于系统的对外授时。在星况开阔的条件下，卫星接收机端的时钟误差可以得到准确估计，从而提供以轨道卫星星钟为基准的绝对时间。经过时钟误差估计与补偿后，地面接收机尽管使用精度较低的本地时钟，但通常也可以提供精度为几十纳秒级别的绝对时间基准。时间基准的硬件表现形式为秒脉冲PPS(pulse-per-second)，PPS的触发沿严格对准绝对时间的整秒时刻。

以MEMS惯性传感器(即陀螺和加速度计)为基础的惯性测量单元IMU(inertialmeasurement unit)具有体积小、成本低、功耗低等明显优点，在GNSS信号丢失、受多径干扰等环境下可以保持系统的连续可靠输出。惯性测量单元通过高速采样加速度计测量的三维的线性运动和陀螺测量载体的三维角运动，从而进行积分来获取速度、位置和姿态。MEMS惯导无绝对时间基准，其相对时间依赖于驱动采样的晶振时钟。

低成本的组合导航芯片硬件一般由射频单元、GNSS基带单元和MEMS单元组成。三个单元在芯片中均由同一晶振做为时钟驱动，完成降频、捕获与跟踪、惯性信号同步采样等功能。可靠星况下，该时钟依赖于GNSS基带单元获取的绝对时间形成时间基准，在无星或弱星请款下，绝对时间依据误差补偿后的晶振时钟进行外推。该晶振精度为0.5ppm即5x10^-6时稳定度的晶振已经是本地时钟晶振较好的选择，显然单纯依靠该级别的本地时钟是无法提供高精度的时间基准。因此，芯片中需要更为先进的算法来实现低成本同时满足时间精度的目标，特别是在大众应用场景中更易出现的无星或弱星环境下如何保持精度具有很大技术挑战。

时钟的误差包含钟差和钟漂，二者做为GNSS/MEMS组合芯片导航解算滤波器中的待估计误差量，GNSS跟踪环路的伪距和多普勒用于组合滤波器观测输入。对于纯GNSS而言，需要持续保持4颗以上的卫星才能维持时钟的误差估计，但在无星状态或存在干扰情况下，时钟误差无法估计与补偿，因此GNSS将失去时间基准或精度严重下降。GNSS/MEMS的组合芯片的解算中，在无星状态或存在干扰情况下，时钟的误差可保持持续的估计与修正，能够对外提供不间断的、可靠的时间基准。

多个导航定位终端在系统中组网协同工作是典型的应用场景，如无人驾驶列队行进、编队飞行、码头货柜调运、同步相机触发等，时间基准缺乏将造成各单元工作无统一关联，设备同步工作系统失效。各个定位终端以GNSS/MEMS组合导航芯片为基础，依托本发明提出的时间基准建立方法。指定其中一终端为主系统，其余终端为从系统，则可组成协同定位系统工作网，即便在无星或弱星的情况下也可使组网中的各设备工作于统一的时间基准。