多传感器融合中的时间同步2-论文阅读

前言

阅读硕士论文《GPS/INS组合导航系统研究及实现》，该论文第5章为时间同步系统设计，为GPS/INS系统设计的时间同步系统部分内容非常丰富，非常值得参考。

在数据融合中如果融合的数据是来自两个不同的时间点的数据，即INS数据和GPS数据存在时间偏差，这样会对组合导航数据造成很大的影响，所以时间同步对于组合导航来说是非常重要的。

主要内容

首先有一个认识是GPS接收机输出的数据，是带有精确的时间戳的，以北云科技的GNSS板卡为例，其pps脉冲精度在20ns，在默认5Hz的输出频率下，GPRMC中的UTC的毫秒依次输出00,20,40,80，此UTC时间即为GNSS的精确的时间戳。总结来说就是GNSS的UTC时间代表了自身的非常精准的时间戳，pps脉冲是向外输出的，实现和其他传感器的数据同步，pps脉冲的上升沿（也可能是下降沿，可以配置）。

文中推导得到的由于时间不同步误差造成的状态变量误差为：

δ k = ∫ ( ∫ a ′ ( t ) Δ t d t ) d t \delta_{k}=\int\left(\int a^{\prime}(t) \Delta t d t\right) d t δk​=∫(∫a′(t)Δtdt)dt
从上公式可以看到：状态误差量不仅和不同步时间有关，还和机器人运动状态有关，过大的加加速度，也会造成状态变量误差增大，并且是三次方的关系。当载体在做圆周运动或者S形运动时，由于其向心加速度的方向在不变变化，导致加加速度也在不断变化，这时候对时间同步精度要求高。

时间同步原理图如下所示：

文中对于PPS脉冲描述的原话：1PPS秒脉冲信号和UTC（世界协调时）秒点是精确对齐的，GPS接收机严格地在每一个1PPS脉冲的边沿时刻进行一次伪距、伪距变化率、载波相位测量、GPS标准授时、定位等测量。在整个时间同步系统中，利用1PPS信号作为两个分系统的共同时间同步信号。

pps对于INS时间戳校准作用原理

假设pps脉冲的频率为1Hz，INS数据输出频率为100Hz，并且初始时刻两者之间的时间戳是对齐的，那么在最开始的1s前，新的pps脉冲没有到来之前，时钟精度全靠嵌入式板卡（MCU，FPGA，或者DSP）提供的计数器来扛，计数器的计数精度和其使用的时钟有关，一般用晶振。假设晶振的时钟误差为xppm，那么在这1s，时钟最大误差为xus。当新的pps脉冲到来之时，计数器清零，整秒计数器加1，在不考虑pps脉冲误差时，pps脉冲到来时的时间误差为0，所以就达到了对INS时间戳校准的效果，这样无论时间多长，时间戳的最大误差不超过xus。

有一点需要注意，就是添加时间戳的时间。在接收到IMU和GPS接收机的数据后，需要对其进行字头判断，如果字头判断通过，进行相应的时间标签提取、添加工作，而不是在解析完成后添加。

如下图显示的，IMU数据，GPS数据和PPS脉冲出现的先后顺序有多种情况。在软件设计中需要一一考虑。文中分了3种情况，详细的叙述可以阅读原文。

测试结果

我是通过引入GNSS和INS以及DR做时间同步，硬件同步用的STM32，晶振为普通的8M晶振，误差大概在20ppm。实测1个小时的时钟误差在0.08s，这样算误差大约22ppm，和标称值相差不大。把北云A1的pps频率配置为5Hz后，整体的时间同步精度不超过5us。

参考文献

1. GPS/INS组合导航系统研究及实现 上海交通大学 李倩