一种基于DSP和FPGA的组合导航计算机

1.一种基于DSP和FPGA的组合导航计算机，由数据输入模块(1)、数据采集模块(2)、导航解算模块(3)和数据输出模块(4)组成，其特征在于：
所述的数据输入模块(1)包括电平转换芯片和光电耦合芯片组，1PPS秒脉冲信号经过光电耦合芯片组去除噪声后输出CMOS电平形式的1PPS信号；GPS信号经过电平转换芯片转换后输出CMOS电平形式的GPS信号，IMU脉冲信号经过光电耦合芯片组去除噪声后输出CMOS电平形式的IMU脉冲信号；
所述的数据采集模块(2)包括FPGA、配置芯片和拨码开关，其中FPGA包括时间同步模块、译码器、多路计数器、UART1、UART2、UART3、双口RAM1、双口RAM2、双口RAM3；数据输入模块(1)输出的CMOS电平形式的1PPS信号和拨码开关确定的开关量信号经译码器译码得到的信号作为时间同步模块的输入信号，时间同步模块通过时间同步方法得到IMU脉冲信号采集的采样时钟，FPGA通过UART1和多路计数器以及时间同步模块完成GPS信号和IMU脉冲信号的同步采集；数据输入模块(1)输出的CMOS电平形式的GPS信号经过UART1串并转换为并行数据，存储于双口RAM1；多路计数器根据时间同步模块输出的采样时钟对CMOS电平形式的IMU脉冲信号计数，并记录IMU采样次数，将IMU脉冲信号计数结果及IMU采样次数存储于双口RAM2，然后送入UART2进行并串转换，输出串行IMU数据和IMU采样次数；双口RAM3接收导航解算模块(3)输出的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据与导航解算结果，然后送入UART3进行并串转换，输出串行IMU数据、IMU采样次数、GPS数据与导航解算结果；
所述的导航解算模块(3)包括DSP和Flash，DSP通过EMIF定时读取数据采集模块(2)中双口RAM1存储的GPS数据和双口RAM2存储的IMU数据和IMU采样次数，读取到IMU数据时进行捷联解算，读取到GPS数据时，通过GPS故障诊断方法对GPS数据的可用性进行判断，若可用则进行组合滤波和反馈校正，然后将IMU数据、IMU采样次数、GPS数据和导航解算结果通过EMIF送到数据采集模块(2的双口RAM3和数据输出模块(4)中的网口；
所述的数据输出模块(4)包括电平转换芯片组、第一串口、第二串口、网口和HPI接口，数据采集模块(2)中由UART2并串转换后的串行IMU数据和IMU采样次数通过电平转换芯片组进行转换后经第一串口发送到上位机；数据采集模块(2)中由UART3串并转换后的串行IMU数据、IMU采样次数、GPS数据以及导航解算结果通过电平转换芯片进行转换后经第二串口发送到上位机；来自导航解算模块(3)中DSP的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据以及导航解算结果通过网口发送到上位机；上位机通过数据输出模块(4)中的HPI接口访问导航解算模块(3)中DSP内部的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据以及导航解算结果，并与第一串口、第二串口、网口和HPI接口实时通信，实现实时监控；第一串口、第二串口、网口和HPI接口实现输出信息冗余。
2.根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的组合导航计算机，其特征在于：所述的时间同步方法为：采用GPS接收机的1PPS秒脉冲信号为基准时钟信号，对其二分频得到占空比为1∶1的时钟信号时钟I，根据GPS接收机数据带宽的不同作如下处理：带宽为1Hz时，以时钟I的高电平和低电平为门限，并依据译码器译码得到的信号对系统时钟分频生成IMU数据采集的采样时钟；带宽为2nHz时，n为正整数，将时钟I进行2n倍频得到占空比为1∶1的时钟n，然后以时钟n的高电平和低电平为门限，并依据译码器译码得到的信号对系统时钟分频生成IMU数据采集的采样时钟；采样时钟前沿与1PPS脉冲前沿对齐，完成GPS数据和IMU数据的时间同步。
3.根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的组合导航计算机，其特征在于：所述的GPS故障诊断方法为：在数据采集模块(2)中通过比较器对存储于双口RAM1的GPS数据进行判断，当GPS数据完整时允许导航解算模块(3)中的DSP访问数据采集模块(2)中双口RAM1存储的GPS数据，当GPS数据由于GPS接收机故障或因干扰、机动导致失锁而不完整时，不允许DSP访问，DSP获取的GPS数据中的协调世界时不变，同时对GPS数据的可用性进行检测，当检测到协调世界时没有变化或协调世界时虽有变化，但GPS数据不可用时，检测出GPS故障。
4.根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的组合导航计算机，其特征在于：所述第一串口、第二串口、网口和HPI接口实现输出信息冗余的方法为：数据输出模块(4)中第一串口输出IMU数据和IMU采样次数，第二串口和网口均输出GPS数据和导航解算结果以及第一串口输出的IMU数据、IMU采样次数，上位机通过HPI接口直接访问DSP内部的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据和导航解算结果，第一串口、第二串口、网口输出的IMU数据、IMU采样次数和HPI接口获取的IMU数据、IMU采样次数相同，第二串口、网口输出的GPS数据以及导航解算结果与HPI接口获取的GPS数据以及导航解算结果相同，实现输出信息中IMU数据、IMU采样次数的四重冗余，GPS数据和导航解算结果的两重冗余，通过IMU采样次数得到一一对应，并与GPS数据中的协调世界时对应。
5.根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的组合导航计算机，其特征在于：工作流程为：首先通过数据采集模块(2)的拨码开关选择IMU脉冲信号的采样时钟，FPGA开始采集经数据输入模块(1)输出的CMOS电平形式的IMU脉冲信号和GPS信号，每完成一次采集便触发导航解算模块(3)中DSP的外部中断，DSP通过响应该中断来读取数据采集模块(2)中FPGA采集的IMU数据和GPS数据，导航解算模块(3)开始初始对准；对准结束后，在导航解算模块(3)中DSP内对接收到的IMU数据进行判断，如果IMU数据不是与GPS数据同步的数据，则只进行捷联解算，如果为同步数据，除进行捷联解算外，还将解算结果暂存于DSP的内存空间，DSP接收GPS数据是在1PPS后固定时刻进行，如果GPS数据可用则调用DSP内存空间存储的捷联解算结果，通过卡尔曼滤波估计出导航参数的误差，并作修正，由数据输出模块输出导航信息，如果GPS数据不可用，则不做卡尔曼滤波，由数据输出模块输出捷联解算结果，直到工作结束。

技术领域\n本发明涉及一种基于数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)和现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)的组合导航计算机，属于组合导航技术领域，用于以脉冲方式输出的惯性测量单元组成的惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)与全球定位系统(Global Position System，GPS)的组合导航系统，特别适用于对体积功耗和实时性要求较高的应用场合。\n背景技术\n在导航技术领域，组合导航技术利用有效的数据融合方法，将各种具有优势互补功能的导航子系统组合起来，充分发挥各子系统的优点，从而提高导航系统的整体性能，是导航技术领域一个重要的发展方向。\n组合导航计算机首先完成组合导航系统各子系统的数据采集和子系统间的时间同步，进而完成组合导航算法的实时运行，得到载体高精度的导航信息，最终将导航信息输出。\n传统的组合导航计算机主要是基于X86架构的专用计算机，体积功耗大，电路结构复杂。目前基于嵌入式技术的组合导航计算机通常采用主从结构的设计方案，主机一般采用一片微处理器或一片数字信号处理器，主要负责导航计算，并承担GPS数据采集和导航信息输出。从机采用一片微处理器，负责惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)的数据采集，这类方案由于主机采用串行方式接收GPS串行数据，接收过程占用较多的时间而使得主机中导航解算流程经常被中断，实时性差，不能满足高实时性应用的要求。专利200610113983.5所述的一种基于双DSP的集成化组合导航计算机，采用两个数字信号处理器，一个用于数据接收和时间同步，一个用于导航解算，时间同步采用软同步方法，针对的是具有时间同步信号的IMU数据与GPS数据的同步问题，该专利不含IMU数据采集功能，集成度低。而基于FPGA和DSP的组合导航计算机方案通常采用FPGA完成IMU数据采集，DSP除完成导航解算外，还要采集GPS串行数据、完成时间同步并承担通信任务，DSP仍然会因以串行方式接收GPS数据而常常中断导航解算流程，因而实时性差，在数据量大的实时应用场合不能满足应用要求。\n发明内容\n本发明的技术解决问题是：针对现有组合导航计算机的不足，提供一种基于DSP和FPGA的组合导航计算机，实现数据的集中采集以及导航信息的实时解算和输出，具有体积小、功耗低、集成度高、实时性好、可扩展性强、易于升级的特点。\n本发明的技术解决方案是：一种基于DSP和FPGA的组合导航计算机，由数据输入模块、数据采集模块、导航解算模块和数据输出模块组成。\n所述的数据输入模块包括电平转换芯片和光电耦合芯片组，秒脉冲(One Pulse Per Second，1PPS)信号经过光电耦合芯片去除噪声后输出CMOS电平形式的1PPS信号，GPS信号经过电平转换芯片转换后输出CMOS电平形式的GPS信号，IMU脉冲信号经过光电耦合芯片组去除噪声后输出CMOS电平形式的IMU脉冲信号。\n所述的数据采集模块包括FPGA、配置芯片和拨码开关，其中，FPGA包括时间同步模块、译码器、多路计数器、全双工异步串行收发器(Universal Asynchronous Receiver/TransmitterUART)UART1、UART2、UART3、双口RAM1、双口RAM2、双口RAM3，通过高速硬件描述语言(VHSIC Hardware Description Language，VHDL)实现；数据输入模块输出的CMOS电平形式的1PPS信号和拨码开关确定的开关量信号经译码器译码得到的信号作为时间同步模块的输入信号，由时间同步模块通过时间同步方法得到IMU脉冲信号采集的采样时钟，FPGA通过UART1和多路计数器以及时间同步模块完成GPS信号和IMU脉冲信号的同步采集；数据输入模块输出的CMOS电平形式的GPS信号经过UART1串并转换为并行数据，存储于双口RAM1；多路计数器根据时间同步模块输出的采样时钟对IMU脉冲信号计数，并通过一路计数器记录IMU采样次数，将IMU脉冲信号计数结果(即IMU数据)及IMU采样次数存储于双口RAM2，然后送入UART2进行并串转换，并输出串行IMU数据和IMU采样次数；双口RAM3存储导航解算模块送来的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据与导航解算结果，然后送入UART3进行并串转换，并输出串行IMU数据、IMU采样次数、GPS数据与导航解算结果。\n所述的导航解算模块包括DSP和Flash，DSP通过外部存储器接口(External Memory Interface，EMIF)定时读取数据采集模块中双口RAM1存储的GPS数据和双口RAM2存储的IMU数据和IMU采样次数，读取到IMU数据时进行捷联解算，读取到GPS数据时，通过GPS故障诊断方法对GPS数据进行判断，若可用则进行组合滤波和反馈校正，然后将IMU数据、IMU采样次数、GPS数据和导航解算结果通过EMIF送到数据采集模块的双口RAM3和数据输出模块中的网口；同时，上位机通过数据输出模块中的HPI接口与DSP的HPI通信，获取IMU数据、IMU采样次数、GPS数据和导航解算结果；Flash保存DSP内运行的程序。\n所述的数据输出模块包括电平转换芯片组、第一串口、第二串口、网口和HPI(Host PortInterface，HPI)接口，数据采集模块中由UART2并串转换后的串行IMU数据和IMU采样次数通过电平转换芯片组进行转换后经第一串口发送到上位机；数据采集模块中由UART3串并转换后的串行IMU数据和IMU采样次数以及导航解算结果通过电平转换芯片进行转换后经第二串口发送到上位机；来自导航解算模块中DSP的数据通过网口发送到上位机；上位机通过数据输出模块中的HPI接口访问导航解算模块中DSP内的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据和导航解算结果，并与第一串口、第二串口、网口和HPI接口实时通信，实现实时监控；第一串口、第二串口、网口和HPI接口实现输出信息冗余。\n所采用的时间同步方法为：采用GPS接收机的1PPS秒脉冲信号为基准时钟信号，对其二分频得到占空比为1∶1的时钟信号时钟I，根据GPS接收机数据带宽的不同作如下处理：带宽为1Hz时，以时钟I的高电平和低电平为门限，并依据译码器译码得到的信号对系统时钟CLK分频生成IMU数据采集的采样时钟Ts；带宽为2Hz时，将时钟I进行2倍频得到占空比为1∶1的时钟II，然后以时钟II的高电平和低电平为门限，并依据译码器译码得到的信号对系统时钟CLK分频生成IMU数据采集的采样时钟Ts；带宽为4Hz时，将时钟I进行4倍频得到占空比为1∶1的时钟III，然后以时钟III的高电平和低电平为门限，并依据译码器译码得到的信号对系统时钟CLK分频生成IMU数据采集的采样时钟Ts；带宽为2nHz时，n为大于2的正整数，将时钟I进行2n倍频得到占空比为1∶1的时钟n，然后以时钟n的高电平和低电平为门限，并依据译码器译码得到的信号对系统时钟CLK分频生成IMU数据采集的采样时钟Ts；采样时钟Ts前沿与1PPS脉冲前沿对齐，完成GPS数据和IMU数据的时间同步。\n所采用的GPS故障诊断方法为：在数据采集模块2内由FPGA内通过VHDL实现的比较器对存储于双口RAM1的GPS数据进行判断，当GPS数据完整时允许导航解算模块3中的DSP访问数据采集模块2中双口RAM1存储的GPS数据，当GPS数据由于GPS接收机故障或因干扰、机动导致失锁而不完整时，不允许DSP访问，DSP获取的GPS数据中的协调世界时不变，同时对GPS数据的可用性进行检测，当检测到协调世界时没有变化或协调世界时虽有变化，但GPS数据不可用时，检测出GPS故障。\n所采用的输出信息冗余和实时监控的实现方法为：在IMU脉冲信号采集的同时，通过多路计数器中的一路记录IMU脉冲信号采样次数，数据输出模块中第一串口输出IMU数据和IMU采样次数，第二串口和网口均输出GPS数据和导航解算结果以及第一串口输出的IMU数据、IMU采样次数，上位机通过HPI接口直接访问DSP内部的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据和导航解算结果，第一串口、第二串口、网口输出的IMU数据、IMU采样次数和HPI接口获取的IMU数据、IMU采样次数相同，第二串口、网口输出的GPS数据以及导航解算结果与HPI接口获取的GPS数据以及导航解算结果相同，实现输出信息中IMU数据、IMU采样次数的四重冗余，GPS数据和导航解算结果的两重冗余，通过IMU采样次数得到一一对应，并与GPS数据中的协调世界时对应；系统通过第一串口、第二串口、网口和HPI接口与上位机实时通信，通过上位机的接收显示软件对系统进行实时监控，提高了系统的可靠性。\n本发明的工作流程为：首先通过数据采集模块的拨码开关选择IMU脉冲信号的采样时钟，FPGA开始采集经数据输入模块输出的CMOS电平形式的IMU脉冲信号和GPS信号，每完成一次采集便触发导航解算模块中DSP外部中断，DSP通过响应该中断来读取数据采集模块中FPGA采集的IMU数据和GPS数据，导航解算模块开始初始对准；对准结束后，在导航解算模块中DSP内对接收到的IMU数据进行判断，如果IMU数据不是与GPS数据同步的数据，则只进行捷联解算，如果为同步数据，除进行捷联解算外，还将解算结果暂存于DSP的内存空间，DSP接收GPS数据在1PPS后固定时刻进行，如果GPS数据可用则调用DSP内存空间存储的捷联解算结果，通过卡尔曼滤波估计出导航参数的误差，并作修正，从而由数据输出模块输出高精度的导航信息，如果GPS数据不可用，则不做卡尔曼滤波，由数据输出模块输出捷联解算结果，直到工作结束。\n本发明的原理是：\n本发明采用FPGA和DSP实现数据采集、实时导航解算和数据输出功能，由数据输入模块、数据采集模块、导航解算模块和数据输出模块组成。数据输入模块将GPS信号电平、IMU脉冲信号电平转换为与数据采集模块兼容的CMOS电平；数据采集模块利用1PPS秒脉冲信号通过时间同步方法同步采集IMU脉冲信号和GPS信号，并通过拨码开关经过译码器控制IMU脉冲信号采样时钟周期，从而可以通过拨码开关来选择IMU信号采样频率；数据采集模块在采集IMU脉冲信息的同时通过一路计数器对IMU采样次数进行记录；采集的IMU数据和GPS数据暂存于FPGA内部的双口RAM中，导航解算模块通过DSP的EMIF接口高速并行读取数据采集模块采集的IMU数据和GPS数据，并且是采用外部定时中断方式，以中断信号启动导航解算，该过程仅需要数十微秒，DSP获取GPS数据的时间与采用串行接收的方式相比可忽略不计，从而保证了DSP中导航解算流程顺利进行，不会因接收GPS数据而被迫中断；当导航解算模块接收到与GPS数据同步的IMU数据后，进行捷联解算，得到载体的位置、速度、姿态等信息，当导航解算模块接收到GPS数据后，利用卡尔曼滤波器进行组合滤波，估计导航参数误差，对捷联解算结果进行修正，从而获得高精度的导航信息。\n为避免因数据传输或上位机接收不稳定等原因导致的数据接收错误，提高可靠性，本发明在信息的输出上采用了冗余方案，并通过上位机对接收的信息进行实时监控：数据采集模块采集的IMU数据不经任何处理，直接通过第一串口输出到上位机；第二串口和网口均输出IMU采样次数、IMU数据、GPS数据和组合导航结果；上位机通过HPI接口直接访问DSP内部的上述数据；第一串口、第二串口、网口输出的IMU数据、GPS数据和组合导航结果和上位机通过HPI接口获取的IMU数据、GPS数据和组合导航结果通过IMU采样次数而得到一一对应，并与协调世界时对应，实现信息冗余，为事后处理提供严格的同步依据；系统通过第一串口、第二串口、网  口和HPI接口与上位机实时通信，对系统进行实时监控。\n本发明与现有技术相比的优点在于：\n1.采用FPGA+DSP的并行结构，FPGA完成GPS数据与IMU脉冲信号的集中同步采集，从而提高了集成度，减小了体积和功耗；DSP获取GPS数据时不会中断DSP内导航解算流程，DSP得以专注于导航解算，保证了实时性。\n2.输出信息具有多重冗余，为事后处理提供严格同步的冗余信息，可靠性高。\n3.所采用的时间同步方法适用于以脉冲方式输出的IMU数据与不同带宽GPS数据的同步，具有很好的通用性。\n4.通过FPGA可以扩展更多的输入输出接口和更多的UART、RAM等功能模块，具有良好的可扩展性，移植升级方便。\n附图说明\n图1为本发明的系统结构框图。\n图2为本发明的时间同步时序图。\n图3为本发明的工作流程图。\n具体实施方式\n如图1所示，本发明由数据输入模块1、数据采集模块2、导航解算模块3和数据输出模块4组成。\n所述的数据输入模块1包括电平转换芯片和光电耦合芯片组，电平转换芯片采用一片MAX3232，GPS信号经过电平转换芯片转换后输出CMOS电平形式的GPS信号；光电耦合芯片组采用7片HCPL063L，其中一片将1PPS秒脉冲信号去除噪声后输出CMOS电平形式的1PPS信号，其余6片将IMU脉冲信号(包括三个加速度计、三个陀螺仪输出的共6路脉冲信号)去除噪声后输出CMOS电平形式的IMU脉冲信号。\n所述的数据采集模块2包括FPGA、配置芯片和拨码开关，其中，FPGA包括时间同步模块、译码器、多路计数器、UART1、UART2、UART3、双口RAM1、双口RAM2、双口RAM3，各部分均通过VHDL语言实现；数据输入模块1输出的CMOS电平形式的1PPS信号和拨码开关确定的开关量信号经译码器译码得到的信号作为时间同步模块的输入信号，由时间同步模块通过时间同步方法得到IMU脉冲信号采集的采样时钟，该采样时钟决定IMU脉冲信号采集的采样频率；FPGA通过UART1和多路计数器以及时间同步模块完成GPS信号和IMU脉冲信号的同步采集；数据输入模块1输出的CMOS电平形式的GPS信号经过UART1串并转换为并行数据，存储于双口RAM1；多路计数器根据时间同步模块输出的采样时钟对IMU脉冲信号计数，并通过一路计数器记录IMU采样次数，将IMU脉冲信号计数结果(即IMU数据)及IMU采样次数存储于双口RAM2，然后送入UART2进行并串转换；并输出串行IMU数据和IMU采样次数；双口RAM3存储导航解算模块送来的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据与导航解算结果，然后送入UART3进行并串转换，并输出串行IMU数据、IMU采样次数、GPS数据与导航解算结果。FPGA采用Xilinx公司的XC3S400，配置芯片采用XCF02S。\n所述的导航解算模块3包括DSP和Flash，DSP通过EMIF定时读取数据采集模块2中双口RAM1存储的GPS数据和双口RAM2存储的IMU数据和IMU采样次数，读取到IMU数据时进行捷联解算，读取到GPS数据时，通过GPS故障诊断方法对GPS数据进行判断，GPS数据可用则进行组合滤波和反馈校正，然后将IMU数据、IMU采样次数、GPS数据和导航解算结果通过EMIF送到数据采集模块2的双口RAM3和数据输出模块4中的网口；同时，上位机通过数据输出模块中的HPI接口与DSP的HPI通信，获取IMU数据、IMU采样次数、GPS数据和导航解算结果；Flash保存DSP运行之程序。DSP采用TI公司TMS320C6713B系列产品，主频选用300MHz。\n所述的数据输出模块4包括电平转换芯片组、第一串口、第二串口、网口和HPI接口，数据采集模块2中由UART2并串转换后的串行IMU数据和IMU采样次数通过电平转换芯片组进行转换后经第一串口发送到上位机；数据采集模块2中双口RAM3接收来自导航解算模块3的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据以及导航解算结果，由UART3串并转换后通过电平转换芯片进行转换后经第二串口发送到上位机；来自导航解算模块3中DSP的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据以及导航解算结果通过网口发送到上位机；上位机通过数据输出模块4中的HPI接口访问导航解算模块3中DSP内部的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据以及导航解算结果；第一串口、第二串口、网口发送的IMU数据、IMU采样次数和HPI接口获取的IMU数据、IMU采样次数是相同的，而且第二串口、网口发送的GPS数据以及导航解算结果与HPI接口获取的GPS数据以及导航解算结果也是相同的。并与第一串口、第二串口、网口和HPI接口实时通信，实现实时监控；第一串口、第二串口、网口和HPI接口实现输出信息冗余。电平转换芯片组由2片MAX3232和3片MAX3488组成，第一串口、第二串口可以是RS232串口或RS422/485串口。\n由于GPS接收机故障或因干扰、机动导致GPS信号失锁时，GPS接收机输出的GPS数据仅包括少量信息(GPS数据不完整)，与GPS接收机无故障而GPS信号完好时(GPS数据完整)的数据量大为减少，此时的信息告知用户当前GPS数据不可用。基于前述信息，采用以下的GPS故障诊断方法对GPS故障进行诊断：在数据采集模块2内由FPGA内通过VHDL语言实现的比较器对存储于双口RAM1的GPS数据的数据量进行判断，当GPS数据量与GPS信号完好时的GPS数据量相同时允许导航解算模块3中的DSP访问数据采集模块2中双口RAM1存储的GPS数据，当GPS数据量小于GPS信号完好时的GPS数据量时，不允许DSP访问，DSP获取的GPS数据中的协调世界时不变；同时获取GPS数据中给出的判断GPS数据是否可用的信息，据此信息对GPS数据的可用性进行检测，当检测到协调世界时没有变化或协调世界时虽有变化，但GPS数据不可用时，检测出GPS故障。\n输出信息冗余的实现方法为：在IMU脉冲信号采集的同时，通过多路计数器中的一路记录IMU脉冲信号采样次数，数据输出模块4中第一串口输出IMU数据和IMU采样次数，第二串口和网口均输出GPS数据和导航解算结果以及第一串口输出的IMU数据、IMU采样次数，上位机通过HPI接口直接访问DSP内部的IMU数据、IMU采样次数、GPS数据和导航解算结果，第一串口、第二串口、网口输出的IMU数据、IMU采样次数和HPI接口获取的IMU数据、IMU采样次数是相同的，而且第二串口、网口输出的GPS数据以及导航解算结果与HPI接口获取的GPS数据以及导航解算结果也是相同的，实现输出信息中IMU数据、IMU采样次数的四重冗余，GPS数据和导航解算结果的两重冗余，而且通过IMU采样次数而得到一一对应，并与GPS数据中的协调世界时对应；该方法为事后处理提供冗余信息和严格的同步依据。\n实时监控方法为：通过第一串口、第二串口、网口和HPI接口与上位机实时通信，通过上位机的接收显示软件对输出的导航信息进行实时监控，当系统出现严重的错误时以便进行及时的相关处理。\n如图2所示，本发明所采用的时间同步方法为：采用GPS接收机的1PPS秒脉冲信号为基准时钟信号，对其二分频得到占空比为1∶1的时钟信号时钟I，根据GPS接收机数据带宽的不同作如下处理：带宽为1Hz时，以时钟I的高电平和低电平为门限，并依据译码器译码得到的信号(决定采样频率)对系统时钟CLK分频生成IMU数据采集的采样时钟Ts；带宽为2Hz时，将时钟I进行2倍频得到占空比为1∶1的时钟II，然后以时钟II的高电平和低电平为门限，并依据译码器译码得到的信号对系统时钟CLK分频生成IMU数据采集的采样时钟Ts；带宽为4Hz时，将时钟I进行4倍频得到占空比为1∶1的时钟III，然后以时钟III的高电平和低电平为门限，并依据译码器译码得到的信号对系统时钟CLK分频生成IMU数据采集的采样时钟Ts；带宽为2nHz时，n为大于2的正整数，将时钟I进行2n倍频得到占空比为1∶1的时钟n，然后以时钟n的高电平和低电平为门限，并依据译码器译码得到的信号对系统时钟CLK分频生成IMU数据采集的采样时钟Ts；采样时钟Ts前沿与1PPS脉冲前沿对齐，完成GPS数据和IMU数据的时间同步。\n如图3所示，本发明的工作流程为：首先通过数据采集模块的拨码开关选择IMU脉冲信号的采样时钟，开始采集经数据输入模块输出的CMOS电平形式的IMU脉冲信号和GPS信号，每完成一次采集便触发导航解算模块中DSP外部中断，DSP通过响应该中断来读取数据采集模块中FPGA采集的IMU数据和GPS数据，导航解算模块开始初始对准；对准结束后，在导航解算模块中的DSP内对接收到的IMU数据进行判断，如果IMU数据不是与GPS数据同步的数据，则只进行捷联解算，如果为同步数据，除进行捷联解算外，还将解算结果暂存于DSP的内存空间，DSP接收GPS数据是在1PPS后固定时刻进行，如果GPS数据可用则调用DSP内存空间存储的捷联解算结果，通过卡尔曼滤波估计出导航参数的误差，并作修正，从而由数据输出模块输出高精度的导航信息，如果GPS数据不可用，则不做卡尔曼滤波，由数据输出模块输出捷联解算结果，直到工作结束。\n本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。