0 引　言

惯性导航设备是全船的姿态基准，对于协助作战系统对外实施精准打击，其重要性不言而喻。远程精确打击武器在开机启动时，武器惯导需要利用船舶惯导信息进行传递对准。导航的定位误差和姿态精度也会影响到作战系统传感器的跟踪性能^[1] ，航向姿态误差、速度误差的稳定性，对武器惯导的对准精度有决定性影响。随着国防现代化建设地持续发展和推进，对武器系统打击范围、命中精度的需求不断提升，作战系统对导航系统传输数据的实时性、时效性要求日益增大，进一步提高天文导航设备导航信息的可靠性、稳定性、实时性，以提高导航设备的精度、保障武器系统对准需要显得尤为重要^[2]。过去由综合导航系统转发导航数据的模式已逐渐不能满足高精度船舶作战平台的对准要求，通过时间同步技术实时输出同源导航数据及同步脉冲信号是当前的主流应用方向。

随着科学技术的发展，激光陀螺惯性测量技术指标的不断加强，同步输出数据系统也逐渐被人们所重视^[3]。由于激光陀螺惯性测量采用数学解算平台，前端原始数采样必须进行滤波处理^[4]，从而使得数据输出与同步脉冲信号输出天然存在固定时延，一旦同步脉冲信号丢失或被干扰，对外输出数据的实时性和可靠性即无法保证，也无法适应不同平台的多样化输出需求。现有关于激光陀螺惯性测量同步输出的研究主要针对数据外推算法，通过算法优化的方法进行姿态信息的推算^[5-6]，对实时姿态信息进行时间同步和绝对时间标记的研究较少。因此，有必要基于惯导数据时间同步流程，从激光惯性导航原始数据采集处理过程出发，深入导航解算过程，分析激光陀螺惯性测量输出实时性误差源，建立实时输出模型，研究自适应时间同步技术，保证激光陀螺惯性测量输出的实时性和可靠性。

1 输出实时性误差源分析

天文导航设备一般由星体跟踪单元、水平基准、显控台、应急电源等组成。其中电源为设备提供工作必须的电流输入，不涉及导航信息对外输出过程。显控台是导航信息的数据中转站，负责将输出的导航结果按协议规定的格式再打包输出至外部用，该过程仅涉及导航信息数据的解包与再输出，不涉及导航信息同源同步脉冲信号的输出过程。水平基准是导航信息数据与同源同步脉冲信号的输出源头，直接影响着对外输出导航信息的实时性，水平基准工作流程如图1所示。

水平基准由IMU惯性测量单元、转位机构和导航解算模块组成。其中，IMU惯性测量单元主要完成载体坐标系相对惯性坐标系的线运动、角运动信息的测量，在此基础上进行数据预处理，将原始数信息输出至导航解算模块，导航解算模块通过对原始数信息进行数学解算，将转台控制策略和导航结果输出，因此惯性测量单元和导航解算模块是水平基准对外输出导航信息实时性的关键影响因素。

水平基准对外输出导航信息期间，各数据信息及同步信号如图2所示。其中，惯性测量单元是信息源端，输出IMU采集原始数据与IMU采集同步信号。由于采用数学解算平台，采样原始数需进行滤波处理，IMU采集同步信号对应的原始数据并非紧随其后的那一包数据，而是存在一定时延，即图中所示t时刻同步信号对应t时刻原始数据（t时刻为数据产生时刻）。导航解算模块在接受到IMU采集原始数据后进行导航解算处理，该过程存在时间消耗，t时刻导航数据相对t时刻原始数据存在延时。在导航信息对外输出时，需对这些延时进行处理。

因此，当水平基准接收到外部时统信息时，t时刻导航数据与当前时统时间的时间差为Δt' ，其包含两部分时延：1）导航信息数据与对应IMU采集同步信号间的时延，该部分时延由原始数据采集滤波、导航解算、数据传输延时引起；2）时统同步信号与时统时间T₁间的时延，该部分时延由时统时间数据传输延时引起，即Δt与Δt' 不同步偏差。因此，提高水平基准信息同步精度的关键在于两方面，一方面提高导航数据与IMU采集同步信号的同步精度，另一方面提高IMU同步信号与时统同步信号间的差值精度。

2 自适应时间同步方案设计和实现 2.1 自适应时间同步模型建立

在水平基准输出实时性误差源分析的基础上，结合协同容错原则，建立自适应时间同步模型。如图3所示，惯性测量单元发出IMU采集同步信号（即同步脉冲），若同步脉冲正常，则对基准脉冲进行更新，以最新时刻的同步脉冲作为基准脉冲，在基准脉冲的基础上，根据作战系统需求进行高频输出。若同步脉冲异常，如信号丢失或受到干扰，则对基准脉冲进行回滚，以上一次正常的同步脉冲作为基准脉冲，在基准脉冲的基础上，根据作战系统需求进行高频输出。

自适应时间同步模型通过建立自适应基准脉冲，为预处理模块与导航解算模块提供容错空间，通过回滚基准脉冲的手段，保证设备在源端同步脉冲信号在不持续丢失的情况下，保持对外高频实时导航数据和同步脉冲信号的同步，结合每秒钟脉冲晶振的自清零校正，提高导航数据与IMU采集同步信号间的同步精度和可靠性。

在此基础上，采用一种水平基准数据绝对时戳标记算法，以接收时统同步信号时刻为基准计算t时刻导航数据绝对时间，提高IMU同步信号与时统同步信号间的差值精度，如图4所示。

在确定高频实时导航数据和同步脉冲信号的同步关系的基础上，通过对时统同步信号和设备自身IMU采集同步信号进行同步，可保证设备保持对外高频导航数据输出时间标记的准确性。以接收时统同步信号时刻为基准可计算t时刻导航数据绝对时间，t时刻水平基准设备IMU采集原始数据并输出同步信号，原始数据经滤波处理后用于导航解算，解算后获得t时刻导航信息。设备在收到外部时统同步信号时，以时统同步信号为基准，确定时统同步信号与t时刻IMU采集同步信号的时间差Δt。设备收到时统时间T₁后，再计算t时刻导航信息的绝对时间T，计算方法为时统时间T₁扣除同步信号时间差Δt，即T=T₁-Δt，最后对外输出绝对时间T标记后的导航信息。结合前述的自适应时间同步模型，该方法可实现根据外部时间信息实时进行时间同步自校正，避免晶振误差随时间积累造成的时间同步误差，提高IMU同步信号与时统同步信号间的差值精度。通过该方式最终输出的导航信息数据与数据产生时刻间的偏差可控制在1 ms以内。

2.2 软件设计及实现

为提高软件重用性，对水平基准高精度自适应时间同步模块进行模块化、层次化设计，分为IMU信号处理单元、时统信号处理单元、导航信息时间标记单元、多样化同步需求处理单元，各单元间信息流如图5所示。

惯性传感器传入的采样信息经IMU信号处理单元处理后得到基准脉冲，基准脉冲传入导航信息标记单元。时统设备发出的时间同步信号、时间值经时统信号处理单元处理后，得到IMU同步信号与时统同步信号的时间差，传入导航信息标记单元。导航信息标记单元结合基准脉冲、IMU同步信号与时统同步信号间的时间差对所有导航信息打上时间标记，再根据用户传入的多样化输出频率要求向作战系统输出导航信息和对应同步信号。其中，IMU信号处理单元实现导航数据与IMU采集同步信号的高精度同步，时统信号处理单元实现IMU同步信号与时统同步信号间的高精度差值锁存。多样化同步需求处理单元接收用户交互指令或远程控制指令，实时响应用户的信息输出要求。在此设计的基础上，进行编码实现水平基准高精度自适应时间同步。

2.3 试验及结果分析

在试验室环境对前文方法进行验证，将对外输出频率设为40 Hz，结果如图6～图9所示。

如图6所示，系统依据用户要求对外输出40 Hz同步信号，每秒首个同步信号下降沿与1Hz IMU同步信号（即基准脉冲）上升沿对齐。若当前基准脉冲丢失，系统可基于上一正常基准脉冲进行40 Hz同步信号输出。系统对外输出的40 Hz导航信息和对应同步信号见图7，其中同步信号为下降沿触发，由图可知导航数据信号的固定延时在20 ms以内，对导航数据进行绝对时间标记时需将此延时计入。图8为1 Hz IMU同步信号与时统同步信号时间差，通过时统信号处理单元实现高精度差值锁存，用以计算导航信息的绝对时间。图9为经高精度自适应时间同步技术处理后的输出结果姿态误差，姿态误差最大值不超过0.5′，纵摇误差3σ为0.19′，横摇误差3σ为0.24′，说明本文提出的方法可行，能有效保证水平基准的输出精度和同步性能。

3 结　语

本文针对同步脉冲信号丢失或受干扰情况下水平基准对外输出数据实时性无法保证的问题，提出一种基于协同容错机制的自适应航姿同步技术，在不改变硬件状态的前提下，通过软件建立自适应基准脉冲，构建自适应同步模型，保证设备在源端同步脉冲信号在不持续丢失的情况下，保持对外高频实时导航数据和同步脉冲信号输出，试验验证了该技术的可行性和有效性，可用于工程研制。