專利名稱：高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種儀器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的多傳感器集成的核心方法，尤其涉及一種 高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的高精度時間基準(zhǔn)的建立包括兩個部分一是高精度的頻率基準(zhǔn)，通常采用 原子鐘等設(shè)備；另一是對時(校時)，就是將其與國家標(biāo)準(zhǔn)計量認可的時鐘放置一起進行對 時。其缺點主要有常用的原子鐘設(shè)備昂貴、體積和重量大、維護復(fù)雜且費用高、抗環(huán)境干擾 性差；原子鐘雖然頻率穩(wěn)定性高，但隨著時間的推移，仍然存在時間的誤差累計，不能持續(xù) 保持高精度的時間基準(zhǔn)，使用一段時間后，必須進行對時(校時)；對時復(fù)雜且費時費力，必 須要將原子鐘運輸至國家標(biāo)準(zhǔn)計量認可的時鐘基準(zhǔn)處對時?，F(xiàn)有的車載多傳感器集成同步控制方法將距離傳感器與內(nèi)部時鐘結(jié)合，用于按空 間間隔采樣控制傳感器的工作，并為傳感器的采集數(shù)據(jù)提供時間戳。其缺點是沒有將車輛 行駛的線性參考坐標(biāo)與采集的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，對于道路檢測、軌道檢測這類通常以線性參考 坐標(biāo)為基準(zhǔn)的應(yīng)用，空間定位表達十分不方便。現(xiàn)有的車載多傳感器集成同步控制方法主要采用主動同步控制方式。其缺點是 只能對具備主動同步控制的傳感器，如數(shù)字CCD相機等，進行控制，而對其它類型的傳感器 不能實現(xiàn)同步控制功能?！暗缆窚y量車多傳感器集成同步控制器”(專利號200620096887. X)提供了一個 類似的技術(shù)方案，其原理圖如圖1所示。該方案提出了一種道路測量車多傳感器集成同步控制器，其特征在于它包括車 輪編碼器(旋轉(zhuǎn)編碼器)、濾波器、CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件、GPS模塊、微處理器(MCU PIC18F258)、電子開關(guān)和晶振，車輪編碼器、濾波器和CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件依次連接， CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件的同步脈沖連接微處理器，微處理器分別連接電子開關(guān)和晶振， GPS模塊的PPS脈沖輸出端連接微處理器，GPS模塊的NEMA數(shù)據(jù)端與電子開關(guān)相連接，微 處理器與電子開關(guān)相連接。本裝置用GPS數(shù)據(jù)和車輪記數(shù)數(shù)據(jù)，處理后產(chǎn)生同步控制數(shù)據(jù) 控制道路檢測車上的線掃描相機、前方道路圖像相機、激光測距機、超聲波傳感器同步協(xié)調(diào) 工作，同時向中心數(shù)據(jù)采集計算機輸出包含同步時刻時間、空間信息的數(shù)據(jù)流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制 方法和系統(tǒng)，針對主動、被動同步兩類傳感器，提出了主動同步控制電路和被動同步控制電 路，在時空基準(zhǔn)電路提供的時間、空間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對不同的傳感器及控制要求，可以 擴展任意多種傳感器同步控制實例，具備極強的擴展和柔性功能。為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步 控制方法，包括以下步驟
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步驟1-1 建立時空基準(zhǔn)電路，該時空基準(zhǔn)電路提供時間基準(zhǔn)和空間基準(zhǔn)；步驟1-2 通過該時間基準(zhǔn)和該空間基準(zhǔn)建立線性參考坐標(biāo)系，并實現(xiàn)線性參考 坐標(biāo)系及其與大地坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換；步驟1-3 根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，對主動同步傳感器發(fā)送模擬控制信號，實現(xiàn)對主 動同步傳感器的同步控制；步驟1-4 接收外部事件脈沖信號，并響應(yīng)該外部事件脈沖信號產(chǎn)生的中斷，實現(xiàn) 對被動同步傳感器的同步控制。實施時，步驟1-1中的時間基準(zhǔn)的提供包括以下步驟步驟1-1-1 =CPLD對IOMHz脈沖分頻產(chǎn)生毫秒脈沖和秒脈沖；步驟1-1-2 通過對GPS的PPS脈沖信號的濾波及位同步實現(xiàn)GPS時間校準(zhǔn)，即將 CPLD產(chǎn)生的秒脈沖與GPS的秒脈沖對齊后，驅(qū)動內(nèi)時鐘的運行。實施時，步驟1-1中的空間基準(zhǔn)的提供包括以下步驟綜合GPS、里程信號和微機 械陀螺等傳感器的輸出信號，采用航位推算算法(DR，Dead-Reckoning)，能夠在GPS信號收 到干擾、遮擋等條件下的仍能夠輸出正確的位置信息。實施時，步驟1-2中的通過該時間基準(zhǔn)和該空間基準(zhǔn)建立線性參考坐標(biāo)系步驟包 括在時空數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的時空基準(zhǔn)電路將GPS坐標(biāo)、GPS時間、車輛行駛距離和外 部事件輸入信息進行了同步處理，通過時間標(biāo)記將定位數(shù)據(jù)和外部事件進行了關(guān)聯(lián)；時空基準(zhǔn)電路按固定時間間隔輸出車輛當(dāng)前的GPS坐標(biāo)以及行駛的距離，當(dāng)有外 部事件輸入時，立即輸出外部事件發(fā)生的時刻信息；根據(jù)車輛行駛的距離與車輛運行起點 的線性參考坐標(biāo)之和即為當(dāng)前位置的線性參考坐標(biāo)。實施時，步驟1-2中的實現(xiàn)對主動同步傳感器的同步控制步驟包括步驟1-2-1，根據(jù)目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)P，在路線表中快速確定目標(biāo)點所在的路 段；步驟1-2-2，根據(jù)目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)P，在其所在的路段表中確定目標(biāo)點所在 的直線段S，并根據(jù)此直線段在該路段的所有直線段中的排序來確定下一步推算大地坐標(biāo) 的方向，當(dāng)該直線段序號小于等于總段數(shù)的二分之一時，從該段的起點開始推算；當(dāng)該直線 段序號大于總段數(shù)的二分之一時，從該段的終點開始推算；步驟1-2-3，將該路段的起點Ps或終點Pe從大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)，然后 按照直線段的順序，根據(jù)該直線段的長度和方向依次推算每個直線段的終點的空間直角坐 標(biāo)；對于目標(biāo)點所在的直線段，在推算時其長度等于目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)與該直線段的 起點差。本發(fā)明提供了一種高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制系統(tǒng)，包括時空 基準(zhǔn)電路、主動同步控制電路和被動同步控制電路，其中，所述時空基準(zhǔn)電路包括時間基準(zhǔn)單元和空間基準(zhǔn)單元；所述時間基準(zhǔn)單元分別與所述主動同步控制電路和所述被動同步控制電路連接， 為所述主動同步控制電路和所述被動同步控制電路提供時間基準(zhǔn)；所述空間基準(zhǔn)單元分別與所述主動同步控制電路和所述被動同步控制電路連接， 為所述主動同步控制電路和所述被動同步控制電路提供空間基準(zhǔn)；
所述時間基準(zhǔn)電路通過該時間基準(zhǔn)和該空間基準(zhǔn)建立線性參考坐標(biāo)系，并實現(xiàn)線 性參考坐標(biāo)系及其與大地坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換；所述主動同步控制電路根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，對主動同步傳感器發(fā)送模擬控制信 號，實現(xiàn)對主動同步傳感器的同步控制；所述被動同步控制電路接收外部事件脈沖信號，并響應(yīng)該外部事件脈沖信號產(chǎn)生 的中斷，實現(xiàn)對被動同步傳感器的同步控制。實施時，所述時間基準(zhǔn)單元包括CPLD、GPS和高穩(wěn)晶振，其中，CPLD,分別與高穩(wěn)晶振和GPS連接，對IOMHz脈沖分頻產(chǎn)生毫秒脈沖和秒脈沖，并 通過對GPS的PPS脈沖信號的濾波及位同步實現(xiàn)GPS時間校準(zhǔn)，即將CPLD產(chǎn)生的秒脈沖與 GPS的秒脈沖對齊后，驅(qū)動內(nèi)時鐘的運行。實施時，綜合GPS、里程信號和微機械陀螺等傳感器的輸出信號，采用航位推算算 法(DR，Dead-Reckoning)，能夠在GPS信號收到干擾、遮擋等條件下的仍能夠輸出正確的位
直fe息。實施時，所述時間基準(zhǔn)電路通過該時間基準(zhǔn)和該空間基準(zhǔn)建立線性參考坐標(biāo)系包 括時空基準(zhǔn)電路將GPS坐標(biāo)、GPS時間、車輛行駛距離和外部事件輸入信息進行了同 步處理，通過時間標(biāo)記將定位數(shù)據(jù)和外部事件進行了關(guān)聯(lián)；時空基準(zhǔn)電路按固定時間間隔輸出車輛當(dāng)前的GPS坐標(biāo)以及行駛的距離，當(dāng)有外 部事件輸入時，立即輸出外部事件發(fā)生的時刻信息。根據(jù)車輛行駛的距離與車輛運行起點 的線性參考坐標(biāo)之和即為當(dāng)前位置的線性參考坐標(biāo)。實施時，所述時間基準(zhǔn)電路實現(xiàn)對主動同步傳感器的同步控制包括根據(jù)目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)P，在路線表中快速確定目標(biāo)點所在的路段；根據(jù)目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)P，在其所在的路段表中確定目標(biāo)點所在的直線段S， 并根據(jù)此直線段在該路段的所有直線段中的排序來確定下一步推算大地坐標(biāo)的方向，當(dāng)該 直線段序號小于等于總段數(shù)的二分之一時，從該段的起點開始推算；當(dāng)該直線段序號大于 總段數(shù)的二分之一時，從該段的終點開始推算；將該路段的起點Ps或終點Pe從大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)，然后按照直線段的 順序，根據(jù)該直線段的長度和方向依次推算每個直線段的終點的空間直角坐標(biāo)；對于目標(biāo) 點所在的直線段，在推算時其長度等于目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)與該直線段的起點差。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用較為經(jīng)濟的高穩(wěn)晶振、授時型GPS和CPLD器件，在 MCU的控制下自動便捷地建立穩(wěn)定、可靠和高精度的時間基準(zhǔn)，內(nèi)部時鐘精度達到納秒級， 對外輸出時鐘精度達到微秒級；將距離傳感器、GPS與高精度時鐘結(jié)合，建立高精度的空間基準(zhǔn)，并解決道路線性 參考坐標(biāo)與大地坐標(biāo)(WGS-84)之間的快速轉(zhuǎn)換；具備主動、被動和授時同步三種同步控制模式，可同時控制具備主動、被動和授 時同步控制的各類傳感器，并對各傳感器的采集數(shù)據(jù)同步打上時間戳。


圖1是現(xiàn)有的道路測量車多傳感器集成同步控制器的結(jié)構(gòu)圖2是本方面的授時同步控制結(jié)構(gòu)圖。圖3是同步控制器工作原理圖；圖4是車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)的同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明的多傳感器同步控制策略圖；圖6是本發(fā)明的時空基準(zhǔn)電路的結(jié)構(gòu)圖；圖7是道路線性參考坐標(biāo)與動態(tài)分段圖；圖8是本發(fā)明的主動同步控制器的結(jié)構(gòu)圖；圖9是本發(fā)明的被動同步控制電路結(jié)構(gòu)具體實施例方式本發(fā)明公開了一種用于高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制方法，其內(nèi) 容為首先利用GPS(授時型)、高穩(wěn)晶振和CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)建立時間基準(zhǔn)，并 實現(xiàn)與UTC時間的高精度時間傳遞與同步；其次，利用GPS、速度傳感器(或距離傳感器)和 MEMS陀螺建立空間基準(zhǔn)，并實現(xiàn)線性參考坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系(WGS-84)的關(guān)聯(lián)與轉(zhuǎn)換；第 三，CPLD將高穩(wěn)晶振的信號進行分頻得到微秒脈沖、毫秒脈沖和秒脈沖，并通過有效的GPS 秒脈沖信號與CPLD產(chǎn)生的秒脈沖信號進行對齊，完成電路內(nèi)部時鐘與GPS時鐘的傳遞；第 四，CPLD將速度傳感器(或距離傳感器)產(chǎn)生的脈沖信號進行積分(或累計)，MCU (微處 理器)響應(yīng)秒脈沖信號的中斷，讀得距離的積分(累計)值，并將其與當(dāng)前時刻的GPS坐標(biāo) 相關(guān)聯(lián)；第五，該電路可以根據(jù)運行設(shè)定的參數(shù)，對CCD相機、激光測距機等傳感器發(fā)送模 擬控制信號(脈沖)，實現(xiàn)對該類傳感器的同步控制，同時通過串口或USB向上位機發(fā)送同 步時刻數(shù)據(jù)；第六，該電路可以接收外部事件(Event)脈沖信號，MCU(微處理器)響應(yīng)該脈 沖產(chǎn)生的中斷，得到該脈沖信號產(chǎn)生的時刻和位置信息，并通過串口或USB向上位機發(fā)送 同步時刻數(shù)據(jù)；第七，該電路可以通過串口和USB向上位機發(fā)送整秒時刻信息，并通過模擬 I/O 口發(fā)送秒脈沖信號，可以實現(xiàn)對激光掃描儀這一類授時同步傳感器進行時鐘同步。使 用本發(fā)明所設(shè)計的利用GPS、高穩(wěn)晶振、CPLD、MCU和速度傳感器(或距離傳感器)構(gòu)建的移 動測量多傳感器同步控制電路突破了傳統(tǒng)的高精度時鐘基準(zhǔn)需要高精度的頻率源和復(fù)雜 的對時流程的局限，不需要昂貴的原子鐘等設(shè)備即可快速完成對時和建立高精度的時間基 準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對多種測量傳感器，如CCD相機、激光測距儀、激光掃描儀、多光譜儀等，進行 主動、被動或授時同步控制，降低了移動測量系統(tǒng)的硬件成本，并提高了系統(tǒng)的測量精度， 可廣泛應(yīng)用于移動道路測量、移動路面檢測、移動水下測量、低空測繪和航空測繪等系統(tǒng)的 集成。本發(fā)明將時空獲取傳感器分為主動、被動和授時同步等三類傳感器，并分別提出 了主動、被動和授時同步等三種傳感器同步控制方法；本發(fā)明設(shè)計了三個電路時空基準(zhǔn)電路、主動同步控制電路、被動同步控制電路， 提出了以時空基準(zhǔn)電路為基礎(chǔ)，主動和被動同步電路可無窮擴展的多傳感器同步控制模 式；本發(fā)明的時空基準(zhǔn)電路通過對經(jīng)濟型的高穩(wěn)晶振、GPS接收模塊、距離測量裝置等 傳感器的有效集成，自動可靠建立高精度的時間基準(zhǔn)、空間線性參考基準(zhǔn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)快速 的線性參考坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換；
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本發(fā)明的主動同步控制電路可根據(jù)數(shù)據(jù)采集的需求，采用主動發(fā)送傳感器控制信 號，并將此信號引入MCU的中斷以獲取此控制信號發(fā)生時刻的傳感器的時空坐標(biāo)，以用于 采集數(shù)據(jù)的同步與融合；本發(fā)明的被動同步控制電路將傳感器采樣時刻的同步信號引入MCU的中斷以獲 取傳感器采樣時刻的傳感器的時空坐標(biāo)，以用于采集數(shù)據(jù)的同步與融合。本發(fā)明由于采用了經(jīng)濟型的傳感器，諸如高穩(wěn)晶振、授時型GPS等，使得成本低 廉；采用了嵌入式設(shè)計方案，使得時空同步更加快速與可靠，也提保證了時間的同步 精度；提出將時空數(shù)據(jù)獲取傳感器的三類分類方法，針對不同類型的傳感器，只需要一 種同步控制電路即可實現(xiàn)同步控制，具有很強的推廣性；提出的兩級同步控制策略，在時空基準(zhǔn)電路的基礎(chǔ)上，針對不同的傳感器及不同 的用途，可以任意擴展具體的時空數(shù)據(jù)獲取方案與系統(tǒng)；通過時空基準(zhǔn)電路，快速建立了線性參考坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型。多傳感器同步控制車載移動測量系統(tǒng)的各傳感器按照各自的采樣間隔進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的輸入頻 率各不相同，時間精度也各不相同。要想把每個傳感器的測量數(shù)據(jù)傳輸至計算機進行處理， 必然涉及到基準(zhǔn)的問題。在車載移動測量系統(tǒng)中有兩個基準(zhǔn)空間基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)。為了 能將同一時刻各種傳感器測量出來的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，需要一種統(tǒng)一的時間坐標(biāo)。為了實現(xiàn) 多源數(shù)據(jù)的融合集成處理，整個系統(tǒng)的傳感器采集的數(shù)據(jù)必須建立在同一時間坐標(biāo)軸上， 以實現(xiàn)任意數(shù)據(jù)的集成處理。為了減輕計算機的工作任務(wù)，地面車載移動測量系統(tǒng)通過一 個時間同步控制器實現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的同步記錄。所有的傳感器采集的數(shù)據(jù)都統(tǒng)一在時間 同步控制器上，從而實現(xiàn)GPS、INS、CCD攝像機、激光掃描儀之間數(shù)據(jù)的有效集成。為了提高 時間同步控制器的時間精度，可將GPS輸出的時間信號和PPS信號引入至?xí)r間同步控制器， 對時間同步控制器進行對時處理。多傳感器同步控制的定義多傳感器的同步控制是指為完成指定的檢測和測量任務(wù)，通過特定的方法和手段 使得參與任務(wù)的多個傳感器按照預(yù)定的節(jié)奏、頻率和邏輯順序協(xié)同工作。時間同步控制器 就是通過一系列的電路系統(tǒng)，保證各個傳感器之間，以及傳感器和定位系統(tǒng)之間的時間同 步。對于車載移動測量系統(tǒng)的任意一種傳感器而言，其數(shù)據(jù)采樣無非采用了兩種方式時間 間隔采樣和空間間隔采樣。時間間隔采樣是指傳感器根據(jù)其內(nèi)部的頻率基準(zhǔn)(晶體振蕩器、原子鐘等)，按照 一定的時間間隔進行數(shù)據(jù)的采樣、處理和輸出。這類傳感器主要包括GPS接收機、激光掃 描儀、標(biāo)準(zhǔn)視頻攝像機、各種慣性傳感器等?？臻g間隔采樣是指傳感器雖然有內(nèi)部的頻率基準(zhǔn)，但是其數(shù)據(jù)的采樣、處理和輸 出是按照空間位置的變化或者外部控制信號的輸入而進行的。這類傳感器主要包括光電 編碼器、具有外觸發(fā)功能的各種相機和激光測距機等。對于時間間隔采樣的傳感器，為完成特定的檢測和測量任務(wù)，由于無法從外部控 制其數(shù)據(jù)采樣和輸出的時刻，所以一般要求其輸出的數(shù)據(jù)帶有采樣的時刻信息，或者輸出采樣時刻的脈沖信號。如GPS接收機和IMU的每幀數(shù)據(jù)都有UTC時間，高檔激光掃描儀的 每個點的測量數(shù)據(jù)也有時間標(biāo)記，標(biāo)準(zhǔn)視頻攝像機輸出信息也帶有幀同步脈沖信號等。對于空間間隔采樣的傳感器，可以從外部控制其數(shù)據(jù)采樣和輸出的時刻，所以需 要一套用來精準(zhǔn)記錄外部控制信號的電路來實現(xiàn)。為完成該類傳感器與GPS等時間間隔的 傳感器的數(shù)據(jù)融合，一般采用GPS作為時間基準(zhǔn)。多傳感器同步控制的方法車載移動測量系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)，是空間間隔采樣的工作方式，在這種工作方 式下，控制器在外部的DMI (Distance Measurment Indicator)產(chǎn)生的距離脈沖的驅(qū)動下， 按照預(yù)先設(shè)置好的脈沖寬度，對距離脈沖進行調(diào)制放大，并實時轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集傳感器系 統(tǒng)，作為觸發(fā)信號控制CCD相機和激光掃描儀進行同步采集。并且同步控制器會把脈沖對 應(yīng)的信息，包括脈沖發(fā)生時間，序列號等有用信息通過RS232串口，實時傳送到車載激光圖 像采集系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)內(nèi)，方便于計算機識別CCD相機和激光雷達傳輸回來的數(shù)據(jù)，并 利用這些信息將數(shù)據(jù)存儲起來。在數(shù)據(jù)采集的同時，距離脈沖同時傳輸給POS系統(tǒng)，POS系 統(tǒng)實時記錄下數(shù)據(jù)采集時所對應(yīng)的時間下，車輛平臺在大地坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)信息。 這樣，通過時間同步控制系統(tǒng)，就實現(xiàn)了 POS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和測量傳感器系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù) 之間的統(tǒng)一。為了獲取準(zhǔn)確的時間，在同步控制系統(tǒng)中，也安裝了 GPS系統(tǒng)(主要是用來接 收和校正時間)和高精度的晶振，用來提供同步信號中的時間，并且需要達到毫秒級的精 度。由于車載移動測量系統(tǒng)是在動態(tài)條件下工作，為達到較高的數(shù)據(jù)融合配準(zhǔn)的時間 精度要求，其傳感器控制信號一般采用脈沖電信號，而不是數(shù)據(jù)指令。因為脈沖電信號可直 接引入傳感器的內(nèi)部硬件電路，且傳輸速度是光速，可實現(xiàn)“即時”的工作；而數(shù)據(jù)指令一般 是通過串行發(fā)送實現(xiàn)的，不僅在傳輸過程中消耗時間，還需要一個數(shù)據(jù)合成與解析的過程， 所以難以實現(xiàn)“即時”的目標(biāo)，因此這種控制方式只能在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)條件下使用。這兩種 信號方式好比田徑比賽中，計時人員的計時開始時刻是看發(fā)令槍的煙而不是聽見槍的響聲 一樣。車載移動測量系統(tǒng)的多傳感器同步控制方式主要有三種方式主動同步、被動同 步和授時同步。主動同步主動同步是指時間同步控制器主動向傳感器發(fā)送同步控制信號，這類控制信號 主要包括脈沖觸發(fā)信號(電平觸發(fā)、上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)等)和記錄此脈沖觸發(fā)信號的 同步器內(nèi)部精確時間信息。傳感器接收到同步控制信號后，便開始數(shù)據(jù)采集工作，等完成一 次數(shù)據(jù)采集后，將采集的數(shù)據(jù)與同步時間信號配準(zhǔn)后發(fā)送到數(shù)據(jù)采集計算機，從而實現(xiàn)多 傳感器的數(shù)據(jù)同步采集。因此，主動同步控制要求傳感器能夠接收同步控制器的控制信號，具備相應(yīng)的硬 件和軟件接口。具備此功能的傳感器主要有各種型號的逐行掃描的面陣或線陣CCD相機、 帶有外觸發(fā)功能的激光測距機等。在車載道路檢測與測量系統(tǒng)中的前方景觀立體測量的彩色面陣CCD相機、路面圖 像采集的線陣黑白CCD相機、車轍測量的黑白面陣CCD相機等，在數(shù)據(jù)采集過程中，都工作 在主動同步方式下，由同步控制器發(fā)送同步控制指令而進行數(shù)據(jù)采集的。
被動同步被動同步是指時間同步控制器被動接收傳感器發(fā)送回來的同步工作信號，通過內(nèi) 部的硬件中斷來記錄該信號的時刻信息，并將該時刻信息發(fā)送到數(shù)據(jù)采集計算機。數(shù)據(jù)采 集計算機通過軟件將傳感器的測量數(shù)據(jù)與同步控制器發(fā)送的同步時刻信息進行融合配準(zhǔn)， 從而實現(xiàn)多傳感器的數(shù)據(jù)同步采集。因此，被動同步控制要求傳感器在進行測量的過程中能夠在測量采樣開始或終止 時刻輸出脈沖信號，具備相應(yīng)的硬件接口。具備此功能的傳感器主要有各種型號標(biāo)準(zhǔn)視頻 信號(PAL、NTSC等)CCD相機、帶有同步輸出的數(shù)字CCD相機、某些帶有同步輸出功能的激 光掃描儀等。在車載道路檢測與測量系統(tǒng)中的由德國Sick公司制造的激光掃描儀，在數(shù)據(jù)采 集過程中，其旋轉(zhuǎn)棱鏡每轉(zhuǎn)一周即可輸出一個脈沖信號，此脈沖信號由同步控制器記錄后， 可對該掃描周期的激光測距值進行時間標(biāo)記，為后續(xù)的數(shù)據(jù)融合打下基礎(chǔ)。授時同步授時同步是指時間同步控制器僅向傳感器發(fā)送時間數(shù)據(jù)信號和PPS(秒脈沖)信 號，不發(fā)送同步控制脈沖信號，傳感器也不向同步控制器發(fā)送同步工作脈沖信號，但是傳感 器內(nèi)部能夠接收時間數(shù)據(jù)信號和PPS(秒脈沖)信號，并直接將測量數(shù)據(jù)與采樣時刻的精確 時間信息融合，發(fā)送到數(shù)據(jù)采集計算機中。也就是說，傳感器輸出的測量數(shù)據(jù)中就含有精確 的同步時間信息。因此，具備授時同步功能的傳感器是一種智能化的傳感器，其結(jié)構(gòu)和電路非常復(fù) 雜，價格昂貴，但是其后續(xù)的數(shù)據(jù)融合配準(zhǔn)比較簡單。這類傳感器主要是一些高性能的激光 掃描儀，如奧地利Riegl公司生產(chǎn)的LMS系列二維機載、車載的激光掃描儀，都具備GPS授 時功能，輸出的每個數(shù)據(jù)都帶有UTC時間標(biāo)簽，如圖2所示。車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)同步控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)同步控制系統(tǒng)是車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)， 在車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)建立統(tǒng)一的時空基準(zhǔn)的同時，協(xié)調(diào)、指揮和控制著所有車 載傳感器、數(shù)據(jù)采集板卡及計算機。如圖3所示，車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)的同步控制系統(tǒng)主要由時間同步控制 器(主同步控制器)、景觀圖像采集同步控制器(近景測量)、路面圖像采集同步控制器、車 轍測量同步控制器、平整度測量同步控制器、激光掃描同步控制器和外部事件記錄同步控 制器組成。時間同步控制器的主要功能是接收GPS空間和時間信息、車輪編碼器的相對空間 信息以及上位機的設(shè)置信息，在建立時空基準(zhǔn)的同時，將位置信息、距離信息和時間信息融 合，為其它職能型同步控制器提供位置、距離及時間等同步信息。景觀圖像采集同步控制器(近景測量)、路面圖像采集同步控制器、車轍測量同步 控制器、平整度測量同步控制器、激光掃描同步控制器和外部事件記錄同步控制器主要是 接收時間同步控制器的同步信息和上位機的數(shù)據(jù)采集參數(shù)，融合后控制和記錄傳感器的工 作狀態(tài)，并向數(shù)據(jù)采集計算機提供傳感器的同步工作信息。這里，景觀圖像采集同步控制器 (近景測量)、路面圖像采集同步控制器、車轍測量同步控制器、平整度測量同步控制器屬 于主動同步類型控制器，而激光掃描同步控制器和外部事件記錄同步控制器屬于被動同步類型控制器。多傳感器集成是指綜合利用在不同時間序列上獲得的多種傳感器信息按一定準(zhǔn) 則加以綜合分析來幫助系統(tǒng)完成某項任務(wù)，包括對各種傳感器給出的有用信息進行采集、 傳輸、分析與合成等處理。多傳感器集成的基本出發(fā)點是充分利用多個傳感器資源，通過對 這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補 信息依據(jù)某種準(zhǔn)則來進行組合，高精度多時空數(shù)據(jù)獲取傳感器集成測量系統(tǒng)是利用多種傳感器對地面三維空間 環(huán)境進行全面高精度的幾何與屬性數(shù)據(jù)采集，為地理信息、三維道路與城市、重要交通基礎(chǔ) 設(shè)施等提供全面、可靠、高效的三維數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，研究的內(nèi)容是多傳感器系統(tǒng)集成與多 源數(shù)據(jù)的濾波及融合處理，比較有代表性的研究成果有移動道路測量系統(tǒng)該系統(tǒng)利用GPS、光纖陀螺儀、距離傳感器、多臺數(shù)字CXD相機 及視頻相機等傳感器，采用近景攝影測量原理，實現(xiàn)對道路周圍地物的點位測量、三維建模 與可視化等，主要應(yīng)用于城市部件調(diào)查、三維實景地圖等方面。路面綜合檢測系統(tǒng)該系統(tǒng)裝備高分辨率線陣圖像傳感器、激光線結(jié)構(gòu)光三維測 量傳感器、多臺CXD傳感器、激光測距傳感器、GPS、距離測量傳感器、加速度計和陀螺等慣 性傳感器，完成道路路面圖像、路面形狀、沿線道路設(shè)施的三維空間數(shù)據(jù)和圖像、道路平整 度、紋理構(gòu)造深度及道路幾何參數(shù)等數(shù)據(jù)采集，主要應(yīng)用于高速公路、國省道、城市道路及 機場道路的裂縫、車轍、平整度及沿線設(shè)施的檢測與測量。多時空數(shù)據(jù)獲取傳感器集成測量系統(tǒng)的各傳感器按照各自的采樣間隔進行數(shù)據(jù) 采集，數(shù)據(jù)的輸入頻率各不相同，時間精度也各不相同，要把每個傳感器的測量數(shù)據(jù)傳輸至 計算機進行處理，必然涉及到基準(zhǔn)的問題。在多時空數(shù)據(jù)獲取傳感器集成測量系統(tǒng)中有兩個基準(zhǔn)空間基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)。對于空間基準(zhǔn)，需首先建立一系統(tǒng)坐標(biāo)系，其起點為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的零點，盡可能 地通過陀螺軸，將每種傳感器的零點如GPS接收機的相位中心、激光測距儀的零標(biāo)志點均 規(guī)算到該系統(tǒng)坐標(biāo)系中。為了能將同一時刻各種傳感器測量出來的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，需要一種統(tǒng)一的時間坐 標(biāo)。為了實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合集成處理，整個系統(tǒng)的傳感器采集的數(shù)據(jù)必須建立在同一時 間坐標(biāo)軸上，以實現(xiàn)任意數(shù)據(jù)的集成處理。實現(xiàn)各傳感器的數(shù)據(jù)同步記錄對于整個系統(tǒng)非常困難。由于通過計算機使用高級語言編寫程序記錄微秒或納秒時間非常困難，甚至是不 可能的，同時為了減輕計算機的工作任務(wù)，多時空數(shù)據(jù)獲取傳感器集成測量系統(tǒng)必須通過 一個同步控制系統(tǒng)來實現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的同步記錄。所有的傳感器采集的數(shù)據(jù)都統(tǒng)一在同 一時間軸上，從而實現(xiàn)GPS、INS、(XD攝像機、激光掃描儀之間數(shù)據(jù)的有效集成。為了提高同 步控制系統(tǒng)的時間精度，可將GPS輸出的時間信號和PPS信號引入至?xí)r間同步控制裝置，對 時間同步控制裝置的內(nèi)部時鐘進行對時。多傳感器同步控制方式主要有以下三種方式主動同步主動同步是指同步控制器主動向傳感器發(fā)送同步控制信號，這類控制 信號包括脈沖觸發(fā)信號(電平觸發(fā)、上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)等)和記錄此脈沖觸發(fā)信號的 同步器內(nèi)部精確時間信息。傳感器接收到同步控制信號后，便開始數(shù)據(jù)采集工作，等完成一次數(shù)據(jù)采集后，將采集的數(shù)據(jù)與同步時間信號配準(zhǔn)后發(fā)送到數(shù)據(jù)采集計算機，從而實現(xiàn)多 傳感器的數(shù)據(jù)同步采集。因此主動同步控制要求傳感器能夠接收同步控制器的控制信號， 具備相應(yīng)的硬件和軟件接口。具備此功能的傳感器主要有各種型號的逐行掃描的面陣或線 陣CCD相機、帶有外觸發(fā)功能的激光測距機等。被動同步被動同步是指時間同步控制器被動接收傳感器發(fā)送回來的同步工作信 號，通過內(nèi)部的硬件中斷來記錄該信號的時刻信息，并將該時刻信息發(fā)送到數(shù)據(jù)采集計算 機。數(shù)據(jù)采集計算機通過軟件將傳感器的測量數(shù)據(jù)與同步控制器發(fā)送的同步時刻信息進行 融合配準(zhǔn)，從而實現(xiàn)多傳感器的數(shù)據(jù)同步采集。因此，被動同步控制要求傳感器在進行測量 的過程中能夠在測量采樣開始或終止時刻輸出脈沖信號，具備相應(yīng)的硬件接口。具備此功 能的傳感器主要有各種型號標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(PAL、NTSC等)CCD相機、帶有同步輸出的數(shù)字 CCD相機、某些帶有同步輸出功能的激光掃描儀等。授時同步授時同步是指時間同步控制器僅向傳感器發(fā)送時間數(shù)據(jù)信號和 PPS(秒脈沖)信號，不發(fā)送同步控制脈沖信號，傳感器也不向同步控制器發(fā)送同步工作脈 沖信號，但是傳感器內(nèi)部能夠接收時間數(shù)據(jù)信號和PPS(秒脈沖)信號，并直接將測量數(shù)據(jù) 與采樣時刻的精確時間信息融合，發(fā)送到數(shù)據(jù)采集計算機中。也就是說，傳感器輸出的測量 數(shù)據(jù)中就含有精確的同步時間信息。因此，具備授時同步功能的傳感器是一種智能化的傳 感器，其結(jié)構(gòu)和電路非常復(fù)雜，價格昂貴，但是后續(xù)的數(shù)據(jù)融合配準(zhǔn)比較簡單，這類傳感器 主要是一些高性能的激光掃描儀，如奧地利Riegl公司生產(chǎn)的LMS系列二維機載、車載的激 光掃描儀，都具備GPS授時功能，輸出的每個數(shù)據(jù)都帶有UTC時間標(biāo)簽。本發(fā)明技術(shù)方案如圖4所示，其主要由兩部分組成。一部分(圖4左部分)主要 是通過GPS(全球定位系統(tǒng))接收機、陀螺儀、距離傳感器、高穩(wěn)晶振建立高精度的時間和空 間基準(zhǔn)；另外部分(圖4右側(cè))是針對主動、被動和授時同步三類傳感器，采用不同的同步 控制方法，并實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的快速融合。如圖5所示，本發(fā)明針對主動、被動同步兩類傳感器，提出了主動同步控制電路和 被動同步控制電路，在時空基準(zhǔn)電路提供的時間、空間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對不同的傳感器及 控制要求，可以擴展任意多種傳感器同步控制實例，具備極強的擴展和柔性功能。本發(fā)明主要由時空基準(zhǔn)電路、主動同步控制電路和被動同步控制電路三個主要部 分和其它輔助部分組成。時空基準(zhǔn)電路是高精度時空數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的一個時間和空間基準(zhǔn)，而且是一個實 時的連接系統(tǒng)，借用機械上的一個術(shù)語來說，就是給各個傳感器在時間上形成一個剛性連 接，或者是形成一個無距離的連接。對于時空基準(zhǔn)電路而言，實時的距離觸發(fā)脈沖的計數(shù)、 分頻和傳遞以及穩(wěn)定的高精度實時時鐘是設(shè)計的重點和難點。如果距離脈沖信號通過同步 電路后，造成一定的時間延誤，將會造成時空數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)定位的延后，測量精度也就無法 保證。如果時空基準(zhǔn)電路自身的時間不能提供相對精確的的時間，就會給獲取數(shù)據(jù)的存儲 以及后期的可靠性驗證產(chǎn)生不良影響。本發(fā)明的時間產(chǎn)生模塊的相對時間由CPLD(復(fù)雜可 編程邏輯器件)對高穩(wěn)晶振產(chǎn)生的脈沖分頻獲得，經(jīng)過GPS校準(zhǔn)后形成絕對時間。這既保 證了時空基準(zhǔn)電路的時間和GPS時間的同步，又使其對GPS的依賴性大大降低。如圖6所示，時空基準(zhǔn)電路主要由ARM高性能微處理器為核心，與液晶顯示器、鍵 盤輸入模塊、串行通信模塊以及I/O模塊等部件，構(gòu)成了一個完整的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。其中，IOMHz高穩(wěn)晶振、CPLD和授時GPS組成時間產(chǎn)生模塊，CPLD —方面對IOMHz脈沖分頻產(chǎn) 生毫秒脈沖和秒脈沖；另一方面，通過對GPS的PPS脈沖信號的濾波及位同步實現(xiàn)GPS時 間校準(zhǔn)，即將CPLD產(chǎn)生的秒脈沖與GPS的秒脈沖對齊后，驅(qū)動內(nèi)時鐘的運行。時空基準(zhǔn)電路接收GPS、陀螺和行程編碼器的數(shù)據(jù)信號，并根據(jù)時空數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng) 中各個傳感器的要求，提供距離脈沖、秒脈沖等模擬信號和時間等數(shù)字信號，實現(xiàn)整個時空 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)集成與同步控制。1)CPU 的選擇時空基準(zhǔn)電路的內(nèi)時鐘由硬件驅(qū)動和軟件控制兩部分完成。因此，要保證高精度 的系統(tǒng)時鐘，除選用高穩(wěn)晶振和定期校時外，還要求CPU指令周期應(yīng)盡可能短，以減少由于 中斷的不確定性而引起的誤差。CPU除了完成對時之外，還要處理運行的里程計算，并完成 建立道路線性參考坐標(biāo)系所需要的的車輛運行線性坐標(biāo)與時間信息關(guān)聯(lián)。因此，其計算量 比較大，從而選擇了 32位的ARM構(gòu)架的CPU芯片，該CPU具有非常高的指令執(zhí)行速度。當(dāng) 采用200MHz晶振時，其指令周期僅為40ns。2)時間產(chǎn)生模塊對于時空數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)而言，穩(wěn)定的高精度實時時鐘是設(shè)計的重點和難點。如果 時間累計誤差太大，勢必造成整個數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)定位的不準(zhǔn)確，測量精度也就無法保證。時 間產(chǎn)生模塊的相對時間由CPLD對高穩(wěn)晶振產(chǎn)生的IOMHz脈沖分頻獲得，經(jīng)過GPS校準(zhǔn)后形 成絕對時間。這既保證了控制器的時間精度，又使其對GPS的依賴性大大降低。復(fù)雜可編程 邏輯器件CPLD是從PAL、GAL發(fā)展而來的陣列型高密度PLD器件。由于它是純硬件結(jié)構(gòu)，不 存在程序的跑飛和死機等問題，具有極強的抗干擾能力，而且由它引起的延遲是固定的，很 容易補償，所以本系統(tǒng)選用Altera公司的EPM7128芯片。GPS選用Ublox公司生產(chǎn)的5T系 列授時型GPS。它是一種并行16通道接收機，有極強的抗樹蔭和高樓遮擋的能力，適用于城 市及車載系統(tǒng)。其秒脈沖精度小于60ns ；串行通信輸出信息為二進制，波特率為9600bps， 輸出速率可由軟件選擇(連續(xù)輸出或查詢輸出)。時空基準(zhǔn)電路中CPLD完成了校時的核心功能。它的內(nèi)部分為毫秒和秒脈沖產(chǎn)生 單元、GPS秒脈沖信號濾波單元、對齊脈沖產(chǎn)生單元和狀態(tài)機控制單元4個部分。CPU接收 到GPS的定位數(shù)據(jù)，從中求解出GPS當(dāng)前鎖定的衛(wèi)星數(shù)，如果大于設(shè)定的衛(wèi)星數(shù)，說明當(dāng)前 秒脈沖有效。CPLD狀態(tài)機控制電路接收后，進入校時狀態(tài)。當(dāng)對齊脈沖產(chǎn)生電路檢測到有 效的秒脈沖時，產(chǎn)生對齊脈沖，此脈沖將電路晶振經(jīng)CPLD產(chǎn)生的毫秒和秒脈沖產(chǎn)生電路 復(fù)位完成一次校時過程。由于衛(wèi)星信號的不穩(wěn)定和各種干擾的存在，使GPS的秒脈沖中會出現(xiàn)毛刺等干擾 現(xiàn)象?？刂破骼帽旧淼母呔让}沖來對秒脈沖進行可信度鑒別，即設(shè)定一定寬度的窗口， 將窗口之外的脈沖作為干擾脈沖，系統(tǒng)不對其進行響應(yīng)，從而達到濾波效果。3)線性參考坐標(biāo)系及其與大地坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)中，公路等線狀特征(Feature)是以弧段為基本單位進行存 儲和管理的，處理公路等現(xiàn)狀特征最常用的是節(jié)點-弧段模型。對于道路檢測與測量的對 象的描述、測量、存儲和管理等應(yīng)用來說，傳統(tǒng)的節(jié)點弧段數(shù)據(jù)模型在模擬和處理時存在著 明顯的困難，并且由于道路管理部門來說，也一直使用著這樣的一種坐標(biāo)系，即“道路名稱+ 方向+距離”的方式，也就是線性參考坐標(biāo)系。在車載道路快速檢測與測量系統(tǒng)中，為滿足車輛行駛距離測量的要求，使用了距離測量裝置(Distance Measurment Indicator-DMI)， 該設(shè)備與屬性錄入設(shè)備相配合，即可形成道路線性參考系統(tǒng)(LRS，Linear Reference System)。 線性參考系統(tǒng)包括線性參考方法，基礎(chǔ)線性網(wǎng)絡(luò)和線性分布事件(包括設(shè)施)。所 謂線性參考方法就是怎樣確定線性分布事件在線性網(wǎng)絡(luò)中的位置。常用的線性參考方法有 里程參考、分段參考、地址參考和觀測點參考等。線性參考方法的關(guān)鍵是線性量測方法，其 線性網(wǎng)絡(luò)包括線性道路網(wǎng)和控制點集。線性分布事件則是沿線性網(wǎng)絡(luò)分布的設(shè)施或事件， 包括點事件和線事件，點事件如橋梁、交通事故等，線事件如路段平整度、路段路面材料類 型等。 線性參考的特點在于它能夠僅用一個參數(shù)，不是兩個參數(shù)(如經(jīng)度/緯度或x/y)， 根據(jù)線性構(gòu)造來定位屬性和事件。只要指定沿某個線性構(gòu)造的起點和終點，就能夠動態(tài)地 參考和創(chuàng)建此線性構(gòu)造的各個部分，無須直接存儲各部分的數(shù)據(jù)。線性參考系統(tǒng)的另一個 特點是只有一個基礎(chǔ)線性網(wǎng)絡(luò)具有幾何特征(即空間坐標(biāo))，線性分布事件表達為屬性， 但這些屬性可以通過線性分段技術(shù)在地理信息系統(tǒng)中顯示其空間位置(即線性網(wǎng)絡(luò)中的 點或線段)，其條件是這些屬性具備線性參考方法的基本要求。(1)時空數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的線性參考坐標(biāo)系建立方法在時空數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的時空基準(zhǔn)電路將GPS坐標(biāo)(大地坐標(biāo))、GPS時間 (UTC)、車輛行駛距離和外部事件輸入等信息進行了同步處理，通過時間標(biāo)記將各種定位數(shù) 據(jù)和外部事件進行了關(guān)聯(lián)。時空基準(zhǔn)電路按固定時間間隔(0. Is-Is)輸出車輛當(dāng)前的GPS坐標(biāo)、行駛的距離 等，當(dāng)有外部事件輸入時，立即輸出外部事件發(fā)生的時刻信息。根據(jù)車輛行駛的距離與車輛 運行起點的線性參考坐標(biāo)之和即為當(dāng)前位置的線性參考坐標(biāo)。Dref = Sref+T式中，Dref為當(dāng)前位置的線性參考坐標(biāo)，Sref為車輛出發(fā)點的線性參考坐標(biāo)，T為車 輛行駛的距離。同理，也可以通過時間信息可以將GPS坐標(biāo)與線性參考坐標(biāo)關(guān)聯(lián)起來。(2)線性參考坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換時空數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中，通過其時空基準(zhǔn)電路，即可建立GPS坐標(biāo) 與線性參考坐標(biāo)的一一對應(yīng)關(guān)系，同時也可實現(xiàn)外部事件與線性參考的關(guān)聯(lián)。但是由于所 采集的GPS坐標(biāo)記錄與線性參考坐標(biāo)記錄數(shù)據(jù)量十分龐大，如采樣間隔在Is條件下，1小時 的記錄達到3600條，并不適合道路GIS系統(tǒng)來管理。同時，在數(shù)據(jù)采集過程中，GPS坐標(biāo)和 線性參考坐標(biāo)可以通過時間相關(guān)聯(lián)，但是在GIS數(shù)據(jù)管理中，就必須建立獨立于時間參考 的線性參考坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換模型。時空數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)所涉及的檢測與測量對象都是有特定幾何形態(tài)的點狀、線狀和 面狀元素，但與這些元素相關(guān)的分布式屬性卻隨著時間和空間的變化而動態(tài)改變。為了便 于對這些屬性在GIS系統(tǒng)中的管理，線性參考系統(tǒng)中引入了動態(tài)分段技術(shù)。動態(tài)分段技術(shù) 是一個建立在線性網(wǎng)絡(luò)之上的數(shù)據(jù)模型，是對線性特征進行以某種量測標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)的相對 位置劃分的技術(shù)。該技術(shù)一方面可以將原有的線性元素劃分為一系列的線性段落，并將段 落重新連接成線性元素；另一方面，通過動態(tài)分段，可以將現(xiàn)實世界中的空間屬性與線性元素聯(lián)系起來。因此，可以根據(jù)動態(tài)分段的思想，建立線性參考坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系的關(guān)聯(lián)與 轉(zhuǎn)換模型。如圖7所示，對一條道路按照整公里樁、區(qū)域邊界或其它依據(jù)動態(tài)劃分為若干段； 在每段內(nèi)，根據(jù)道路線形的曲率將該段曲線用若干個直線段逼近，每條直線段具有起點位 置的線性參考坐標(biāo)、長度和方向。從而可以建立道路的路線表和分段表。在時空數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中，例如道路病害、交通標(biāo)志等點事件以及平整度、橋梁等線 事件需要在GIS地圖上快速顯示，而這類事件在道路管理部門中確經(jīng)常是按照線性參考系 來表達的。因此，需要建立線性參考坐標(biāo)到大地坐標(biāo)的快速轉(zhuǎn)換算法。算法如下第一步，根據(jù)目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)P，在路線表中快速確定目標(biāo)點所在的路段；第二步，根據(jù)目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)P，在其所在的路段表中確定目標(biāo)點所在的直 線段S，并根據(jù)此直線段在該路段的所有直線段中的排序來確定下一步推算大地坐標(biāo)的方 向，當(dāng)該直線段序號小于等于總段數(shù)的二分之一時，從該段的起點開始推算；當(dāng)該直線段序 號大于總段數(shù)的二分之一時，從該段的終點開始推算；第三步，將該路段的起點Ps或終點Pe從大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)，然后按照 直線段的順序，根據(jù)該直線段的長度和方向依次推算每個直線段的終點的空間直角坐標(biāo); 對于目標(biāo)點所在的直線段，在推算時其長度等于目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)與該直線段的起點 差。具體推算如下
有
權(quán)利要求
一種高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1 1建立時空基準(zhǔn)電路，該時空基準(zhǔn)電路提供時間基準(zhǔn)和空間基準(zhǔn)；步驟1 2通過該時間基準(zhǔn)和該空間基準(zhǔn)建立線性參考坐標(biāo)系，并實現(xiàn)線性參考坐標(biāo)系及其與大地坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換；步驟1 3根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，對主動同步傳感器發(fā)送模擬控制信號，實現(xiàn)對主動同步傳感器的同步控制；步驟1 4接收外部事件脈沖信號，并響應(yīng)該外部事件脈沖信號產(chǎn)生的中斷，實現(xiàn)對被動同步傳感器的同步控制。
2.如權(quán)利要求1所述的高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制方法，其特征在 于，步驟1-1中的時間基準(zhǔn)的提供包括以下步驟步驟1-1-1 =CPLD對IOMHz脈沖分頻產(chǎn)生毫秒脈沖和秒脈沖；步驟1-1-2 通過對GPS的PPS脈沖信號的濾波及位同步實現(xiàn)GPS時間校準(zhǔn)，即將CPLD 產(chǎn)生的秒脈沖與GPS的秒脈沖對齊后，驅(qū)動內(nèi)時鐘的運行。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制方法，其特 征在于，綜合GPS、里程信號和微機械陀螺等傳感器的輸出信號，采用航位推算算法，能夠在 GPS信號收到干擾、遮擋等條件下的仍能夠輸出正確的位置信息。
4.如權(quán)利要求3所述的高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制方法，其特征在 于，步驟1-2中的通過該時間基準(zhǔn)和該空間基準(zhǔn)建立線性參考坐標(biāo)系步驟包括在時空數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的時空基準(zhǔn)電路將GPS坐標(biāo)、GPS時間、車輛行駛距離和外部事 件輸入信息進行了同步處理，通過時間標(biāo)記將定位數(shù)據(jù)和外部事件進行了關(guān)聯(lián)；時空基準(zhǔn)電路按固定時間間隔輸出車輛當(dāng)前的GPS坐標(biāo)以及行駛的距離，當(dāng)有外部事 件輸入時，立即輸出外部事件發(fā)生的時刻信息；根據(jù)車輛行駛的距離與車輛運行起點的線 性參考坐標(biāo)之和即為當(dāng)前位置的線性參考坐標(biāo)。
5.如權(quán)利要求4所述的高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制方法，其特征在 于，步驟1-2中的實現(xiàn)對主動同步傳感器的同步控制步驟包括步驟1-2-1，根據(jù)目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)P，在路線表中快速確定目標(biāo)點所在的路段；步驟1-2-2，根據(jù)目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)P，在其所在的路段表中確定目標(biāo)點所在的直 線段S，并根據(jù)此直線段在該路段的所有直線段中的排序來確定下一步推算大地坐標(biāo)的方 向，當(dāng)該直線段序號小于等于總段數(shù)的二分之一時，從該段的起點開始推算；當(dāng)該直線段序 號大于總段數(shù)的二分之一時，從該段的終點開始推算；步驟1-2-3，將該路段的起點Ps或終點Pe從大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)，然后按照 直線段的順序，根據(jù)該直線段的長度和方向依次推算每個直線段的終點的空間直角坐標(biāo); 對于目標(biāo)點所在的直線段，在推算時其長度等于目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)與該直線段的起點 差。
6.一種高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制系統(tǒng)，其特征在于，包括時空基 準(zhǔn)電路、主動同步控制電路和被動同步控制電路，其中，所述時空基準(zhǔn)電路包括時間基準(zhǔn)單元和空間基準(zhǔn)單元；所述時間基準(zhǔn)單元分別與所述主動同步控制電路和所述被動同步控制電路連接，為所2述主動同步控制電路和所述被動同步控制電路提供時間基準(zhǔn)；所述空間基準(zhǔn)單元分別與所述主動同步控制電路和所述被動同步控制電路連接，為所 述主動同步控制電路和所述被動同步控制電路提供空間基準(zhǔn)；所述時間基準(zhǔn)電路通過該時間基準(zhǔn)和該空間基準(zhǔn)建立線性參考坐標(biāo)系，并實現(xiàn)線性參 考坐標(biāo)系及其與大地坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換；所述主動同步控制電路根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，對主動同步傳感器發(fā)送模擬控制信號， 實現(xiàn)對主動同步傳感器的同步控制；所述被動同步控制電路接收外部事件脈沖信號，并響應(yīng)該外部事件脈沖信號產(chǎn)生的中 斷，實現(xiàn)對被動同步傳感器的同步控制。
7.如權(quán)利要求6所述的高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制系統(tǒng)，其特征在 于，所述時間基準(zhǔn)單元包括CPLD、GPS和高穩(wěn)晶振，其中，CPLD，分別與高穩(wěn)晶振和GPS連接，對IOMHz脈沖分頻產(chǎn)生毫秒脈沖和秒脈沖，并通過 對GPS的PPS脈沖信號的濾波及位同步實現(xiàn)GPS時間校準(zhǔn)，即將CPLD產(chǎn)生的秒脈沖與GPS 的秒脈沖對齊后，驅(qū)動內(nèi)時鐘的運行。
8.如權(quán)利要求6或7所述的高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制系統(tǒng)，其特 征在于，綜合GPS、里程信號和微機械陀螺等傳感器的輸出信號，采用航位推算算法，能夠 在GPS信號收到干擾、遮擋等條件下的仍能夠輸出正確的位置信息。
9.如權(quán)利要求8所述的高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制系統(tǒng)，其特征在 于，所述時間基準(zhǔn)電路通過該時間基準(zhǔn)和該空間基準(zhǔn)建立線性參考坐標(biāo)系包括時空基準(zhǔn)電路將GPS坐標(biāo)、GPS時間、車輛行駛距離和外部事件輸入信息進行了同步處 理，通過時間標(biāo)記將定位數(shù)據(jù)和外部事件進行了關(guān)聯(lián)；時空基準(zhǔn)電路按固定時間間隔輸出車輛當(dāng)前的GPS坐標(biāo)以及行駛的距離，當(dāng)有外部事 件輸入時，立即輸出外部事件發(fā)生的時刻信息。根據(jù)車輛行駛的距離與車輛運行起點的線 性參考坐標(biāo)之和即為當(dāng)前位置的線性參考坐標(biāo)。
10.如權(quán)利要求9所述的高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制系統(tǒng)，其特征 在于，所述時間基準(zhǔn)電路實現(xiàn)對主動同步傳感器的同步控制包括根據(jù)目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)P，在路線表中快速確定目標(biāo)點所在的路段； 根據(jù)目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)P，在其所在的路段表中確定目標(biāo)點所在的直線段S，并根 據(jù)此直線段在該路段的所有直線段中的排序來確定下一步推算大地坐標(biāo)的方向，當(dāng)該直線 段序號小于等于總段數(shù)的二分之一時，從該段的起點開始推算；當(dāng)該直線段序號大于總段 數(shù)的二分之一時，從該段的終點開始推算；將該路段的起點Ps或終點Pe從大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)，然后按照直線段的順 序，根據(jù)該直線段的長度和方向依次推算每個直線段的終點的空間直角坐標(biāo)；對于目標(biāo)點 所在的直線段，在推算時其長度等于目標(biāo)點的線性參考坐標(biāo)與該直線段的起點差。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高精度時空數(shù)據(jù)獲取的多傳感器集成同步控制方法和系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟建立時空基準(zhǔn)電路，該時空基準(zhǔn)電路提供時間基準(zhǔn)和空間基準(zhǔn)；通過該時間基準(zhǔn)和該空間基準(zhǔn)建立線性參考坐標(biāo)系，并實現(xiàn)線性參考坐標(biāo)系及其與大地坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換；根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，對主動同步傳感器發(fā)送模擬控制信號，實現(xiàn)對主動同步傳感器的同步控制；接收外部事件脈沖信號，并響應(yīng)該外部事件脈沖信號產(chǎn)生的中斷，實現(xiàn)對被動同步傳感器的同步控制。本發(fā)明提出了主動同步控制電路和被動同步控制電路，在時空基準(zhǔn)電路提供的時間、空間基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對不同的傳感器及控制要求，可以擴展任意多種傳感器同步控制實例，具備極強的擴展和柔性功能。
文檔編號G01S19/39GK101949715SQ201010252860
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者李清泉, 毛慶洲, 章麗萍, 陳小宇, 高慶武 申請人:武漢武大卓越科技有限責(zé)任公司