CN100385250C - 无前导码帧同步 - Google Patents

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Abstract

导航卫星接收器利用可经由网络进行访问的基准站来存储导航数据子帧，以在网络客户机进行模式匹配。另一方面，当每字节的通信成本很高时，可由服务器来执行模式匹配。存储的导航数据每三十秒重复一次短星历数据，每12.5分钟重复一次完整的长星历数据。这使得客户机能够立即识别它自己接收的信号在导航数据序列中的位置，它无需实际等待接收TLM字中的前导码。这样在产生迅速的第一调整时间时可以节省宝贵的几秒。

Description

无前导码帧同步
技术领域
本发明涉及导航卫星接收器，更具体地说，涉及用网络服务器提供辅助以改善导航卫星接收器第一次调整时间的方法和系统。
背景技术
全球定位系统(GPS)接收器利用从一个星座的几个地球轨道卫星所接收的信号来确定用户位置、速度及其他导航数据。刚接通的导航接收器尚不知道它所处的位置、其晶体振荡器有多少误差或时间。必须得到所有这一切并将其锁定在卫星传送中，因此必须对所有可能性进行搜索。
每颗GPS卫星飞行器(SV)以每秒五十比特传送导航(NAV)数据，包括短星历、时钟和长星历信息。这些信息使得GPS接收器可以计算其位置、速度和时间。导航数据的一个整数据帧是1500比特长，因而要花三十秒来传送。
每个数据帧划分成五个子帧1-5，每个子帧为300比特长，例如十个30比特的字。因而要花六秒来传送每个300比特、10个字的子帧。每个子帧以30比特的遥测(TLM)字开头，后跟30比特的交接字(HOW)。两个30比特的字都包含24比特的数据和6比特的奇偶校验。在每个帧中有八个字的数据有效负载。
每个300比特子帧前面的TLM字都以8比特的前导码开头。前导码使得子帧的开头能够被辨认，从而为待同步接收器提供了一种基本机制。
第一个300比特子帧在TLM字和HOW字之后传送卫星时钟校正数据。第二个子帧传送卫星短星历数据的第一部分。第三个子帧传送卫星短星历数据的第二部分。第四和第五子帧用来传送不同页的系统数据。第四个子帧也以TLM字和HOW字开头，数据有效负载循环12.5分钟，以传送有关电离层、世界协调时间(UTC)及其他数据的冗长信息。整个25帧(125子帧)组成完整的导航消息，它在这12.5分钟时间里发送完。第五个子帧以TLM字和HOW字开头，其数据有效负载也循环12.5分钟，以传送很大的长历。
时钟数据参数描述卫星飞行器(SV)时钟及其与GPS时间的关系。短星历数据参数描述卫星轨道短段的SV轨道。通常，接收器每隔一个小时收集新的短星历数据，但可以使用旧数据达四小时而不出现太多错误。短星历参数与一种算法一起被用来计算短星历参数集描述的轨道时段内的任何时间的SV位置。长星历是所有SV的近似轨道数据参数。十参数长星历描述长段时间内的SV轨道，有时数月有效。
通过得到当前长星历，可以极大地加速启动时GPS接收器的信号获得时间。近似轨道数据被用来为接收器预设星座中每颗SV的近似位置和载波多普勒频率。
因此在先有技术设备中，接收器与导航数据传送的同步取决于检测TLM字中的前导码模式(″8B″)。因为TLM字每隔六秒才传送一次，所以检测它需要花三秒或更长时间。这样的延迟会降低第一调整时间(TTFF)性能，它是一项重要的用户指标。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供用于导航卫星接收和接收器初始化的方法和系统，它可以无需实际接收TLM字中的前导码。
本发明的另一个目的是提供一种方法和系统，以缩短导航设备的初始化所需的时间。
本发明的再一个目的是提供一种不昂贵的卫星导航系统。
简单来说，本发明的导航卫星接收器实施例使用基准站来存储导航数据子帧，以便用于客户机的模式匹配。另外，当每字节的通信成本很高时，可由服务器来执行模式匹配。存储的导航数据每三十秒重复一次短星历数据、每12.5分钟重复一次完整的长星历数据。这使得客户机能够迅速识别它自己接收的信号所在导航数据序列中的位置，无需实际等待接收TLM字中的前导码。这样可节省产生迅速的第一调整时间中的宝贵几秒。
本发明的一个优点是提供一种能够较快地将导航卫星接收器初始化的系统和方法。
对于本专业的普通技术人员来说，在阅读了以下本发明的最佳实施例(以附图进行图示说明)的详细描述之后，无疑将明白本发明以上及其他的目的和优点。
附图说明
图1是本发明的网络系统实施例的功能框图，其中服务器辅助客户机经由因特网输送时间信息；以及
图2是本发明方法实施例的流程图。
具体实施方式
图1图示说明本发明实施例中的网络系统100，它包括基准站服务器系统102、用户客户机系统104以及中介的计算机网络106(如因特网)。服务器系统102包括导航卫星接收器，它锁定在由导航卫星108、110和112所组成的卫星星座上并跟踪它。对于客户机系统104来说，可能也见得到这几颗卫星中的某颗卫星。包括114和116的另一个导航卫星星座对于客户机系统104来说是可见的。客户机系统104自身带有导航卫星接收器，但它可能尚未锁定在其导航卫星112、114和116的卫星星座上并跟踪它。
服务器系统102目的在于始终锁定在其导航卫星108、110和112卫星星座上并跟踪它。这样它就能够辨别精确、绝对的系统时间，还可以将当前短星历、对流层、电离层及其他信息提供给作为网络客户机连接的其他尚未初始化的导航卫星接收器。所有这些信息都需要在初始化阶段确定，能从另一个来源得到任何这些信息都将极大地改善第一调整时间。
具体地说，服务器系统102存储12.5分钟的重复导航数据消息。它根据请求将所述消息的一部分转发给客户机系统104。这就使客户机系统104能够执行其所接收的导航数据与存储并转发的导航数据之间的模式匹配。从而，甚至在接收到其第一个TLM字中的第一前导码之前，客户机系统104就能够与导航数据帧同步。
通常，客户机系统104有其自己的24位毫秒时钟(Msec24)，当其电源接通时它从零开始。GPS C/A码的每一纪元(epoch)是一毫秒。服务器系统102知道GPS时间，并具有Z计数。Z计数是个29位的二进制数字，它代表基本的GPS时间单位。十个最高有效位是GPS周号码，十九个最低有效位以1.5秒为单位给出周时(TOW)计数。一旦接收器锁定在几颗GPS卫星上，就可得到精细得多的系统时间测量仪表。先有技术在初始化期间依赖于确定Z计数。
在客户机系统104初始化期间具体需要确定的是需要向客户机的本地时钟(如Msec24)增加多少偏移量，使它等于GPS时间。这将要求正确的导航数据帧同步。若将刚接收到的子帧作为样板来搜索服务器系统102查到的子帧连续记录，则将大大减少客户机系统104中达到这种同步所需的时间。
另一方面，在经由网络的每字节通信成本相对较高的情况下，将客户机系统104搜集到的信号片段转发给服务器系统102对于客户机来说将更为经济。客户机系统则有查找所有模式匹配的作业。在这样的情况下，服务器系统102然后发送有助于客户机识别要使用的当前整数毫秒的数据。
在所述替代方案中，服务器系统102最好保存基准站所跟踪的每颗卫星的导航数据子帧。然后，它估计自己和几个网络客户机104之间存在的网络延时。这允许估计每个客户机的GPS时间。此GPS时间则确定客户机当前应查看导航数据子帧的哪一部分。服务器系统复制这些导航数据子帧、重写Z计数，然后在将它发送给客户机之前在HOW字中附加奇偶校验位。
在本发明的方法实施例中，客户机系统104从服务器系统102所得到的近似GPS时间与真正的GPS时间相差(例如)一到两秒。在服务器系统102和客户机系统104之间的网络106上将有一些网络路径延时。这些延时也要计算进去。
客户机系统104通过指定所感兴趣的GPS时间(如特定的毫秒时间间隔)，来从服务器系统102请求导航数据子帧。服务器系统102从其数据库中取得对应的子帧模式集。它用期望的Z计数重写HOW字，并添加适当的奇偶校验位。所请求的子帧经由网络106发送。
客户机系统104使用30位长的移动窗口来检查服务器系统102提供的子帧数据，并试图找到与刚从卫星直接接收的数据的匹配。若不存在匹配，则窗口将移动一位，然后30位的字将反复地进行比较。在找到30位的匹配时，为了验证还将测试之前和之后的字。在那两处也找到匹配则说明找到了帧同步。然后可以计算偏移时间，并添加至Msec24以用GPS时间初始化客户机系统104。更精确地，将从导航子帧数据的当前HOW字抽取Z计数。
一般地，本发明的实施例依赖模式匹配技术。某些模式有问题，因此有必要丢弃不可靠的位模式，如″FFFFFF″、″000000″、″AAAAAA″、″555555″。这些模式通常出现在未发射的SV或未定义的长星历页中。另一个模式匹配问题由位反转引起。
当信号太微弱时，一般的接收器固件有时会无法检测出导航数据的位反转。若接收器无法检测出改变，则改变后的所有位将需要翻转。因此可望有些位相反转。根据在混合DEMI模式中的观察，可发生多达三十个相反转。TLM字标识子帧的开头，每十个30位字后出现一次。HOW字跟随其后，它含有Z计数的高17位，字10尾端的前2位总为″00″。因为在这些区域导航模式非常相似，若搜索窗口超过十个字，则无法与TLM模式匹配。
在得到近似时间之后，客户机104预先从服务器102请求子帧数据。返回给客户机104的GPS时间将受(例如)网络106延时而不确定地推迟时间，因而有σlatency的模糊度。
在一个实施例中，导航分组作为组分组发送，最大有两分钟的延时，例如组导航时间间隔(1000毫秒)+最大导航分组长度(1000毫秒)。因此，客户机104应该请求一个开始时间＝期望的导航分组接收时间-(σlatency+2秒)的子帧。
计及网络和系统响应的延时，做出要发送给客户机104的足够字长。考虑，
Figure C0310606000102
其中
n：字(10-50)
Δtt：真实延时[毫秒]
：估计延时[毫秒]
导航数据流每隔50个字(或号为1-5的五个子帧)重复一次。若服务器102发送的字数多于十个，则不能使用TLM字匹配，因为TLM字的模式在每个子帧开始时重复。
在一个实施例中，一旦帧同步，通过计算从下一个HOW字结束处至导航分组开始处的位数可以确定GPS时间。HOW字中有17比特的截短Z计数。从HOW字的结束处至下一帧的开始处的位移是240位(即4800毫秒)。从下一子帧减去这一位移就产生了GPS时间。例如：
GPS时间(@msec24)＝Z计数x6000-(偏移+240)x20-70[毫秒]
卫星和地球表面之间的准确传播时间难以知道，但缺省值70毫秒看似合理，因为使用它作为开始将得到±10毫秒的误差。
整数的毫秒(″in tMsec″)代表了用户位置和SV位置之间的伪距离。当计算第一个Z计数事件的GPS时间时，假设intMsec为70毫秒。然后计算出msec24变量和GPS时间(″offGpsMsec″)之间的偏移时间。第一个Z计数事件之后，所述事件不适用于GPS时间调整，而仅用作intMsec的计算。根据offGpsMsec，每颗卫星的整数毫秒(intMsec)使用以下公式求解。GPS时间和offGpsMsec通过解决位置修正例程中的时间偏差来调整。例如：
offGpsM sec＝Zcountx6000-{m sec 24+(offset+240)x20}-70[m sec]
int M sec＝Zcoun tx6000-{m sec 24+(offse t+240)x20}-offGpsM sec
在本发明的较好无前导码同步方法实施例中，包括了仅在模式匹配失败的情况下使用的应变TLM前导码同步检测过程。两个方案都只是设置同步位置，如字标识、子帧标识、页标识及当前的Z计数。因此这两个方案可以独立地共存。当客户机104可以从服务器102得到支持时，首先尝试模式匹配技术。然后尝试使用TLM字前导码进行同步。若两个方案中任何一个成功，则接收器的管理器可以顺利地转移解码。因此，在加电后的六秒时间内一般可以将帧边缘同步，即使对于无前导码同步模式匹配没有合适的位模式可用也如此。
基准站服务器102通过保存每颗卫星的子帧数据来支持这种无前导码同步模式匹配。它估计网络延时并预测客户机104上的GPS时间。服务器102取出以客户机GPS时间为中心的对应子帧数据。它重写HOW字中的Z计数，并将发给客户机104的分组中的子帧数据编码。
基准站上接收到的每组这样的子帧数据都存储在数据库中。要存储的子帧数据包括5780字节的短星历数据和3000字节的长星历数据，例如，
短星历＝3(子帧)*10(字)*24位(w/o奇偶校验)*32(SV)*2(先前/当前的IODE)；
长星历＝25(页)*2(SF)*10(字)*24位(w/奇偶校验)*2(先前/当前)
因为来自SV的导航流重复，所以无需存储所有导航位。服务器可以忽略一些子帧数据和所有字的奇偶校验位。当系统的短星历改变时，无前导码模式匹配将失败，直到基准站服务器102和客户机104都实际接收到新的短星历子帧为止。对于系统长星历的改变也同理。有时要花费超过十二小时才能将来自所有卫星的长星历数据完全更新为新的长星历数据。因此先前和当前的长星历数据都必须保存在数据库中。
客户机104通过从服务器102获得与当前GPS时间一致的子帧数据来进行初始化。要做到这点，服务器102粗估经由网络106传送的信息分组实际被客户机104所接收时的GPS时间。时间的接近程度如何取决于服务器可以估计客户机上GPS时间的精确程度，还有要发送给客户机的字数据的大小。若服务器可以估计客户机GPS时间在±3秒以内，则可以在十个数据字(即一个子帧)之内同步导航帧。
估计了客户机104上的GPS时间之后，服务器102从数据库取得对应该当前GPS时间的适合的子帧数据。因为有两套短星历和长星历，所以服务器102需要跟踪卫星所使用的是哪一套数据。在将信息字编码时，需要有WORD-1和TLM字的子帧数据。奇偶校验位取决于先前字数据的最后2位，HOW和WORD-10的最后几位都是″00″。
重要的是重写HOW字。服务器知道当前的GPS时间，因此它可以修改HOW字中的Z计数，并修正相关的奇偶校验位。服务器102最好发送开始字标识符(ID)和十个30比特的字数据。
本发明的一个方法实施例显示于图2。在与数据网络连接的GPS接收器中提供的导航数据帧同步能够提供存档的导航数据帧。方法200以步骤202开始，它测试服务器是否可用，例如图1中的服务器102。若没有，则由步骤204提出请求，步骤206等待请求得到回答。步骤210查看是否找到同步。若没有，则控制返回到步骤202。
若服务器有数据可用，则使用无前导码同步模式匹配过程212。步骤214尝试匹配从卫星接收的导航数据模式与由服务器提供的模式。若在步骤216找到了模式匹配，则在步骤218中可以设置整数毫秒(″intMsec″)。
若在模式匹配过程212中无法匹配模式，则使用作为应变策略的旧同步过程220。步骤222执行一般的TLM字前导码搜索。步骤224查看是否找到了模式。若是，则步骤226设置整数毫秒(″intMsec″)。一旦设置了整数毫秒变量，步骤228接着进行解码和位置解。
虽然已经就当前的最佳实施例说明了本发明，但是，显然，不应将本文作限制性解释。对于本专业的技术人员来说，阅读了上文后无疑将明白各种替代方法和修改。相应地，随附的权利要求书意在于被解释为本发明“真正”精神和范围之内的替代和修改。

Claims (11)

1.一种导航系统，它包括：
导航卫星接收器基准站网络服务器，用于通过计算机网络广播它从第一星座的轨道导航卫星直接接收到的导航数据传输的各部分中提取的当前导航数据模式；
导航卫星接收器网络客户机，用于基于它从第二星座的轨道导航卫星直接接收到的传输向用户提供位置解；以及
模式匹配器，它能够找出由网络客户机直接获得的不完整导航数据模式和由网络服务器在网络广播中提供的所述当前导航数据模式之间的对应之处，并且使网络客户机能够识别它自己直接接收的信号在导航数据序列中的位置；
其中，所述网络客户机可以在不等待为它自己接收TLM字前导码的情况下与导航数据传输帧同步，并从而节省到达第一调整时间的时间。
2.一种导航卫星接收器基准站网络服务器，它包括：
导航卫星接收器，用于接收它从第一星座轨道导航卫星接收到的导航数据传输；
数据库，用于存储所述导航数据传输的各部分；
服务器，用于连接到网络并能够应答对于当前导航数据的客户机请求；以及
导航数据修正处理器，用于调整所述导航数据传输的所述各部分中的信息，以便作为当前数据出现在网络客户机上。
3.一种导航卫星接收器用户网络客户机，它包括：
导航卫星接收器，用于直接从轨道导航卫星接收当前导航数据传输，并且最初需要整数毫秒(intMsec)信息来开始运行；
客户机，用于连接到网络并能够向服务器发出对于导航数据模式的客户机请求；以及
模式匹配器，它能够找出由所述服务器提供的导航数据模式和直接获得的所述导航数据传输之间的对应之处；
其中，所述服务器帮助客户机实现导航数据帧同步。
4.如权利要求3所述的网络客户机，其中：
所述模式匹配器包括用于丢弃不可靠模式类型的处理器。
5.如权利要求4所述的网络客户机，其中：
所述模式匹配器包括用于反转在所接收的信息中可能出现的位反转的处理器。
6.一种导航卫星接收器用户网络客户机，它包括：
导航卫星接收器，用于从轨道导航卫星直接接收当前导航数据传输，并且最初需要整数毫秒(intMsec)信息来开始运行；
客户机，用于连接到网络并能够向网络服务器提供它本身已经直接接收的部分导航数据模式；以及
位于所述服务器上的服务器侧模式匹配器，它能够找出由所述客户机提供的导航数据模式和直接获得的并存储在数据库中的更完整的导航数据之间的对应之处；
其中，所述服务器帮助客户机实现导航数据帧同步。
7.如权利要求6所述的网络客户机，其中：
所述服务器侧模式匹配器包括用于丢弃不可靠模式类型的处理器。
8.如权利要求6所述的网络客户机，其中：
所述服务器侧模式匹配器包括用于反转在由所述客户机接收的信息中可能出现的位反转的处理器。
9.一种用于将导航卫星接收器网络客户机初始化的方法，所述方法包括以下步骤：
估计网络上服务器和客户机之间的网络延时；
收集导航数据信息并将所述信息存储在所述服务器上的数据库中；
从所述客户机请求所述导航数据的样值；
调整在所请求的所述导航数据的样值中携带的信息，以便在所述网络延时之后与当前Z计数信息一起到达所述客户机；
将具有所述调整信息的所述导航数据的所述样值与由所述客户机直接接收的另一种实时导航数据进行模式匹配；以及
在不搜索TLM前导码的情况下，在所述客户机上找出导航数据帧同步。
10.一种用于将导航卫星接收器网络客户机初始化的方法，所述方法包括以下步骤：
估计网络上服务器和客户机之间的网络延时；
收集导航数据信息并将所述信息存储在所述服务器上的数据库中；
从所述客户机请求所述导航数据的样值；
调整在所请求的所述导航数据的样值中携带的信息，以便在所述网络延时之后与当前Z计数信息一起到达所述客户机；
将具有所述调整信息的所述导航数据的所述样值与由所述客户机直接接收的另一种实时导航数据进行模式匹配；
在不搜索TLM前导码的情况下，尝试在所述客户机上找出导航数据帧同步；
否则，执行TLM前导码搜索，并从而实现导航数据帧同步。
11.如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
利用导航数据帧同步来设置整数毫秒变量，所述整数毫秒变量代表基准站服务器上的GPS时间和所述客户机中本地24位毫秒时钟之间的时间偏移。
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