CN102608622A - 一种全球定位系统导航数据的完整性存储方法 - Google Patents

Abstract

一种全球定位系统导航数据的完整性存储方法，适用于GPS软件接收机的数据存储系统，利用创新设计的数据结构对GPS导航数据进行存储，从而保证了GPS接收机温启动和热启动时所利用的导航数据的完整性。该数据存储区包括星历数据部分、历书数据部分和数据完整标识部分，GPS接收机解码获得导航数据后，将一系列需要的星历、历书等数据分别传输进星历数据部分和历书数据部分，当所有数据都完整后，对数据完整标识部分进行设置，实现用于GPS导航数据完整性的数据存储，从而给GPS接收机识别完整的、可用的导航数据提供了确定的方法。

Description

一种全球定位系统导航数据的完整性存储方法

技术领域

本发明属于GPS导航领域，涉及一种适用于GPS软件接收机数据存储系统、利用数据结构对GPS导航数据进行存储的方法。

背景技术

卫星导航系统接收机的首次定位时间是衡量接收机性能的重要指标之一。在对卫星信号的初次搜索中，先验信息十分重要，它与接收机的启动状态息息相关。一般地，星历、历书、时间和接收机的位置、速度均有效时，为热启动状态，只有星历无效时为温启动状态，星历和历书均无效时为冷启动状态。

在冷启动状态下，为找到视界内的卫星，需要在天空中搜索所有可能的PRN码（Pseudo Radom Noise，伪随机噪声码，为GPS信号上的一种测距码），让接收机进入工作的过程可能需要数分钟。在温启动和热启动状态下，利用卫星和接收机的概略PVT（位置、速度和时间）信息选定卫星星座，并估计捕获卫星信号的传播时延和视距多普勒，使接收机在搜索卫星时做到有的放矢，从而大大缩短了卫星信号捕获、跟踪的时间，进而缩短了首次定位时间。

可见，已知接收机概略PVT信息后，导航信息的完整性、有效性是决定接收机启动状态，进而影响接收机性能的关键。

导航电文是二进制编码文件，是以帧与子帧的结构形式按照规定的格式组成的数据流。每颗卫星一帧一帧地向外播发导航电文，而在发送每帧电文的时候，卫星又是以一个子帧一个子帧的形式进行。导航电文中包含有卫星星历、卫星历书等用于定位的重要信息。

星历数据中包括星期数、卫星健康状况、群延迟差别估计等总共27个参数。历书数据中包括卫星的伪随机噪声码号、卫星健康状况、历书基准时间等总共13个参数。

卫星导航系统接收机的首次定位时间是衡量接收机性能的重要指标之一。在对卫星信号的初次搜索中，先验信息十分重要，它与接收机的启动状态息息相关。GPS接收机启动时，利用卫星和接收机的概略PVT（位置、速度和时间）信息选定卫星星座，并估计捕获卫星信号的传播时延和视距多普勒，使接收机在搜索卫星时做到有的放矢，从而大大缩短了卫星信号捕获、跟踪的时间，进而缩短了首次定位时间。所以，已知接收机概略PVT信息后，导航信息的完整性、有效性是决定接收机启动状态，进而影响接收机性能的关键。

现在大多数GPS接收机对下载的导航数据不做任何处理，直接存储进存储器，随之而来的一个问题是，当GPS接收机在存储导航数据时发生突发情况，例如突然断电、接收机无故死机或者其他种种意外，造成下载的导航数据的完整性、有效性无法保证，从而该条导航信息是无效的。但是GPS接收机对此无法进行正确地判断，当GPS接收机再次启动时，接收机因无法有效识别该条存储数据的不完整性，仍旧将其当成有效PVT信息使用，由此选定的卫星星座必定不正确，进而大大延长了首次定位时间，极大地降低了接收机的性能。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种可以使GPS在启动时迅速辨别可用导航数据，进入不同的启动模式，从而缩短首次定位时间，提高GPS接收机性能的全球定位系统导航数据的完整性存储方法。本发明解决了GPS接收机突然死机后无法识别最新存储的导航数据有效性造成首次定位时间延长的问题。

技术方案：本发明的一种全球定位系统导航数据的完整性存储方法，包括以下步骤：

1）全球定位系统GPS接收机解码获得导航数据后，将解码后的星历数据传输进星历数据存储模块存储，当所有解码获得的星历数据存储完毕后，在所述星历数据整体后预留一个星历空白位置；

2）从星历数据存储模块读取星历数据，并与步骤1）中GPS接收机解码获得的星历数据进行比较，若两者相同，说明存储的星历数据是完整的有效的，此时形成一个星历完整标识插入到步骤1）中所述的星历空白位置中，再进入步骤3）；若两者不相同，则直接进入步骤3）；

3）GPS接收机解码获得导航数据后，将解码后的历书数据传输进历书数据存储模块存储，当所有历书数据存储完毕后，在所述历书数据整体后预留一个历书空白位置，所述历书空白位置的比特位与星历空白位置的比特位不同；

4）从历书数据存储模块读取历书数据，并与步骤1）中GPS接收机解码获得的历书数据进行比较，若两者相同，说明存储的历书数据是完整的有效的，此时形成一个历书完整标识插入到步骤3）中所述的历书空白位置中，再进入步骤5）；若两者不相同，则直接进入步骤5）；

5）在所述历书空白位置后预留一个导航数据空白位置，所述导航数据空白位置的比特位与历书空白位置和星历空白位置的比特位均不同；

6）根据比特位大小来确定星历空白位置和历书空白位置在存储器中的地址，按照所述地址对两者进行读取，判断两者是否均已插入了完整标识，若是，则形成一个导航数据完整标识插入到步骤5）中的导航数据空白位置后结束本次导航数据完整性存储，若否，则直接结束本次导航数据完整性存储。

本发明的全球定位系统导航数据完整性存储方法中，数据存储区包括星历数据部分、历书数据部分和数据完整标识部分。

GPS接收机解码获得导航数据后，将解码后的星历数据传输进历书数据存储模块存储，当所有星历数据存储完毕后，在所述星历数据后预留一个星历空白位置，将存储进存储器的星历数据与接收机解码出的星历数据进行比较，若两者相同，形成一个星历完整标识插入到预留的星历空白位置，此标识可以是一个固定的字符或者数字，表示此条导航数据的星历数据部分是完整、有效的，然后进入历书数据下载阶段；若两者不同则不对星历空白位置进行任何操作进入历书数据下载阶段。

在历书数据的存储阶段，GPS接收机解码获得导航数据后，将解码后的历书数据传输进历书数据存储模块存储，当所有历书数据存储完毕后，在历书数据后预留一个历书空白位置，所述历书空白位置的比特位与星历空白位置的比特位不同。将存储进存储器的历书数据与接收机解码出的历书数据进行比较，若两者相同，形成一个历书完整标识插入到预留的星历空白位置，此标识与星历完整标识类似，可以是一个固定的字符、字符串或者数字，但是与星历完整标识是不同的，表示此条导航数据的历书数据部分是完整、有效的，然后在所述历书空白位置后预留一个导航数据空白位置，所述导航数据空白位置的比特位与历书空白位置和星历空白位置的比特位均不同；若两者不同则不对历书空白位置进行任何操作，直接在所述历书空白位置后预留一个导航数据空白位置，所述导航数据空白位置的比特位与历书空白位置和星历空白位置的比特位均不同。

根据比特位大小来确定星历空白位置和历书空白位置在存储器中的地址，按照所述地址对两者进行读取，判断两者是否均已插入了完整标识，若是，则形成一个导航数据完整标识插入到步骤导航数据空白位置后结束本次导航数据完整性存储，标识此条导航数据是完整的、有效的；若否，则直接结束本次导航数据完整性存储。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有以下优点：

为了缩短GPS首次定位时间，使GPS接收机能够迅速识别所存储的导航数据的完整性和可用性，本发明将GPS导航数据进行重新组织，使得GPS接收机在存储导航数据时，对完整存储的星历数据和历书数据进行状态标记，在下一次GPS接收机启动时，就可以根据状态标记进行迅速判别，从而保证了GPS接收机温启动和热启动时所利用的导航数据的完整性。

本发明导航数据的数据结构进行设计，以使GPS接收机在重新启动时能迅速辨别所需导航数据的完整性。本发明无需增加任何硬件电路，计算与存储资源的开销极小，在GPS接收机重新启动时，可以使得接收机快速辨别所需数据的完整性，从而进入相应的启动模式。

本发明通过对下载进存储器导航数据的数据结构进行设计，对相关数据进行重新划分为星历数据部分、历书数据部分并分别在两者之后加入了星历数据完整标识和历书数据完整标识，以及在这个导航数据之后加入导航数据完整标识，根据这些完整标识分别可对存储的星历数据、历书数据和导航数据整体进行完整性的判别。当接收机重新启动并读取存储的导航数据时，将先查找该条导航数据的完整标识符是否已经被插入，若是，则说明该条导航数据是完整、有效的，则接收机将直接使用该条导航数据的星历和历书数据，进入热启动状态。如果导航数据完整标识未被设置，则先查找星历数据完整标识，查看其是否被插入，如果星历数据完整标识已经被插入，则说明该星历数据是完整、有效的，可以被直接使用，进入热启动状态。如果星历数据完整标识未被插入，则继续查找历书数据完整标识，如果历书数据完整标识已经被插入，则说明历书数据是完整、有效的，可以被直接使用，进入温启动状态。如果历书数据完整未被插入，此时可以根据需要进入冷启动状态或者找到该条导航数据之前的一条存储导航数据，重复以上过程，直到找到可以被接收机使用的数据，重复的次数可以根据需求和接收机自身性能进行设置。实验结果表明，在相同条件下，当下载的导航数据不完整时，采用本发明的接收机首次定位时间比普通接收机首次定位时间短了大约10秒，充分说明了本发明的优越性。     

附图说明

图1为本发明的具体实现流程图。

图2是本发明的导航数据在存储器中存储结构图。

图3是导航数据整体存储结构。

图4为GPS接收机启动时对导航数据完整性使用的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的全球定位系统导航数据完整性存储方法包括以下步骤：

整个操作流程如图1所示：

1）GPS接收机解码获得导航数据后，将解码后的星历数据传输进星历数据存储模块存储，当所有此次解码获得的总共27个星历数据参数存储完毕后，在所述星历数据整体后预留一个星历空白位置，星历空白位置的比特位大小可以人为自由设置推荐为8bits，也可以为16bits、32bits。

2）通过将读取存储器中刚存储的星历数据与先前解码的星历数据相比较来判断星历数据是否已经完整，若两者相同，说明存储的星历数据是完整、有效的，此时形成一个星历完整标识插入到星历空白位置中，再进入步骤3）；这个星历完整标识表明刚存储的星历数据时完整有效的，可以被GPS接收机安全使用。星历完整标识可以根据先前预留的星历空白位置的比特位大小设置，根据星历空白位置比特位大小星历完整标识可以是一个固定的字符、字符串或者数字，作为一个完整标记，其具体内容可以人为自由决定。若两者不相同，则对星历空白位置不进行任何操作，直接进入历书数据下载阶段。

3）进入历书数据下载阶段后，将GPS接收机之前解码获得的导航数据中的历书数据传输进历书数据存储模块存储，当总共13个历书数据参数存储完毕后，在所述历书数据整体后预留一个历书空白位置，历书空白位置的比特位大小可以人为自由设置推荐为16bits，也可以为8bits、32bits。所述历书空白位置的比特位与星历空白位置的比特位不同。

4）通过从历书数据存储模块读取刚存储的历书数据，并且与此次GPS接收机解码获得的历书数据进行比较来判断历书数据是否已经存储完整，若两者相同，说明存储的历书数据是完整、有效的，此时形成一个历书完整标识插入到历书空白位置中，再进入步骤5）；历书完整标识表明刚存储的历书数据时完整、有效的，可以被GPS接收机安全使用。历书完整标识可以根据先前预留的历书空白位置的比特位大小设置，根据历书空白位置比特位大小历书完整标识可以是一个固定的字符、字符串或者数字，作为一个完整标记，其具体内容可以人为自由决定。若两者不相同，则对历书空白位置不进行任何操作，直接进入下一步操作。

5）在所述历书空白位置后预留一个导航数据空白位置，历导航数据空白位置的比特位大小可以人为自由设置推荐为32bits，也可以为8bits、16bits，所述导航数据空白位置的比特位与历书空白位置和星历空白位置的比特位均不同。

6）根据星历数据部分、历书数据部分、星历空白位置和历书空白位置的比特位大小来确定星历空白位置和历书空白位置在存储器中的地址，按照具体的地址对两者进行读取，判断两者是否均已插入了完整标识，判断两者是否均已插入了完整标识，若是，则形成一个导航数据完整标识插入到导航数据空白位置，导航数据完整标识表示此条导航数据是完整、有效的，可以被GPS接收机直接使用。导航数据完整标识可以根据预留的导航数据空白位置比特大小设置，根据导航数据空白位置比特位大小导航数据完整标识可以是一个固定的字符、字符串或者数字，具体内容可以人为自由决定，然后结束本次导航数据完整性存储；若否，则不对导航数据空白位置进行任何操作，直接结束本次导航数据完整性存储。

当下次卫星导航信号来到时，GPS接收机再次解码新的导航信号，重复上述每个步骤将新解码的导航数据下载到存储器中。这一过程一直持续，直到接收机停止工作为止。当接收机停止工作时，所有的导航信息数据在存储器中的存储结构将会如图2所示。

单个导航数据在存储器中的存储结构如图3所示：其中组1是星历数据部分，星历数据部分最多可有27个部分，包括 GPS星历数据中的参考时刻的平近角、平均运动与计算值的差值、卫星轨道长半轴的平方根、卫星轨道的离心率、时钟修正参数、参考时刻星历表等星历数据；组2是历书数据部分，历书数据部分最多可有13个部分，包括GPS历书数据中的参考时刻的平近角、平均运动与计算值的差值、卫星轨道长半轴的平方根、卫星钟差改正参数、摄动改进参数等历书数据；组3 是数据完整标识部分，共分成3部分：星历数据完整标识、历书数据完整标识和导航数据完整标识。

当GPS接收机启动时会从存储器读取最后存储的导航数据进行快速定位的依据，如果读取的导航数据是无效的，则接收机将进入冷启动状态。在冷启动状态下，为找到视界内的卫星，需要在天空中搜索所有可能的PRN码（Pseydi Radom Noise，伪随机噪声码，GPS信号上的一种测距码），让接收机进入工作的过程可能需要数分钟。导航数据使用完整性存储方法后，最终目的在于存储的数据在GPS启动时候可以便于接收机进行完整性判断，进而根据对数据完整性的判断进入不同的启动模式。

接收机启动时对数据完整性判断的整体流程如图4所示，当GPS接收机启动时，对接收机所存储的导航数据完整标识进行查询。首先，找到停止工作前，最新存储的导航数据，对导航数据完整标识进行查询，如果该条导航数据完整标识已经被插入，则说明该条导航数据是完整存储的，可以直接使用该导航数据的星历和历书数据。如果导航数据完整标识未被插入，则进一步查询该导航数据中星历数据完整标识是否被插入，如果已经被插入则可以直接使用该星历数据，历书数据则被放弃；如果未被插入，则继续查询该导航数据的历书数据完整标识是否被插入，若被插入，则直接使用该历书数据，若未插入则放弃这条导航数据，找到前一条导航数据，继续上面的查询工作。如果重复10次上述过程还未找到可用的星历数据或者历书数据，则接收机直接进入冷启动模式。

采用本发明的GPS接收机与普通数据结构的接收机性能对比实验实施如下：采用GPS信号模拟器作为信号源，模拟GPS卫星信号，用功分器将模拟器信号分成相同的两路分别接到接收机1和接收机2上，此举主要保证两台接收机接受到的信号是完全一致的，其中接收机1是采用的是本发明的数据结构而接收机2采用的是普通数据结构。信号功率设定为-132dBm，与实际城市中接收到的卫星信号功率大致相同。当GPS接收机正常工作后，人为情况下同时对接收机1和接收机2进行断电，造成两者下载至存储器的导航数据不完整。再次启动接收机，计算两者的首次定位时间。重复试验30次，接收机1的热启动时间约是5秒，而接收机2的温启动时间约是15秒；接收机1的温启动时间约是15秒，而接收机2的温启动时间约是25秒。从而证明本发明的有效性和优越性。

Claims (1)

1. 一种全球定位系统导航数据的完整性存储方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）全球定位系统GPS接收机解码获得导航数据后，将解码后的星历数据传输进星历数据存储模块存储，当所有解码获得的星历数据存储完毕后，在所述星历数据整体后预留一个星历空白位置；

2）从星历数据存储模块读取星历数据，并与步骤1）中GPS接收机解码获得的星历数据进行比较，若两者相同，说明存储的星历数据是完整的有效的，此时形成一个星历完整标识插入到步骤1）中所述的星历空白位置中，再进入步骤3）；若两者不相同，则直接进入步骤3）；

3）GPS接收机解码获得导航数据后，将解码后的历书数据传输进历书数据存储模块存储，当所有历书数据存储完毕后，在所述历书数据整体后预留一个历书空白位置，所述历书空白位置的比特位与星历空白位置的比特位不同；

4）从历书数据存储模块读取历书数据，并与步骤1）中GPS接收机解码获得的历书数据进行比较，若两者相同，说明存储的历书数据是完整的有效的，此时形成一个历书完整标识插入到步骤3）中所述的历书空白位置中，再进入步骤5）；若两者不相同，则直接进入步骤5）；

5）在所述历书空白位置后预留一个导航数据空白位置，所述导航数据空白位置的比特位与历书空白位置和星历空白位置的比特位均不同；

6）根据比特位大小来确定星历空白位置和历书空白位置在存储器中的地址，按照所述地址对两者进行读取，判断两者是否均已插入了完整标识，若是，则形成一个导航数据完整标识插入到步骤5）中的导航数据空白位置后结束本次导航数据完整性存储，若否，则直接结束本次导航数据完整性存储。

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