CN102879834B - 一种实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法 - Google Patents
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Abstract
一种实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，所述卫星导航气象探空仪通过二进制导航数据通信协议实现导航数据的通信，所述导航数据的通信包括卫星导航气象探空仪内部卫星导航模块与CPU单元之间的内部导航数据通信和卫星导航气象探空仪与地面设备之间的外部导航数据通信；所述二进制导航数据通信协议是指按照二进制字节的形式传送导航数据。本发明通过二进制导航数据通信协议实现导航数据的通信，可以提高卫星导航气象探空仪内部及外部导航数据的传输效率，传递更多有用信息，节省运算量，增大传输距离，降低对CPU的性能需求，从而有利于实现卫星导航气象探空仪的低成本、低功耗和小型化。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航领域，特别是一种实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法。
背景技术
卫星导航定位系统是利用卫星发射无线电信号进行定位导航，具有全天候、高精度、快速实时的三维导航、定位、测速和授时功能。目前，它已广泛应用于导航制导、工程测量、地球动力学、气象学和大气物理学等领域。
卫星导航定位系统由三部分组成，即空间卫星星座部分、地面监控部分、用户设备部分（卫星导航接收机或模块）。当前的全球导航卫星系统（GNSS，Global Navigation SatelliteSystem）包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗卫星导航系统以及欧盟正在建设中的GALILEO系统，GNSS综合了多个卫星导航系统的卫星信号，增加了整个系统可视卫星的数目，改善了卫星的分布和精度因子，在任何地方都有较大角度的多个卫星可供观测，因此，GNSS具有更强的可用性、可靠性以及更高的定位精度和更好的完好性。
利用卫星导航定位系统进行气象探空是一种新型的气象探测手段，替代传统的无线电经纬仪或雷达设备进行定位，获取风速、风向等数据，大大地提高了气象探空的准确性，同时降低了地面设备及整个系统的成本。
如图1所示，卫星导航气象探空系统包括球上设备和地面设备，球上设备包括探空气球和卫星导航气象探空仪，用于完成气象探空数据的采集、编码、调制和发射；地面设备包括地面接收机和监控终端，用于完成气象探空数据的接收、解调、译码和处理。其中，卫星导航气象探空仪是利用卫星导航定位系统进行准确的气象探测和高空测风的有效工具，如图2所示，是卫星导航气象探空仪的组成结构示意图，主要包括卫星导航模块、TPU测量单元、CPU单元、无线通信单元，其工作原理是：卫星导航模块通过卫星接收天线接收导航卫星信号，进行相应的信号处理和解算得到准确的位置、速度、时间等导航信息；TPU测量单元获取实时的温度、气压、湿度等信息；CPU单元将来自卫星导航模块和TPU测量单元的信息进行相应编码处理后，最终通过无线通信单元发射给地面设备。整个工作过程中，导航数据的通信既存在于卫星导航气象探空仪内部，又存在于卫星导航气象探空仪外部，内部通信是指卫星导航气象探空仪内部卫星导航模块与CPU单元之间导航数据的通信，外部通信是指卫星导航气象探空仪与地面设备之间导航数据的通信。
一般的卫星导航气象探空仪，其内部及外部的导航数据通信采用的是ASCII码形式的NMEA-0183协议，该协议是由美国国家海洋电子协会制定的一套标准通信协议，卫星导航接收机或模块根据NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度、时间等信息通过串口传送给其他电子设备。NMEA-0183协议定义的语句非常多，如GGA、GLL、VTG、GSA、GSV、RMC等，每条语句均由许多字段组成，每个字段又包含一个或多个由ASCII码表示的字符，而每个ASCII码又由1个字节表示，因此，若通过NMEA-0183协议传送位置、速度、时间等导航信息，需要同时传送GGA、GSV、RMC等多条语句，占用的字节数量比较大，达340个以上，传送时需要占用较多的CPU时间，有用信息的传输效率较低，同时也限定了传输距离；若要缩短占用CPU的时间，提高传输效率，需要更换处理能力较强的CPU，同时需要提高串口传输的波特率，这样势必带来成本、体积和功耗的增加，而且误码率也将提高；同时，为了达到要求的传输距离，需提高无线通信单元的发射功率，功耗则进一步增加，这对于对成本、体积和功耗比较敏感的气象探空仪是不利的。并且，由于NMEA-0183协议是一套通用的标准协议，并非为卫星导航气象探空仪专门制定，协议中缺乏卫星导航气象探空仪所需要的很多有用信息，如垂向速度、伪距、多普勒、载波相位等，因此，该协议应用在卫星导航气象探空仪时，具有一定的局限性。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷和不足，提出一种实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，将位置、速度、时间、伪距、多普勒、载波相位等导航数据信息按照二进制而非ASCII码的形式进行传送，既能有效传递卫星导航气象探空仪所需要的全部有用信息，又能提高数据传输效率，降低CPU的运算量，增大传输距离。
本发明的技术方案是：
一种实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，其特征在于，所述卫星导航气象探空仪通过二进制导航数据通信协议实现导航数据的通信，所述导航数据的通信包括卫星导航气象探空仪内部卫星导航模块与CPU单元之间的内部导航数据通信和卫星导航气象探空仪与地面设备之间的外部导航数据通信；所述二进制导航数据通信协议是指按照二进制字节的形式传送导航数据。
所述二进制导航数据通信协议包括基本型二进制通信协议和扩展型二进制通信协议；所述基本型二进制通信协议包括用二进制字节表示的帧头标识、帧尾校验以及包括但不限于以下内容的导航数据：时间、定位状态、纬度、经度、高度、三维速度、精度因子、解算所用卫星数、卫星状态信息；所述扩展型二进制通信协议除包含基本型二进制通信协议中的内容外，还包括观测量个数及每颗卫星的观测量信息，所述观测量信息包括但不限于卫星号、原始伪距、平滑伪距-原始伪距、多普勒、载波相位、载波相位有效标识。
所述帧头标识包括固定的两个或多个字节；所述帧尾校验是固定字节或校验码，所述固定字节是指两个或多个字节，所述校验码的校验方式是校验和或CRC校验或其他校验方式。
所述时间是UTC时间或GPS时间或北斗时间或其他用于卫星导航定位系统的时间系统；所述时间用4个字节表示，1个字节表示小时，1个字节表示分钟，2个字节表示秒，秒的比例因子为1000，精度为0.001s，即1ms。
所述定位状态用1个字节表示，包括定位和不定位两种状态，0表示不定位，1表示定位；所述纬度用4个字节表示，正数表示北纬，负数表示南纬，范围是-π/2到π/2；所述经度用4个字节表示，正数表示东经，负数表示西经，范围是-π到π。
所述高度是椭球高或者是海拔高，所述高度用4个字节表示。
所述三维速度包括北向速度、东向速度、垂向速度，分别用2个字节表示；所述北向速度、东向速度、垂向速度的精度为0.01m/s，范围是-327.68m/s到327.67m/s。
所述精度因子包括水平精度因子、垂直精度因子或位置精度因子，用1个字节表示，所述精度因子的饱和值为25.5，如果大于25.5时，输出值为25.5。
所述解算所用卫星数用1个字节表示；每颗卫星的卫星状态信息包括卫星号、卫星仰角、卫星方位角及卫星载噪比，每一帧发送3颗卫星状态信息；若卫星数多于3颗，则分多帧发送；每一帧包含卫星状态信息包编号、每颗卫星的卫星号、方位角、仰角及载噪比；其中，用1个字节表示卫星状态信息包编号，用5个字节表示每颗卫星的卫星号、方位角、仰角及载噪比。
所述观测量个数用1个字节表示，每颗卫星的观测量信息中的卫星号用1个字节表示，原始伪距用4个字节表示，平滑伪距-原始伪距用2个字节表示，多普勒用3个字节表示，载波相位用4个字节表示，载波相位有效标识用4个字节表示；所述平滑伪距-原始伪距为某卫星某时刻平滑伪距与该卫星该时刻的原始伪距的差，其中平滑伪距为用卫星多普勒平滑之后的伪距；所述载波相位有效标识为卫星载波相位是否有效的标识，其中1表示载波相位有效，0表示载波相位无效。
本发明的技术效果：
本发明针对现有NMEA-0183通信协议在卫星导航气象探空仪上应用时的缺陷和不足，提出的一种实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，通过二进制导航数据通信协议实现导航数据的通信，将位置、速度、时间等导航数据信息按照二进制而非ASCII码的形式进行传送，卫星导航模块与CPU单元之间及卫星导航气象探空仪与地面设备之间传送的字节数相对于NMEA-0183协议大大减少，而且可扩展传递更多的有用信息，如垂向速度、伪距、多普勒、载波相位等NMEA-0183协议没有规定的信息。这样，既满足了卫星导航气象探空仪的导航数据需求，传递更多有用信息，又减少了数据通信的字节数，减少了数据传送的时间，提高了数据通信的传输效率，增大了传输距离，同时，还有效地降低了导航数据通信的复杂度，降低了对CPU的性能需求，避免了升级CPU所带来的成本、体积和功耗的增加，有利于卫星导航气象探空仪的低成本、低功耗和小型化的实现。
附图说明
图1为卫星导航气象探空系统组成结构示意图。
图2为卫星导航气象探空仪组成结构示意图。
图3为本发明实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的原理示意图。
图4为本发明基本型二进制通信协议应用实例图。
图5为本发明扩展型二进制通信协议应用实例图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。
如图3所示，为本发明实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的原理示意图。一种实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，所述卫星导航气象探空仪通过二进制导航数据通信协议实现导航数据的通信，所述导航数据的通信包括卫星导航气象探空仪内部卫星导航模块与CPU单元之间的内部导航数据通信和卫星导航气象探空仪与地面设备之间的外部导航数据通信；所述二进制导航数据通信协议是指按照二进制字节的形式传送导航数据。
本发明的二进制导航数据通信协议，分为基本型二进制通信协议和扩展型二进制通信协议。
基本型二进制通信协议主要用于业务型卫星导航气象探空仪，基本型二进制通信协议包括用二进制字节表示的帧头标识、帧尾校验以及包括但不限于以下内容的导航数据：时间、定位状态、纬度、经度、高度、三维速度、精度因子、解算所用卫星数、卫星状态信息；扩展型二进制通信协议主要用于科研型卫星导航气象探空仪，除包含基本型二进制通信协议中的内容外，还包括观测量个数及每颗卫星的观测量信息，观测量信息包括但不限于卫星号、原始伪距、平滑伪距-原始伪距、多普勒、载波相位、载波相位有效标识。
如图4所示，为本发明基本型二进制通讯协议应用实例图。帧头标识可以是固定的两个或多个字节，图4中，帧头标识为固定的二进制字节EB3A；帧尾校验可以是固定字节，也可以是校验码，固定字节可以是两个或多个字节，校验码的校验方式可以是校验和、CRC校验或其他校验方式，图4中，帧尾校验是用2个字节表示的校验和，16比特校验和为无符号短整型数，为所有信息字节（包括帧头）求和，忽略超出16位的进位和溢出，低字节先发，高字节后发。时间可以是UTC时间，也可以是GPS时间、北斗时间及其他用于卫星导航定位系统的时间系统，图4中的时间是UTC时间，用4个字节表示，包含小时、分钟、秒，1个字节表示小时，1个字节表示分钟，2个字节表示秒，并且秒的比例因子为1000，精度为0.001s，即1ms。定位状态用1个字节表示，包括定位和不定位两种状态，0表示不定位，1表示定位。纬度用4个字节表示，正数表示北纬，负数表示南纬，范围是-π/2到π/2。经度用4个字节表示，正数表示东经，负数表示西经，范围是-π到π。高度可以是椭球高或海拔高，图4中为椭球高，用4个字节表示。三维速度包含北向速度、垂向速度及东向速度，分别用2个字节表示，比例因子均为100，精度为0.01m/s，范围是-327.68m/s到327.67m/s。精度因子可以是水平精度因子、垂直精度因子或位置精度因子，用1个字节表示，图4中，精度因子为水平精度因子HDOP，比例因子为10，饱和值为25.5，即如果大于25.5时，输出值为25.5。解算所用卫星数用1个字节表示；每颗卫星的卫星状态信息包括卫星号、仰角、方位角及载噪比等，卫星状态信息采用分多帧发送的方式，每帧发送3颗或更多颗卫星状态信息，若卫星数多于3颗，则分多帧发送，每一帧包含有卫星状态信息包的编号、每颗卫星的卫星号、方位角、仰角及载噪比；其中，用1个字节表示卫星状态信息包编号，用5个字节表示每颗卫星的卫星号、方位角、仰角及载噪比；卫星状态信息包编号表示本数据包中卫星状态信息包的编号，从0开始，如果要发送15颗卫星的状态信息，则该编号为0～4；每个数据包中轮流发送3颗卫星的状态信息，其中GPS的卫星号为1～32，北斗2的卫星号为实际卫星号＋100，如卫星号为0，表示无效信息，最大卫星数为64。所有数据发送时，均为低字节先发，高字节后发。
如图5所示，为扩展型二进制通信协议的应用实例图，除了图4中所包含的内容外，还包含了观测量的个数及每颗卫星的观测量信息。观测量个数用1个字节表示，每颗卫星的观测量信息中的卫星号用1个字节表示，原始伪距用4个字节表示，平滑伪距-原始伪距用2个字节表示，多普勒用3个字节表示，载波相位用4个字节表示，载波相位有效标识用4个字节表示；原始伪距、平滑伪距-原始伪距、多普勒的比例因子均为100，载波相位有效标识的比例因子为1000；平滑伪距-原始伪距为某卫星某时刻平滑伪距与该卫星该时刻的原始伪距的差，其中平滑伪距为用卫星多普勒平滑之后的伪距；载波相位有效标识为卫星载波相位是否有效的标识，其中bit0表示第一颗卫星的载波相位标识，bit1表示第二颗卫星的载波相位标识，以此类推，bitn表示第n颗卫星的载波相位标识，n最大为31；1表示载波相位有效，0表示无效。
本发明的二进制导航数据通信协议中的二进制字节总数不限，随着必要导航数据的增加，字节总数可以相应增加；所使用的无线通信信号频段包括P波段和L波段及其他可用于气象探空的频段。本发明的二进制导航数据通信协议可用于任何卫星导航系统的气象探空仪的研发，包括美国的GPS系统，俄罗斯GLONASS系统，中国的北斗系统，欧洲的GALILEO系统，以及以后可能出现的新的卫星导航系统中的一种或多种的组合。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。
Claims (8)
1.一种实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，其特征在于，所述卫星导航气象探空仪通过二进制导航数据通信协议实现导航数据的通信，所述导航数据的通信包括卫星导航气象探空仪内部卫星导航模块与CPU单元之间的内部导航数据通信和卫星导航气象探空仪与地面设备之间的外部导航数据通信；所述二进制导航数据通信协议是指按照二进制字节的形式传送导航数据；所述二进制导航数据通信协议包括基本型二进制通信协议和扩展型二进制通信协议；所述基本型二进制通信协议包括用二进制字节表示的帧头标识、帧尾校验以及包括以下内容的导航数据：时间、定位状态、纬度、经度、高度、三维速度、精度因子、解算所用卫星数、卫星状态信息；所述扩展型二进制通信协议除包含基本型二进制通信协议中的内容外，还包括观测量个数及每颗卫星的观测量信息，所述观测量信息包括卫星号、原始伪距、平滑伪距-原始伪距、多普勒频移、载波相位、载波相位有效标识；所述帧头标识包括固定的两个或多个字节；所述帧尾校验是固定字节或校验码，所述帧尾校验的固定字节是指两个或多个字节，所述校验码的校验方式是校验和或CRC校验。
2.根据权利要求1所述的实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，其特征在于，所述时间是UTC时间或GPS时间或北斗时间或其他用于卫星导航定位系统的时间系统；所述时间用4个字节表示，1个字节表示小时，1个字节表示分钟，2个字节表示秒，秒的比例因子为1000，精度为0.001s，即1ms。
3.根据权利要求1所述的实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，其特征在于，所述定位状态用1个字节表示，包括定位和不定位两种状态，0表示不定位，1表示定位；所述纬度用4个字节表示，正数表示北纬，负数表示南纬，范围是-π/2到π/2；所述经度用4个字节表示，正数表示东经，负数表示西经，范围是-π到π。
4.根据权利要求1所述的实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，其特征在于，所述高度是椭球高或者是海拔高，所述高度用4个字节表示。
5.根据权利要求1所述的实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，其特征在于，所述三维速度包括北向速度、东向速度、垂向速度，分别用2个字节表示；所述北向速度、东向速度、垂向速度的精度为0.01m/s，范围是-327.68m/s到327.67m/s。
6.根据权利要求1所述的实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，其特征在于，所述精度因子包括水平精度因子、垂直精度因子或位置精度因子，用1个字节表示，所述精度因子的饱和值为25.5，如果大于25.5时，输出值为25.5。
7.根据权利要求1所述的实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，其特征在于，所述基本型二进制通信协议中的解算所用卫星数用1个字节表示；所述基本型二进制通信协议中的卫星状态信息包括卫星号、卫星仰角、卫星方位角及卫星载噪比，每一帧发送3颗卫星状态信息；若卫星数多于3颗，则分多帧发送；每一帧包含卫星状态信息包编号、每颗卫星的卫星号、方位角、仰角及载噪比；其中，用1个字节表示卫星状态信息包编号，用5个字节表示每颗卫星的卫星号、方位角、仰角及载噪比。
8.根据权利要求1所述的实现卫星导航气象探空仪导航数据通信的方法，其特征在于，所述观测量个数用1个字节表示，每颗卫星的观测量信息中的卫星号用1个字节表示，原始伪距用4个字节表示，平滑伪距-原始伪距用2个字节表示，多普勒用3个字节表示，载波相位用4个字节表示，载波相位有效标识用4个字节表示；所述平滑伪距-原始伪距为某卫星某时刻平滑伪距与该卫星该时刻的原始伪距的差，其中平滑伪距为用卫星多普勒平滑之后的伪距；所述载波相位有效标识为卫星载波相位是否有效的标识，其中1表示载波相位有效，0表示载波相位无效。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150225 |
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