CN104852783A - 一种gps数据传输方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GPS数据传输方法及系统，属于数据处理技术领域。该GPS数据传输方法包括：实时接收原始GPS数据帧；将接收的所述原始GPS数据帧转换为整数帧；对所述整数帧进行差分编码得到预设帧结构的编码序列；将所述编码序列通过信道传输给远端服务器。该GPS数据传输方法，能够实时对GPS数据进行压缩编码处理，有效降低数据的存储空间，减小数据处理量，提高数据传输速度。

Description

一种GPS数据传输方法及系统
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，特别涉及一种GPS数据传输方法及系统。
背景技术
全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)，又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统，其由美国国防部研制和维护，能够为地球表面绝大部分地区(98％)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。随着物联网时代的到来，车联网作为其一个新兴分支，依赖无线通讯技术、卫星导航系统、网络通讯技术以及车载电脑等技术，迎来了重要的发展机遇期，而采用GPS对车辆进行精确定位成为车载终端设备的一个重要目标。
在车载终端的OBD(On-Board Diagnostics，车载诊断)系统上，OBD终端需要及时采集汽车的行车数据，如发动机转速，车速，电瓶电压，油耗等实时数据，汽车的安全状态数据，如急加速，急减速，急转弯等实时数据，还需要及时处理GPS定位数据，想要保证足够精度的汽车行驶轨迹，需要有足够的GPS数据的采样率，而数据采样率较高，则会使数据量太大，对用户费用以及网络带宽都是较大的挑战。
现有技术中，车载终端设备采用GPS进行车辆定位后，通常需要将车辆定位数据传输到远程服务器。其中，车辆定位信息中至少需要包括：经度、纬度、高度、速度、航向、时间这六个参数。这些参数的格式通常采用NMEA-0183数据格式，以字符串方式进行存储，占用的数据量为经度11字节，纬度10字节，高度7字节，速度3字节，方向3字节，时间16字节，共需50个字节，如果按照每秒钟传输一次定位信息，每分钟需要传输3000个字节，也即，采用字符串进行储存、传输GPS数据需要占用较大的存储空间，并且传输过程中需要处理的数据量较大。在实际实现过程中采用了1秒一帧数据量，定位精度达到2米，在多种数据类型中，GPS定位数据的数据量相对较大，所占比率为90％左右，故对GPS数据进行压缩编码对于减小数据存储空间，降低传输过程中的数据处理量具有重要意义。
在复旦大学的一篇硕士论文《GPS定位数据压缩编码技术的研究与实现》中将当前的各种无损压缩编码技术及优缺点进行了研究，并对当前压缩编码技术中较为常用的Huffman编码算法进行了具体说明，通过将GPS数据进行Huffman编码后，在一定程度上缩短了GSM信道的占用空间，进而缓解了向控制调度中心上传数据的压力，对解决GPS系统中数据量大而存储器资源有限的问题具有重要的实际意义。但是基于Huffman编码的实现原理，需要对每个符号进行概率统计，算法实现复杂度高，压缩编码时间较长，需要的样本GPS数据量大，因此，无法对少量GPS数据进行压缩编码处理，从而无法对车载资源受限系统提供满意的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种GPS数据传输方法及系统，能够实时对GPS数据进行压缩编码处理，有效降低数据的存储空间，减小数据处理量，提高数据传输速度。
本发明实施例提供的技术方案如下：
一方面，提供了一种GPS数据传输方法，包括：
实时接收原始GPS数据帧；
将接收的所述原始GPS数据帧转换为整数帧；
对所述整数帧进行差分编码得到预设帧结构的编码序列；
将所述编码序列通过信道传输给远端服务器。
优选地，所述预设帧结构的编码序列包括：位于第一帧的关键帧和依次排列在所述关键帧之后的多个残差帧。
优选地，如果所述残差帧的个数达到预设数量，则所述预设帧结构的编码序列还包括：位于所述残差帧之后的关键帧和位于所述关键帧之后的多个残差帧。
优选地，所述对所述整数帧进行差分编码得到预设帧结构的编码序列，包括：
根据所述整数帧中的第一帧得到关键帧；
根据所述整数帧中的第二帧和所述第一帧的差得到第一个残差帧；
根据所述整数帧中的第N+1帧和第N帧的差得到第N个残差帧，所述N为大于等于2的整数；
将所述关键帧和所述残差帧依次排列得到所述预设帧结构的编码序列。
优选地，所述关键帧中包括三个符号位，每个所述符号位中存储有经度、纬度和高度信息中的一个，所述符号位分别通过符号的正或负对东经或西经、南纬或北纬、海平面上或海平面下进行区分。
另一方面，提供了一种GPS数据传输系统，包括：
接收模块，用于实时接收原始GPS数据帧；
转换模块，用于将接收的所述原始GPS数据帧转换为整数帧；
编码模块，用于对所述整数帧进行差分编码得到预设帧结构的编码序列；
传输模块，用于将所述编码序列通过信道传输给远端服务器。
优选地，所述预设帧结构的编码序列包括：位于第一帧的关键帧和依次排列在所述关键帧之后的多个残差帧。
优选地，如果所述残差帧的个数达到预设数量，则所述预设帧结构的编码序列还包括：位于所述残差帧之后的关键帧和位于所述关键帧之后的多个残差帧。
优选地，所述编码模块包括：
第一编码单元，用于根据所述整数帧中的第一帧得到关键帧；
第二编码单元，用于根据所述整数帧中的第二帧和所述第一帧的差得到第一个残差帧；
第N编码单元，用于根据所述整数帧中的第N+1帧和第N帧的差得到第N个残差帧，所述N为大于等于2的整数；
排序单元，用于将所述关键帧和所述残差帧依次排列得到所述预设帧结构的编码序列。
优选地，所述关键帧中包括三个符号位，每个所述符号位中存储有经度、纬度和高度信息中的一个，所述符号位分别通过符号的正或负对东经或西经、南纬或北纬、海平面上或海平面下进行区分。
本发明实施例提供的GPS数据传输方法，通过将实时接收的原始GPS数据帧转换为整数帧，并对整数帧进行差分编码，能够有效降低GPS数据的存储空间，减小数据处理量，提高数据传输速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种GPS数据传输方法的流程图；
图2是图1中对整数帧进行差分编码得到预设帧结构的编码序列的流程图；
图3是本发明实施例中所接收的原始GPS数据帧的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种预设帧结构的编码序列的结构；
图5是本发明实施例提供的一种GPS数据传输系统的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另外一种GPS数据传输系统的结构示意图；
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
本发明实施例提供了一种GPS数据传输方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤101：实时接收原始GPS数据帧。
其中，原始GPS数据帧(简称原始GPS帧)的格式参见NMEA-0183标准的$GPRMC以及$GPGGA，存储方式为ASCII码，即字符串形式。在能够完成定时、定位的条件下，原始GPS数据帧至少需要携带纬度、经度、高度、速度、方向、时间、日期、东西经标志、南北纬标志等9个字段信息，需要占用的存储空间至少为50个字节，如图3所示为一个原始GPS数据帧的结构示意图。
步骤102：将接收的原始GPS数据帧转换为整数帧。
把上述原始GPS帧每个字段的存储方式从ASCII码转换成有符号整数来表示，其中，经度和东西经两个字段可以用带符号位的一个整数来表示，可以采用如下转换方式：先将原始采用度分表示转化为度表示(小数)，然后再扩大1000000倍，再转换为采用度表示(整数)。
为了更清楚地对转换过程进行说明，举例如下：
北京上地桥附近的原始经纬度格式(度分表示)为：经度为11618.7129，东西经为E，纬度为4002.2655，南北纬为N，共21字节；
转换为度表示(小数)：北纬40.037759度，东经116.311883；
扩大1000000倍后，即北纬40037759，东经116311883，就可以两个带符号的整数来分别表示纬度和经度，采用整数表示后占用8个字节。
经过转换处理后，经纬度信息从用ASCII码表示到用整数表示，经纬度信息的存储空间从21个字节压缩到了8个字节，从而有效降低了存储空间。
这样，GPS原始帧数据从ASCII码表示到采用整数表示各字段需要的存储空间如下：
经度+东西经(11字节)→带符号整数经度(4个字节)，正为东经，负为西经；
纬度+南北纬(10字节)→带符号整数经度(4个字节)，正为北纬，负为南纬；
高度(6个字节)→带符号短整数(2个字节)，正数表示海平面上，负数表示海平面下；
速度(4个字节)→无符号字节(1个字节)；
方向(3个字节)→无符号短整数(2个字节)；
时间和日期(16个字节)→无符号整数(4个字节)。
经过上述处理后，原始GPS帧1，原始GPS帧2，原始GPS帧3，…..原始GPS帧N，原始GPS帧N+1，就可表示为:整数帧1，整数帧2，整数帧3，......整数帧N，整数帧N+1,......。
由于将实时接收的原始GPS数据帧转换为整数帧，能够对少量GPS数据进行压缩编码处理，能够有效提高响应速度。
步骤103：对整数帧进行差分编码得到预设帧结构的编码序列。
其中，预设帧结构的编码序列包括：位于第一帧的关键帧和依次排列在关键帧之后的多个残差帧。
在本发明实施例中，如果残差帧的个数达到预设数量，则为了保证信息传输的准确性，上述预设帧结构的编码序列还包括：位于残差帧之后的关键帧和位于关键帧之后的多个残差帧，从而得到如图4所示的帧结构的编码序列。在该编码序列中，关键帧可以采用帧数进行编码，相对于文本数据，压缩率达到30％，而残差帧作为中间帧，压缩率约为60％，从而使得整体的压缩率在80％左右，能够有效降低数据存储空间，此外，由于压缩率固定能够方便地计算信道容量。
上述对整数帧进行差分编码得到预设帧结构的编码序列，如图2所示，包括以下步骤：
步骤201：根据整数帧中的第一帧得到关键帧；
步骤202：根据整数帧中的第二帧和第一帧的差得到第一个残差帧；
步骤203：根据整数帧中的第N+1帧和第N帧的差得到第N个残差帧，其中，N为大于等于2的整数；
步骤204：将关键帧和残差帧依次排列得到预设帧结构的编码序列。
上述关键帧中包括三个符号位，每个符号位中存储有经度、纬度和高度信息中的一个，符号位分别通过符号的正或负对东经或西经、南纬或北纬、海平面上或海平面下进行区分。
上述差分编码算法由于采用一阶预测编码，算法复杂度大大降低，能够实时对接收的GPS数据帧进行压缩处理，有效降低数据的存储空间，减小数据处理量，提高数据传输速度，能够满足各种资源受限的处理器如单片机，尤其是MCU的SRAM在2K以下的系统的实际使用需求。
在本发明实施例中，优选将关键帧设置为占用19个字节的结构，具体设置如下表所示：
在本发明实施例中，优选将残差帧的结构设置为占用9个字节的结构，具体如下表所示：
步骤104：将编码序列通过信道传输给远端服务器。
如果按照每秒钟一帧数据来计算，关键帧按照一分钟的频率，一分钟的数据处理量共有:19+9*59＝550(bytes)，而采用原始GPS数据帧进行传输，每分钟的数据处理量为:50*60＝3000(bytes)，也即，经过压缩编码后的数据量为原始数据的18.3％，压缩率为5.45，有效降低了数据的存储空间，减小数据处理量，提高数据传输速度。
本发明实施例提供的GPS数据传输方法，通过将实时接收的原始GPS数据帧转换为整数帧，并对整数帧进行差分编码，能够有效降低GPS数据的存储空间，减小数据处理量，提高数据传输速度。
相应地，本发明实施例还提供了一种GPS数据传输系统，如图5所示，包括：
接收模块301，用于实时接收原始GPS数据帧；
转换模块302，用于将接收的原始GPS数据帧转换为整数帧；
编码模块303，用于对整数帧进行差分编码得到预设帧结构的编码序列；
传输模块304，用于将编码序列通过信道进行传输。
其中，预设帧结构的编码序列包括：位于第一帧的关键帧和依次排列在关键帧之后的多个残差帧。
如果上述残差帧的个数达到预设数量，则预设帧结构的编码序列还包括：位于残差帧之后的关键帧和位于关键帧之后的多个残差帧。具体的帧结构如图4所示。
在本发明的另外一个实施例中，如图6所示，上述编码模块303进一步包括：
第一编码单元401，用于根据整数帧中的第一帧得到关键帧；
第二编码单元402，用于根据整数帧中的第二帧和第一帧的差得到第一个残差帧；
第N编码单元403，用于根据整数帧中的第N+1帧和第N帧的差得到第N个残差帧，其中，N为大于等于2的整数；
排序单元404，用于将关键帧和残差帧依次排列得到预设帧结构的编码序列。
本发明实施例提供的GPS数据传输系统，通过将实时接收的原始GPS数据帧转换为整数帧，并对整数帧进行差分编码，能够有效降低GPS数据的存储空间，减小数据处理量，提高数据传输速度。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块或单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GPS数据传输方法，其特征在于，包括：
实时接收原始GPS数据帧；
将接收的所述原始GPS数据帧转换为整数帧；
对所述整数帧进行差分编码得到预设帧结构的编码序列；
将所述编码序列通过信道传输给远端服务器。
2.根据权利要求1所述的GPS数据传输方法，其特征在于，所述预设帧结构的编码序列包括：位于第一帧的关键帧和依次排列在所述关键帧之后的多个残差帧。
3.根据权利要求2所述的GPS数据传输方法，其特征在于，如果所述残差帧的个数达到预设数量，则所述预设帧结构的编码序列还包括：位于所述残差帧之后的关键帧和位于所述关键帧之后的多个残差帧。
4.根据权利要求3所述的GPS数据传输方法，其特征在于，所述对所述整数帧进行差分编码得到预设帧结构的编码序列，包括：
根据所述整数帧中的第一帧得到关键帧；
根据所述整数帧中的第二帧和所述第一帧的差得到第一个残差帧；
根据所述整数帧中的第N+1帧和第N帧的差得到第N个残差帧，所述N为大于等于2的整数；
将所述关键帧和所述残差帧依次排列得到所述预设帧结构的编码序列。
5.根据权利要求2至4任一项所述的GPS数据传输方法，其特征在于：所述关键帧中包括三个符号位，每个所述符号位中存储有经度、纬度和高度信息中的一个，所述符号位分别通过符号的正或负对东经或西经、南纬或北纬、海平面上或海平面下进行区分。
6.一种GPS数据传输系统，其特征在于，包括：
接收模块，用于实时接收原始GPS数据帧；
转换模块，用于将接收的所述原始GPS数据帧转换为整数帧；
编码模块，用于对所述整数帧进行差分编码得到预设帧结构的编码序列；
传输模块，用于将所述编码序列通过信道传输给远端服务器。
7.根据权利要求6所述的GPS数据传输系统，其特征在于，所述预设帧结构的编码序列包括：位于第一帧的关键帧和依次排列在所述关键帧之后的多个残差帧。
8.根据权利要求7所述的GPS数据传输系统，其特征在于，如果所述残差帧的个数达到预设数量，则所述预设帧结构的编码序列还包括：位于所述残差帧之后的关键帧和位于所述关键帧之后的多个残差帧。
9.根据权利要求8所述的GPS数据传输系统，其特征在于，所述编码模块包括：
第一编码单元，用于根据所述整数帧中的第一帧得到关键帧；
第二编码单元，用于根据所述整数帧中的第二帧和所述第一帧的差得到第一个残差帧；
第N编码单元，用于根据所述整数帧中的第N+1帧和第N帧的差得到第N个残差帧，所述N为大于等于2的整数；
排序单元，用于将所述关键帧和所述残差帧依次排列得到所述预设帧结构的编码序列。
10.根据权利要求7至9任一项所述的GPS数据传输系统，其特征在于：所述关键帧中包括三个符号位，每个所述符号位中存储有经度、纬度和高度信息中的一个，所述符号位分别通过符号的正或负对东经或西经、南纬或北纬、海平面上或海平面下进行区分。
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