CN109143301B

CN109143301B - 一种卫星导航装置的多余度管理系统

Info

Publication number: CN109143301B
Application number: CN201811105158.XA
Authority: CN
Inventors: 李家越; 庞瑞帆; 崔亮; 刘伟
Original assignee: China Aeronautical Radio Electronics Research Institute
Current assignee: China Aeronautical Radio Electronics Research Institute
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: CN109143301A

Abstract

本发明公开了一种卫星导航装置的多余度管理系统，包含输入串口、完整性与有效性检验模块、输入数据缓存模块、数据管理模块、秒脉冲输入接口、对时模块、输出数据缓存模块、输出接口和秒脉冲输出接口，完整性与有效性检验模块负责检验输入串口接收到原始报文的完整性和有效性，并输入输入数据缓存模块；数据管理模块根据对时模块提供的时间信息，获取输入数据缓存中某一个原始报文或者将几个原始报文的数据融合后作为综合报文输出至输出数据缓存模块，最终通过输出接口输出给卫星导航装置；对时模块根据秒脉冲输入接口接收到的秒脉冲生成秒脉冲，并通过秒脉冲输出接口输出给卫星导航装置。本发明能在各种环境下更稳定地提供数据。

Description

一种卫星导航装置的多余度管理系统

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种卫星导航装置的多余度管理系统。

背景技术

应用于飞机的卫星导航装置，需要单点定位与方位角等数据，这些数据通常由卫星定位装置提供。现有技术中常用的卫星定位装置有全球定位系统(GPS)、北斗卫星定位系统等。不同种类的卫星定位装置，在不同航空环境下的稳定性与精确度不同，从而导致基于某一种卫星定位装置的卫星导航装置在某些环境下获取的数据不准确，甚至不能产生数据。

发明内容

为了提高卫星导航装置的稳定性与精确度，本发明提出了一种卫星导航装置的多余度管理系统，使其在各种环境下都能获得相对最好的单点定位与方位角等数据。该系统采用多余度配置，挂载多个卫星定位装置，最终获得的数据为多个装置数据的加权平均数，在恶劣条件下，也能尽量保证获取到数据。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种卫星导航装置的多余度管理系统，包含N个输入串口、N个完整性与有效性检验模块、N个输入数据缓存模块、一个数据管理模块、N个秒脉冲输入接口、一个对时模块、一个输出数据缓存模块、一个输出接口和一个秒脉冲输出接口，其中：

一个输入串口负责接收一个卫星定位装置发送的原始报文并输入一个完整性与有效性检验模块；

一个完整性与有效性检验模块负责接收一个输入串口输入的原始报文，将完整性检验和有效性检验合格的原始报文输入一个输入数据缓存模块；

一个秒脉冲输入接口负责接收一个卫星定位装置发送的秒脉冲并输入对时模块；

对时模块用于当采集到任意秒脉冲输入接口输出的秒脉冲的上升沿时，就将当前时钟计数器清零，从零毫秒重新开始计时，并在零时刻输出一个宽度为100毫秒至900毫秒的高电平作为秒脉冲输出给数据管理模块和秒脉冲输出接口；

数据管理模块根据输出报文的频率和时间偏移量，在对时模块的时钟计数器上对应时间从输入数据缓存模块中获取原始报文，并最终选取其中某一个原始报文作为综合报文输出，或者将几个原始报文的数据进行融合后作为综合报文输出；

输出数据缓存模块用于缓存数据管理模块输出的综合报文；

输出接口用于将输出数据缓存模块中的综合报文输出给卫星导航装置；

秒脉冲输出接口用于将对时模块输出的秒脉冲输出给卫星导航装置。

依据上述特征，完整性与有效性检验模块中完整性检验的方法为：

计算出原始报文的校验码，并与原始报文中的校验字段做比较，相同则认为原始报文完整，进入有效性检验，反之则舍弃。

依据上述特征，完整性与有效性检验模块中有效性检验的方法为：

提取原始报文中数据字段中某两个相邻的英文字符逗号间的字符串，若为数字字符串或英文字符串，则该原始报文有效，反之则舍弃。

依据上述特征，输入数据缓存模块在存入原始报文时，若发现输入数据缓存模块中已存在与待存入的原始报文为同一种类报文头的原始报文时，则用待存入的原始报文替换原原始报文。

依据上述特征，数据管理模块中将几个原始报文的数据进行融合规则为：

1)以本次读取的所有原始报文中优先级最高的原始报文，作为输出报文的主体；

2)对于报文数据字段中需要做数据融合的数字字符串，选取所有与作为主体的原始报文的数据精度等级相同的原始报文作为辅体，提取作为辅体的原始报文中的数字字符串，与作为主体的原始报文中的数字字符串一起，转化为定点小数，进行加权平均运算，再将运算后的结果转为ASCII码数字字符串，替换作为主体的原始报文对应的数字字符串；

3)对于经过替换的原始报文，重新生成新的校验字段，替换原有校验字段。

依据上述特征，加权平均运算的规则为：优先级最高的原始报文的权重等于其它优先级等级的原始报文的权重总和。

依据上述特征，优先级由数据精度等级确定，数据精度等级相同的原始报文，由接收原始报文的输入串口的串口号确定，串口号越小，优先级越高。

依据上述特征，输出数据缓存模块在存入综合报文时，若发现输出数据缓存模块中已存在与待存入的综合报文为同一种类报文头的综合报文时，则用待存入的综合报文替换原综合报文。

本发明的有益效果在于：在一段时间内，综合报文的连续性比所有原始报文更好，即原始报文在某些时刻有报文丢失，而综合报文没丢失。并且，根据综合报文内的数据计算出来的卫星导航数据曲线、与期望值曲线的方差，比根据任意原始报文计算出数据曲线与期望值曲线的方差小。本发明能在各种环境下更稳定地提供单点定位与方位角等数据，并且能保证数据的精确度。

附图说明

图1是本发明所示卫星导航装置的多余度管理系统的结构示意图。

图2是卫星定位装置发出的原始报文的格式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，卫星导航装置的多余度管理系统，N个输入串口、N个完整性与有效性检验模块、N个输入数据缓存模块、一个数据管理模块、N个秒脉冲输入接口、一个对时模块、一个输出接口和一个秒脉冲输出接口。该系统主要由一片FPGA、若干RS232串口收发芯片、若干电源芯片实现。

每个挂载的卫星定位装置通过一路RS232串口将其数据输出到多余度管理系统中，该数据为一串ASCII编码的字符串，被称为原始报文。为了便于分析报文中数据的有效性以及对同类数据进行融合，本发明提出的多余度管理系统，将原始报文分为报文起始定界符、报文头、数据字段、数据终止定界符、校验字段、报文终止定界符。如图2所示。

报文起始定界符是一个特定字符，通常为“$”和“#”,表示报文的起始。

报文头是一串英文字符串，由卫星定位装置厂商定义，指示其后数据字段的信息类型与格式，以及校验字段所使用的校验方式。不同厂商的定义相似但有差异，所使用的数据格式也不相同。

数据字段由若干组英文字符串或数字字符串构成，每个字符串之间由英文字符逗号或分号隔开，英文字符串指示厂商定义的状态，数字字符串表示十进制整数或小数数值。

数据终止定界符也是一个特定字符，通常为“*”,表示数据字段的终止。

校验字段是一串数字字符串，表示十六进制数值，用于检验报文的完整性。常用的校验方式有奇偶校验、循环多余度校验等。校验的数据从报文起始定界符至数据终止定界符，但不包含这两个定界符。根据所有字符的ASCII码计算出校验码后，再使用ASCII编码将校验码转化为表示十六进制数值的字符串，该字符串就是校验字段。

报文终止定界符表示报文的终止，通常为回车符和换行符，其缺失不影响报文数据的提取与融合。

每个挂载的卫星定位装置会输出一路秒脉冲用于对时。一个秒脉冲输入接口负责接收一个卫星定位装置发送的秒脉冲并输入对时模块。对时模块“任意秒脉冲上升沿清零”原则，即当采集到任意秒脉冲输入接口输出的秒脉冲的上升沿时，就将当前时钟计数器清零，从零毫秒重新开始计时，并在零时刻输出一个宽度为100毫秒至900毫秒的高电平作为秒脉冲输出；

完整性与有效性检验模块负责接收输入串口输入的原始报文，将完整性检验和有效性检验合格的原始报文输入输入数据缓存模块。

数据管理模块根据输出报文的频率和时间偏移量，在对时模块的时钟计数器上对应时间从输入数据缓存模块中获取原始报文，例如，输出报文频率为1赫兹，时间偏移量为300毫秒,则在时钟计数器的第300毫秒时刻提取一次原始报文；输出报文频率为5赫兹，时间偏移量为100毫秒,则在时钟计数器的第100毫秒、300毫秒、500毫秒、700毫秒、900毫秒时刻提取一次原始报文，并最终选取其中某一个卫星定位装置的原始报文输出，或者将几个卫星定位装置的原始报文的数据进行融合后输出。

具体方法为：

(1)对多余度管理系统的输入串口进行排序并编号为串口1、串口2、串口3等。测试多种环境下各类卫星定位装置的稳定性与精确度，评估性能。并根据卫星定位装置的性能，将卫星定位装置的输出串口与多余度管理系统的输入串口相连。编号越小的串口，所连接的卫星定位装置的性能越高。

(2)当有原始报文从输入串口输入到多余度管理系统时，完整性与有效性检验模块首先验证其完整性。该完整性与有效性检验模块计算出原始报文的校验码，并与原始报文中的校验字段做比较，相同则认为报文完整，进入有效性检验，反之则将原始报文舍弃。有效性检验为提取数据字段中某两个相邻的英文字符逗号间的字符串，若为数字字符串或英文字符串，则该报文有效，反之则舍弃。通过完整性与有效性检验的原始报文会被存储于输入数据缓存模块中。

(3)每一个输入串口都有一个输入数据缓存模块，其中缓存的原始报文根据“后到有效”原则。即若数据缓存模块中已存在若干条原始报文，当有新原始报文要存入数据缓存模块中时，该条新原始报文将会替换数据缓存模块中与其具有同一种类报文头的原始报文。因此，数据缓存模块中缓存的原始报文，其两两报文头互不相同。

(4)根据对时模块提供的时间信息，数据管理模块定时从每一个输入数据缓存模块中提取全部报文，同时清空所有数据缓存模块。提取的时刻由多余度管理系统输出报文的频率和时间偏移量决定。

(5)数据管理模块按串口号大小以及数据精度等级，给提取的报文定义优先级。数据精度等级，由报文数据字段某一段英文字符串显示。对于同一种报文头，数据精度等级越高的报文，其优先级越高；同样数据精度等级的报文，来源于串口号越小的报文，其优先级越高。不同种类的报文头优先级相互独立。最终数据管理模块存入输出数据缓存模块中的报文，采用“高优先级为主，低优先级为辅”的原则。对于同一种报文头，具体的报文选取与融合规则为：

1、以现有报文中优先级最高的报文，作为输出报文的主体。

2、对于报文数据字段中需要做数据融合的数字字符串，选取所有与主体报文数据精度等级相同的报文，提取对应数字字符串，与主体报文的数字字符串一起，转化为定点小数，进行加权平均运算，再将运算后的结果转为ASCII码数字字符串，替换主体报文对应的数字字符串。特别的，若除主体报文外，无数据精度等级相同的报文，则无需替换。

3、加权平均运算的规则为：优先级高的报文的权重等于所有优先级低于其的报文的权重总和。例如，三条报文的数据做加权平均，其权重按优先级由高到低的顺序依次为0.5、0.25、0.25；若四条报文，则为0.5、0.25、0.125、0.125。

4、对于经过替换的报文，重新生成新的校验字段，替换原有校验字段。此报文即为最终报文，存入输出数据缓存模块中。

(6)输出数据缓存模块中的综合报文也可选择立即输出或缓存输出，缓存输出同样遵循“后到有效”原则。

经过所述多余度管理系统处理后的报文，被称为综合报文。卫星定位装置提供的报文，被称为原始报文。在一段时间内，综合报文的连续性比所有原始报文更好，即原始报文在某些时刻有报文丢失，而综合报文没丢失。综合报文内的数据，相比于优先级最高的原始报文数据，在大多数时刻，其精确度有所下降，但仍然在误差允许范围内。并且，根据综合报文内的数据计算出来的卫星导航数据曲线，与期望值曲线的方差，比根据任意原始报文计算出数据曲线与期望值曲线的方差小，说明综合报文的数据更平滑，稳定性更好。由上可知，本发明所提出的卫星导航装置的多余度管理系统，能在各种环境下更稳定地提供单点定位与方位角等数据，并且能保证数据的精确度。

Claims

1.一种卫星导航装置的多余度管理系统，包含N个输入串口、N个完整性与有效性检验模块、N个输入数据缓存模块、一个数据管理模块、N个秒脉冲输入接口、一个对时模块、一个输出数据缓存模块、一个输出接口和一个秒脉冲输出接口，其特征在于：

输出数据缓存模块用于缓存数据管理模块输出的综合报文；

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航装置的多余度管理系统，其特征在于所述完整性与有效性检验模块中完整性检验的方法为：

3.根据权利要求1或2所述的一种卫星导航装置的多余度管理系统，其特征在于所述完整性与有效性检验模块中有效性检验的方法为：

4.根据权利要求1所述的一种卫星导航装置的多余度管理系统，其特征在于输入数据缓存模块在存入原始报文时，若发现输入数据缓存模块中已存在与待存入的原始报文为同一种类报文头的原始报文时，则用待存入的原始报文替换原原始报文。

5.根据权利要求1所述的一种卫星导航装置的多余度管理系统，其特征在于数据管理模块中将几个原始报文的数据进行融合规则为：

6.根据权利要求5所述的一种卫星导航装置的多余度管理系统，其特征在于所述加权平均运算的规则为：优先级最高的原始报文的权重等于其它优先级等级的原始报文的权重总和。

7.根据权利要求6所述的一种卫星导航装置的多余度管理系统，其特征在于所述优先级由数据精度等级确定，数据精度等级相同的原始报文，由接收原始报文的输入串口的串口号确定，串口号越小，优先级越高。

8.根据权利要求1所述的一种卫星导航装置的多余度管理系统，其特征在于输出数据缓存模块在存入综合报文时，若发现输出数据缓存模块中已存在与待存入的综合报文为同一种类报文头的综合报文时，则用待存入的综合报文替换原综合报文。