CN102520421A - 用于收集卫星导航数据子帧的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种用于收集卫星导航数据子帧的方法及装置。其中，一种用于收集卫星导航数据子帧的方法，该子帧包含多个子单元，该方法包含：接收导航数据子帧的GNSS信号；检查该子帧的各子单元是否有效；以及收集至少一所需子单元，以获得导航数据。本发明所揭露的用于收集卫星导航数据子帧的方法与装置能够缩短星历数据收集所需时间，提高卫星定位准确度。

Description

用于收集卫星导航数据子帧的方法与装置
技术领域
本发明是有关于实现缩减卫星通讯中首次定位时间(time-to first-fix，以下简称TTFF)的方法以及装置，更明确而言，是有关于一种用于收集卫星导航数据子帧的方法以及实施此方法的全球导航卫星系统(GNSS)接收器。
背景技术
卫星定位已广泛使用于各种应用。在诸如全球导航卫星系统(GNSS)等卫星定位系统中，冷启动状态意指无任何信息可用，如接收器位置、观察时间、卫星导航信息(如粗略星历数据(almanac)或是精确星历数据(ephemeris))等均为未知。
对于GNSS(如GPS，全球定位系统)接收器而言，灵敏度为主要的性能判断标准。冷启动状态下的TTFF(首次定位时间)是接收器灵敏度的代表性标准。定位一个三维位置，至少需要四颗卫星。TTFF是取决于获取至少四个可见卫星的卫星信号的时间以及通过将导航数据解调变而下载所需精确星历数据的时间。当所接收的信号功率足够强，需花费数秒以获取卫星信号，以及大约27秒的时间来取得所需的精确星历数据。如果信号功率微弱，则获取卫星信号的时间以及下载精确星历数据的时间两者均须延长。而无论信号功率强或弱，很显然，取得精确星历数据的时间都是TTFF的决定性因素。
卫星导航数据是分页传送。五个子帧构成一页(或称帧)。每个子帧需要6秒来传送。因此，传送一页需要30秒。每个子帧包含10个字符，稍后将详细说明。图1是显示一页导航数据的数据结构示意图。卫星导航数据包括精确星历数据以及粗略星历数据。各卫星是通过广播传送其本身的精确星历数据。此外，每个卫星传送所有卫星的粗略星历数据，其为精确星历数据的粗略版。主要的卫星精确星历数据以及频率参数是在子帧1、子帧2以及子帧3中传送。粗略星历数据是在子帧4以及子帧5中传送。图2是显示包括精确星历数据以及粗略星历数据的导航数据的数据结构示意图。如图所示，一份完整的粗略星历数据是分别散布在25页的子帧4和5中。传送25页的导航数据，需要12.5分钟。如果未发生星历数据更新，则这些25页中的子帧1至3所载带的信息是一样的。换言之，子帧1至3中的信息是每30秒重复一次。要取得完整的卫星精确星历数据，必须收集子帧1至3。通常，一颗卫星的精确星历数据每两小时更新一次。
图3是显示用于收集精确星历数据的现有方法的流程图。该方法起始于步骤S10。在步骤S20中，接收器接收一子帧SF(i)。步骤S30中，接收器通过检查每个字符的同位位元(parity)以检查子帧SF(i)中的10个字符是否正确。如果检查同位位元显示10个字符中有任何错误，则此子帧SF(i)被丢弃；如果10个字符均正确，则执行步骤S40。在步骤S40中，检查子帧SF(i)是否为子帧1至3其中之一。如是，执行步骤S50，将子帧SF(i)储存于缓冲器并设定旗标SF(i)_collected。在步骤S60中，检查是否收集到全部子帧1到3。亦即，检查是否取得完整的精确星历数据。如是，执行步骤S70，更新导航数据库；如否，则结束此次流程，并开始重新收集精确星历数据。简言之，当所接收的子帧的10个字符中有一个错误，该子帧即被丢弃。如果很不幸地，下一页的子帧亦有错误，则接收器又必须再等候30秒。此造成相当长的时间耗费，严重影响接收器的TTFF性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可以解决上述技术问题的用于收集卫星导航数据子帧的方法及装置。
本发明提供一种用于收集卫星导航数据子帧的方法，该子帧包含多个子单元，该方法包含：接收导航数据子帧的GNSS信号；检查该子帧的各子单元是否有效；以及收集至少一所需子单元，以获得导航数据。
本发明再提供一种用于收集卫星导航数据子帧的装置，各该子帧包含多个子单元，该装置包含：一判定装置，用于接收该多个子单元以及检查各子单元是否有效；以及一子帧收集数据库，用于收集至少一所需子单元。
本发明另提供一种用于收集卫星导航数据子帧的方法，其中，该子帧包含多个子单元，该方法包含：接收该多个子单元；检查各子单元是否有效；以及收集至少一所需子单元，以获得导航数据。
另外，如果接收器的接收信号偶尔因特殊原因受到阻隔时，本发明所揭露的用于收集卫星导航数据子帧的方法与装置能够缩短星历数据收集所需时间，提高卫星定位准确度。
附图说明
图1是显示一页导航数据的数据结构示意图。
图2是显示包括精确星历数据以及粗略星历数据的导航数据的数据结构示意图。
图3是显示用于收集精确星历数据的现有方法的流程图。
图4是显示字符错误率与载噪比之间关系的图表。
图5是显示2个字符、5个字符以及10个字符的各字符组的错误率与单一字符错误率之间关系的图表。
图6是显示TLM字符以及HOW字符的数据结构的示意图。
图7A至图7C是分别显示子帧1至3的数据结构的示意图。
图8是显示一般GNSS系统接收器架构的示意图。
图9是显示根据本发明的子帧收集装置的方块图。
图10是显示根据本发明提供的收集卫星导航数据子帧的方法的流程图。
图11A与图11B是共同显示本发明提供的收集卫星导航数据子帧的方法的一实施例的流程图。
具体实施方式
精确星历数据的收集是通过收集导航数据中的子帧1至3而完成。例如，一个子帧由10个字符组成。字符错误率(Word Error Rate，WER)与信号强度直接相关。
图4是显示字符错误率与载噪比(Carrier to Noise Ratio，CNR)之间关系的图表。如所示，载噪比愈低，字符错误率愈高。当载噪比下降到30dB-Hz以下，字符错误率会显著提高。假设单一字符的错误率为r，则10个字符的错误率将是1-(1-r)10。举例而言，当载噪比为30dB-Hz，单一字符的错误率大约为0.04，则10个字符的错误率将是1-(1-0.04)10＝0.3352。显然，当10个字符视为一个子单元时，错误率相当大。因此，可将一个子帧分割成较小的子单元。每个子单元可以具有1个字符、2个字符或是5个字符。如上述例子，如果单一字符的错误率r为0.04，则：
10个字符错误率＝1-(1-r)10＝0.3352
5个字符错误率＝1-(1-r)5＝0.1846
2个字符错误率＝1-(1-r)2＝0.0784
其中，1个字符错误率＝r＝0.04
图5是显示2个字符、5个字符以及10个字符的各字符组的错误率与单一字符错误率之间关系的图表。如图，对于一个固定的字符错误率，字符组所包括的字符数愈多，错误率愈大。即使字符错误率非常低，包括10个字符的子帧的错误率还是相当高。因此，在现有技术提供的子帧收集方法中，容易出现需要等候多次子帧30秒重复才可能收集到正确的子帧1至3的不良状况。
在本发明所提供的收集卫星导航数据子帧的方法中，每个子帧是分成更小的子单元。各子单元由5个字符、2个字符或是仅1个字符组成。接收器是检查一子单元是否正确。如果子单元正确，则将子单元储存于缓冲器。在子帧1至3的全部字符均已分别收集到之后，子帧1至3的收集即完成。不过，这些子帧中被保留的某些字符可能不含有任何信息。对于此等被保留的字符的收集可略去，即不必收集这些子帧中的保留字符。此外，某些特定字符中所包含的信息为共通信息，这些特定字符同样在其它卫星的导航数据中传送。如果此类信息已经取得，则含有同样信息的字符就不必加以收集。
如所述，导航数据是以分页形式传送。五个子帧构成一页。各子帧由10个字符组成。每个字符含有6个同位位元。所有子帧的头两个字符均分别为遥测(telemetry，以下简称TLM)字符以及送交(hand over word，以下简称HOW)字符。图6是显示TLM字符以及HOW字符的数据结构的示意图。TLM字符含有前序数据，其是用于同步化。HOW字符含有子帧识别码(ID)(1、2、3、4及5，或是001、010、011、100及101)以识别五个子帧中具体的一个子帧。图7A至图7C是分别显示子帧1至3的数据结构的示意图。子帧1的字符8含有8位的参数IODC(Issue of Date，Clock；发送日期，频率)。子帧2的字符3含有8位的参数IODE(Issue of Date，Ephemeris；发送日期，精确星历数据)，其中，参数IODC与参数IODE被统一视为IOD(Issue of Date，发送日期)。而子帧3的字符10同样含有8位的参数IODE。每当来自子帧2及子帧3的参数IODE与来自子帧1的参数IODC的LSB(最低有效位)不匹配时，即意谓着数据组的系统转换(cutover)发生，而必须收集新的数据。同样地，来自子帧2和子帧3的两组参数IODE以及来自子帧1的参数IODC的8个LSB对于同一数据组而言应为相符。上述特性可用来检查与本发明有关的子帧收集的正确性。稍后将进一步详细说明。
图8是显示一般GNSS系统(如GPS、Galileo(伽利略)以及SBAS(卫星基础增强系统))接收器架构的示意图。在此架构中，经由天线10接收卫星信号，并通过前置放大器12放大，进一步通过降频转换器14将放大后的信号转换成中频(IF)。此时所接收的信号为模拟信号。而后，所接收的信号是通过ADC(模拟数字转换器)16转换成数字信号。接收器18包括多个通道相关器CH1、CH2、...、CHn 18，用于同时分别实行多个卫星信号的信号相关性计算。将相关性计算后的信号馈入接收器处理器20。在接收器处理器20中，收集包含精确星历数据以及粗略星历数据的导航数据。
图9是显示根据本发明的子帧收集装置的方块图。实作上，此子帧收集装置，尤其是储存器以外的组件，可采用硬件、硬件和软件合并形式实施于接收器处理器20中。图10是显示根据本发明提供的收集卫星导航数据子帧的方法的流程图。本发明提供的子帧收集装置是包括一解调器201，用于解调信号以取得导航数据的子帧(见图10中步骤S200)。这些子帧被送至帧同步器202以检查所接收的子帧的各字符的同位位元(见图10中步骤S300)。此外，帧同步器202辨识各经解调的子帧的ID。在本实施例中，一页导航数据中的子帧4和子帧5(SF4和SF5)是直接递送至导航数据库205。如果一个子帧被辨识为子帧1至3其中之一，则此子帧会被递送至一判定装置203。判定装置203检查此子帧的子单元。如所述，当一个子帧是由10个字符组成，子单元可为5个字符、2个字符或是1个字符。也就是说，子单元的大小可视所需加以定义。较佳而言，一个子帧的总字符可以均等分成多个子单元。在本实施例中是采用1个字符的子单元作为范例。当判定装置203判定一字符为有效时，判定装置203将该字符传送至一子帧收集数据库204(见图10中步骤S400)。子帧收集装置亦对子帧执行某些保护性检查措施，相关细节稍后将进一步说明。在本实施例中，子帧收集数据库204分成三个区域，分别用于收集子帧1至3(SF1、SF2以及SF3)的字符。在SF1至SF3的所有字符收集完成之后，也就是SF1至SF3中各载有信息的字符均被收集之后，收集到的子帧SF1、SF2以及SF3传送至导航数据库205以更新导航数据库205(见图10中步骤S500)。
如前所述，子帧收集装置是对各输入的子帧执行某些保护性的检查措施。帧同步器202检查子帧中的TLM字符以及HOW字符，即检查子帧中的字符1以及字符2。TLM字符含有前序信息。如果TLM信息有错误，则丢弃整个子帧，即，不会从此子帧中收集任何字符。HOW字符(字符2)含有子帧ID，表示此子帧是子帧SF1至SF5中的哪一个。在本实施例中，如果子帧是SF4或是SF5，则通过现有技术对子帧进行收集。如果子帧是SF4或SF5，帧同步器202检查此子帧各字符的同位位元，如果子帧中的所有字符均为有效字符，则将其递送至导航数据库205。如果通过检查HOW字符中的子帧ID而判定此子帧为SF1至SF3其中之一，则此子帧被递送至判定装置203。正常来说，递送至判定装置203的子帧的顺序会是SF1、SF2、SF3、SF1、SF2...以此类推。举例而言，如果子帧ID显示为SF1、SF2、SF2...，则表示有错误。如果子帧的TLM字符以及HOW字符两者均为有效，则可收集此子帧中的其它字符。举例而言，其它字符是通过检查同位位元而加以检查。如所述，对于相同数据组，子帧SF1、SF2以及SF3的IODC必须匹配。如不匹配，表示已发生导航数据更新。此时，应清除已储存在子帧收集数据库204中的所已收集的字符，并且收集当前子帧中有效字符，并将有效字符储存于子帧收集数据库204。需要说明的是，各子帧可能具有某些保留字符。在这些保留字符中并无信息。举例而言，子帧1的字符4到6是保留字符，且并无信息载于其中。
图11A与图11B显示本发明提供的收集卫星导航数据子帧的方法的一实施例的流程图。请一并参照图9、图11A与图11B。子帧收集方法从步骤S1000开始，执行步骤S1010，解调器201接收经相关性计算的信号并将这些信号解调为数据子帧。这些子帧被传送至帧同步器202。在步骤S1021中，帧同步器202检查子帧的TLM字符以及HOW字符。如果TLM字符不正确，此子帧将被丢弃。并且通过检查HOW字符来辨识子帧，以便知道其为子帧1至5(SF1至SF5)中的哪一个。在步骤S1023中，判定子帧是否为子帧1至3(SF1至SF3)其中之一。如是，将执行步骤S1025；如否，显示子帧为SF4或SF5，则在步骤S1030检查此子帧中的其它字符(亦即字符3至10)。通常，是通过同位位元检查法来检查字符3至10。如果字符3至10均正确，则将子帧(SF4或SF5)储存于导航数据库(步骤S1080)；否则，便不采用此子帧。如果在步骤S1023中，判定子帧是子帧1至3(SF1至SF3)其中之一，则子帧被递送至判定装置203，而后检查IOD字符。IOD字符检查包含两个方面。其一，检查具有IOD信息的字符的正确性；其二，检查SF1的IODC以及SF2、SF3的IODE是否彼此匹配。在此例中，如果在步骤S1025中检查得知IOD字符无效，则不对此子帧执行子单元收集(字符收集)。如果在步骤S1026中检查得知IOD已改变，也就是指IODC与IODE不匹配，则判定装置203在步骤S1040中重置word_collected旗标以及SF_collected旗标。用于表示对精确星历数据的收集应重新开始，而先前收集的字符甚至子帧应予丢弃。在步骤S1045，将一计数值i设定为3，因为该子帧的头两个字符已经加以检查并收集。在步骤S1050，逐字符检查字符[i](i＝3～10)，如正确，便收集至子帧收集数据库204(步骤S1050、S1052、S1054、S1056)。当字符[i]被收集，其word_collected旗标便被设定。虚设字符可忽略。举例而言，如果该子帧是被辨识为SF1，则已知字符4、字符5以及字符6为保留字符，并不具有信息。因此，对于字符4、字符5以及字符6的检查可以省略。可通过将这些字符的word_collected旗标初始设定而实现。在步骤S1060中，判定装置203通过检查word_collected旗标来判定SF1至SF3等各子帧的字符3至字符10是否已被收集。如果判定SF1的字符3至10均已被收集，则判定装置203在步骤S1065设定SF1的SF_collected旗标。应注意在本实施例中，此种检查是始终执行，即一旦一个子帧的全部字符均被收集，该子帧的SF_collected旗标即被设定。在步骤S1070，判定装置203通过检查SF1至SF3的SF_collected旗标而判定是否已将SF1至SF3全部收集。如果已收集SF1至SF3，则将所收集的子帧传送至导航数据库205以更新导航数据库205。否则，子帧收集装置将等候下一个输入的子帧。此子帧收集方法在步骤S1100结束。整个方法是重复执行的。应注意其它合理性检查亦可并入本发明所提供的用于收集卫星导航数据子帧的方法，用以排除不合理的子单元信息。
通过利用本发明，收集精确星历数据的时间可显著减少。因此，可改进接收器的TTFF性能，尤其在微弱信号或断续接收状况下效果尤为显著。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡根据本发明所做的均等变化与修饰，都属于本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种用于收集卫星导航数据子帧的方法，该子帧包含多个子单元，该方法包含：
接收载有导航数据子帧的信号；
检查各子帧的多个子单元是否有效；以及
收集至少一所需子单元，以获得导航数据。
2.如权利要求1所述的用于收集卫星导航数据子帧的方法，其特征在于，各子单元包含一个字符。
3.如权利要求1所述的用于收集卫星导航数据子帧的方法，其特征在于，各子单元包含多个字符。
4.如权利要求1所述的用于收集卫星导航数据子帧的方法，其特征在于，进一步包含：
在接收载有导航数据子帧的信号之后，检查一子单元是否包含一子帧的遥测字符，如果该遥测字符无效，则丢弃该子帧以及不从该子帧中收集任何子单元。
5.如权利要求1所述的用于收集卫星导航数据子帧的方法，其特征在于，进一步包含：
判定是否已经收集所有所需子帧。
6.如权利要求1所述的用于收集卫星导航数据子帧的方法，其特征在于，进一步包含：
判定在该导航数据中是否发生更新，以及当已经发生更新时，清除已收集的子单元。
7.如权利要求6所述的用于收集卫星导航数据子帧的方法，其特征在于，检查该子帧的发送日期信息以判定是否已经发生更新。
8.如权利要求1所述的用于收集卫星导航数据子帧的方法，其特征在于，检查该子帧的各子单元是否有效中，首先检查是否该多个子单元包含遥测字符，以及该多个子单元其中之一是否包含该子帧的送交字符，如果该遥测字符以及该送交字符均有效，那么检查该子帧的其他子单元，否则丢弃该子帧以及从该子帧中不收集任何子单元。
9.如权利要求1所述的用于收集卫星导航数据子帧的方法，其特征在于，省略对包含保留字符子单元的检查。
10.一种用于收集卫星导航数据子帧的装置，各该子帧包含多个子单元，该装置包含：
判定装置，用于接收该多个子单元以及检查各子单元是否有效；以及
子帧收集数据库，用于收集至少一所需子单元。
11.如权利要求10所述的用于收集卫星导航数据子帧的装置，其特征在于，在所有该子帧的所有所需子单元收集之后，一起传送该子帧与该子单元，以更新该导航数据库。
12.如权利要求10所述的用于收集卫星导航数据子帧的装置，其特征在于，省略对包含保留字符子单元的检查。
13.如权利要求10所述的用于收集卫星导航数据子帧的装置，其特征在于，该判定装置检查在该导航数据中是否发生更新，以及当发生更新时，指示清除在该子帧收集数据库中已收集的子单元。
14.如权利要求13所述的用于收集卫星导航数据子帧的装置，其特征在于，该判定装置检查该子帧的发送日期信息，以判定是否发生更新。
15.如权利要求10所述的用于收集卫星导航数据子帧的装置，其特征在于，如果包含子帧的遥测字符以及送交字符的子单元为无效时，丢弃该子帧，以及不从该子帧中收集任何子单元。
16.如权利要求10所述的用于收集卫星导航数据子帧的装置，其特征在于，各子单元包含一个字符。
17.如权利要求10所述的用于收集卫星导航数据子帧的装置，其特征在于，各子单元包含多个字符。
18.一种用于收集卫星导航数据子帧的方法，其中，该子帧包含多个子单元，该方法包含：
接收该多个子单元；
检查各子单元是否有效；以及
收集至少一所需子单元，以获得导航数据。
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