一种基于DMR窄带信道的RTK差分数据压缩传输方法与流程

本发明涉及铁路无线通信与卫星定位，特别是涉及一种基于dmr窄带信道的rtk差分数据压缩传输方法。

背景技术：

1、rtk（实时动态差分定位）技术可实现厘米级定位精度，对编组站调车机和人员的位置跟踪具有重要价值，rtk系统需要基准站实时向移动站发送差分修正数据，标准rtcm3.x格式的差分数据报文长度约200-500字节，更新频率1-10hz，数据速率约2-25kbps，而dmr系统单时隙数据承载能力仅约9.6kbps（含开销），且需要与语音业务共享信道资源，无法直接承载标准rtcm数据。

2、现有技术中，rtcm3.x标准报文（如1004、1005、1012等消息类型）采用固定字段长度编码，包含大量在特定应用场景下冗余的信息字段，例如，标准1004消息（gps观测值）包含32颗卫星的完整观测数据槽位，但实际编组站场景中可见卫星数通常为8-15颗，导致约50%-75%的字段为空填充，此外，rtcm报文中包含glonass、galileo、beidou等多系统观测数据，而编组站场景仅需gps+bds双系统即可满足定位需求。

3、因此，亟需一种能够将rtcm差分报文有效压缩至dmr窄带信道可承载范围内的传输方法，同时保证定位精度满足编组站应用需求。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于dmr窄带信道的rtk差分数据压缩传输方法，解决了现有上述背景技术所提出的问题，将rtcm差分报文压缩至dmr窄带信道可承载的范围内，同时保证定位精度满足编组站应用需求。

2、本发明解决上述技术问题的方案如下：一种基于dmr窄带信道的rtk差分数据压缩传输方法，包括以下步骤：s1报文精简步骤，解析rtcm3.x格式的rtk差分数据报文，仅保留编组站应用场景下必需的观测量字段，删除冗余信息字段及非必需的卫星系统观测数据块，该步骤的功能在于剔除与编组站定位无关的冗余信息，从源头上大幅缩减待传输数据量，为实现后续高效压缩奠定基础，其优点是能够在保留rtk解算所需全部核心信息的前提下，最大程度地降低数据冗余度。

3、s2差分编码步骤，对保留的各观测量采用差分编码，计算相邻历元间的变化量代替绝对值进行传输，并以每传输n个差分帧后强制发送一帧携带完整观测数据的关键帧，n为正整数，该步骤的功能在于利用rtk观测量在时间上的强相关性，将幅值较大的绝对值转换为幅值较小的变化量以节省传输比特数，同时通过关键帧的周期性插入防止因无线丢包导致的解码错误累积，其优点是兼顾了压缩效率与传输可靠性，能够在无线信道存在误码的情况下保持数据同步。

4、s3量化压缩步骤，将各观测量的差分值或绝对值按预设的量化位数和量化步长量化为定点整数，形成压缩数据载荷，该步骤的功能在于通过浮点数到定点整数的转换进一步压缩数据表示所需的比特位数，其优点是能够在将量化误差控制在rtk定位精度允许范围内的前提下，实现数据量的最大化压缩。

5、s4帧结构设计步骤，设计适配dmr通用数据传输时隙的专用数据帧格式，所述数据帧至少包括帧头、压缩数据载荷和循环冗余校验字段，该步骤的功能在于使压缩后的数据能够在标准dmr协议框架内进行可靠传输，其优点是增强了方法的实用性与标准兼容性，确保数据可在现有dmr系统中直接部署。

6、s5自适应速率控制步骤，根据dmr信道的质量指标动态调整数据更新频率和压缩模式，该步骤的功能在于使系统能够根据实时信道条件智能调整传输策略，其优点是能够在信道良好时提供高精度高频率服务，在信道恶劣时保证数据传输的连续性和鲁棒性，提高了系统对编组站复杂电磁环境的适应能力。

7、进一步地，所述报文精简步骤中，字段保留判定采用如下规则：

8、规则一，若该字段为rtk解算算法的直接输入参数，包括伪距、载波相位、卫星编号和基准站坐标，则强制保留；

9、规则二，若该字段在编组站应用场景下取值固定不变，包括参考框架、码类型和系统标志，则删除该字段，接收端以预配置方式恢复；

10、规则三，若该字段为其他字段的附属信息且不影响定位精度，则进行位压缩；

11、规则四，仅保留gps系统prn1-32和bds系统prn1-63的观测数据，删除glonass、galileo和qzss系统数据块；

12、规则五，遍历卫星数据块，若某颗卫星的伪距和载波相位字段均为零值或填充值，则整块删除，仅传输有效卫星数据。

13、上述规则的功能在于为报文精简过程提供系统化、可量化的判定标准，使精简操作具有明确的一致性和可重复性，其优点是避免了主观判断带来的不确定性，确保了精简后数据既能满足rtk解算的完整性要求，又能达到最大的压缩效率，同时通过规则四和规则五的双重筛选，仅传输编组站场景下实际可见且有效的卫星数据，进一步削减了无效数据占比。

14、进一步地，所述差分编码包括如下步骤：

15、基准站坐标差分，设第n历元基准站坐标为p(n)；

16、p(n)=(x(n),y(n),z(n))，则差分值δp(n)=p(n)-p(n-1)，n≥2，首帧使用δp(1)=p(1)-p_ref，其中p_ref为参考坐标；

17、伪距观测值差分，设第n历元第k颗卫星的伪距为ρ_k(n)，则差分值δρ_k(n)=ρ_k(n)-ρ_k(n-1)；

18、载波相位差分，设第n历元第k颗卫星的载波相位为φ_k(n)，则差分值δφ_k(n)=φ_k(n)-φ_k(n-1)；

19、信噪比差分，δsnr_k(n)=snr_k(n)-snr_k(n-1)；

20、差分编码容错机制，所述关键帧与差分帧的间隔n默认取10，接收端收到差分帧时以前一帧为基准还原，若循环冗余校验错误则丢弃该帧及后续所有差分帧，直至收到下一个关键帧后重新同步。

21、上述差分编码方案的功能在于针对基准站坐标、伪距、载波相位和信噪比四种物理特性各异的观测值分别采用适配的差分策略，使各观测量均能获得最优的压缩效果，其优点是基准站坐标差分利用了基准站固定安装、历元间位移为零的特性，伪距差分利用了卫星运动在短时间内的连续性，载波相位差分利用了相位变化率的平稳性，信噪比差分利用了信号强度变化的缓慢性，四者结合实现了对各类观测值的最佳压缩，容错机制的功能在于通过关键帧周期性重置解码基准，其优点是有效遏制了无线传输中误码的扩散传播，确保接收端在遭遇连续丢包后仍能快速恢复数据同步。

22、进一步地，所述量化压缩步骤中，各观测值的量化参数设置如下；

23、基准站坐标差分δp：量化位数16bit，值域范围[-327.67mm, +327.67mm]，量化步长0.01mm；

24、伪距差分δρ：量化位数20bit，值域范围[-5242.87m, +5242.87m]，量化步长0.01m；

25、载波相位差分δφ：量化位数20bit，值域范围[-524.288周, +524.288周]，量化步长0.001周；

26、信噪比差分δsnr：量化位数4bit，值域范围[-4db-hz, +4db-hz]，量化步长0.5db-hz；

27、关键帧中的伪距绝对值：量化位数24bit，值域范围[0m, 29999999.99m]，量化步长0.01m；

28、关键帧中的载波相位绝对值：量化位数20bit，值域范围[-524288周, +524287周]，量化步长1周；

29、量化公式为q=round((v-v_min)/step)，反量化公式为v'=q×step+v_min，其中v为原始浮点值，v_min为值域下限，step为量化步长，q为量化后的整数值。

30、上述量化参数设置的功能在于为每种观测值精确匹配量化位宽和步长，坐标差分采用16bit量化，最大量化误差仅0.005mm，精度损失可忽略不计；伪距差分采用20bit量化，可覆盖±5242m的动态范围，足以应对卫星运动及接收机钟差引起的伪距变化；载波相位差分采用20bit量化，可覆盖±524周的宽范围，能够容纳周跳等异常情况；信噪比差分采用4bit量化，以最小带宽代价传输缓慢变化的信号质量信息，整体方案在满足rtk毫米级定位精度需求的前提下，使数据量达到最小化，实现了压缩比与定位精度的优化平衡。

31、进一步地，所述帧结构设计步骤中的帧格式包括以下字段：

32、同步字sync word，长度2字节，用于接收端帧同步检测；

33、帧类型frame type，长度1bit，用于区分差分帧和关键帧；

34、压缩等级compression level，长度3bit，用于指示当前采用的压缩模式；

35、基准站编号station id，长度1字节；

36、历元时间epoch time，长度20bit，以1ms为分辨率表示gps秒内时间；

37、卫星数量sat count，长度5bit，表示本帧包含的卫星数量；

38、gps卫星可见性位图sat flag bitmap，长度4字节，按prn1-32标识每颗gps卫星是否有数据；

39、bds卫星可见性位图bds flag bitmap，长度8字节，按prn1-63标识每颗bds卫星是否有数据；

40、坐标差分δx/δy/δz，长度各16bit，共48bit；

41、卫星数据块satellite data block，长度可变，按每颗卫星依次排列，差分帧单颗卫星数据块包含l1伪距差分值16bit、l1载波相位差分值20bit、l1信噪比差分值4bit，以及根据压缩等级选择性包含的l2伪距差分值16bit、l2载波相位差分值20bit、l2信噪比差分值4bit；关键帧单颗卫星数据块包含l1伪距绝对值24bit、l1载波相位绝对值20bit、l1信噪比绝对值6bit、l1信号锁定时间指示器4bit、l2伪距绝对值24bit、l2载波相位绝对值20bit、l2信噪比绝对值6bit、l2信号锁定时间指示器4bit；

42、循环冗余校验crc-16，长度2字节，覆盖从帧类型字段至数据载荷末尾。

43、上述帧格式设计的功能在于将压缩后的数据按照dmr标准时隙要求进行结构化封装，帧结构高度紧凑，差分帧单颗卫星仅需10字节，以20颗卫星计整帧约68字节，对应传输速率约550bps，远低于dmr单时隙4.8kbps的承载上限，为语音业务和其他数据业务预留了充足的信道资源；同步字保障了接收端的帧边界检测；帧类型字段使差分帧与关键帧可被快速识别；压缩等级字段支撑了自适应速率控制的多模式解码；gps和bds双可见性位图机制使接收端能够灵活解析非均匀分布的卫星数据，无需为每颗卫星分配固定槽位，进一步节省了带宽；crc-16校验覆盖整个数据载荷，保证了传输数据的完整性检测。

44、进一步地，所述自适应速率控制步骤中，采用dmr系统提供的接收信号强度指示rssi和误码率ber综合评估信道质量；

45、定义信道质量指数cqi=α×normalize(rssi)+(1-α)×normalize(1/ber)，其中α=0.6，normalize()为归一化函数；

46、rssi归一化方式为：rssi≥-70dbm映射为1.0，rssi≤-110dbm映射为0.0，中间线性插值；ber归一化方式为：ber≤10-4映射为1.0，ber≥10-2映射为0.0，中间对数插值；

47、按cqi值将信道划分为五个等级：level0为[0.8,1.0]对应优，level1为[0.6,0.8)对应良，level2为[0.4,0.6)对应中，level3为[0.2,0.4)对应差，level4为[0,0.2)对应极差；

48、各等级对应的更新频率和压缩模式为：level0采用10hz更新频率，差分帧与关键帧每10帧插入1个关键帧；level1采用5hz更新频率，差分帧与关键帧每5帧插入1个关键帧；level2采用2hz更新频率，仅l1差分帧与关键帧每5帧插入1个关键帧；level3采用1hz更新频率，仅l1精简差分帧与关键帧每3帧插入1个关键帧；level4采用0.5hz更新频率，仅关键帧传输l1+l2完整数据；

49、等级切换引入防抖机制：降级切换要求cqi在低等级区间持续t_down秒后执行，t_down按等级分别为3s、3s、2s、1s；升级切换要求cqi在高等级区间持续t_up秒后执行，t_up均为5s；t_up大于t_down；若cqi突然降至0.1以下，立即降级至level4；

50、上述自适应速率控制方案的功能在于通过rssi与ber的加权融合实现对dmr无线信道质量的实时精准量化，并根据量化结果动态选择最优的传输策略，rssi反映信号强度衰减，ber反映解调误码情况，两者互补使cqi能够全面表征信道实际传输条件；五级精细分级使系统能够在不同信道条件下平滑切换至最匹配的传输参数组合；防抖机制中降级响应快、升级响应慢的非对称设计，既能在信道恶化时迅速保护数据传输的连续性，又能在信道短暂改善时避免因瞬时波动引起的频繁切换；紧急降级规则确保在突发强干扰时系统能够即时进入最稳健的传输模式，显著提升了系统在编组站复杂电磁环境中的稳定性。

51、进一步地，在每次所述等级切换时发送端连续发送3帧携带新等级标识的数据帧以确保接收端同步；接收端以最近收到的数据帧中压缩等级字段为准进行解码；若接收端在2秒内未收到循环冗余校验有效的帧，则自动降低一个等级进行解码尝试；

52、上述同步机制的功能在于保证收发两端在等级切换过程中压缩模式的一致性，通过冗余发送策略确保等级切换的可靠通知，即使在丢包率较高的信道条件下，接收端仍有较大概率收到新等级标识；接收端以最近收到的有效帧中的压缩等级字段为准进行解码，避免了因乱序或延迟导致的解码混淆；自动降级尝试机制进一步增强了系统的自恢复能力，即使在连续丢失多帧的极端情况下，解码器仍能通过逐步降低等级预期来尝试解析数据，避免了长时间的通信中断。

53、进一步地，所述方法应用于基准站端和移动站端构成的rtk差分数据传输系统，基准站端gnss接收机输出rtcm3.x原始数据送至压缩模块执行报文精简、差分编码和量化压缩，压缩后的数据送入dmr基站通过无线信道发送；移动站端dmr终端接收数据，经解压模块还原rtcm数据后送入gnss接收机进行rtk解算；所述压缩模块集成于dmr基站设备内部或作为独立设备通过以太网与dmr基站连接。

54、上述系统架构方案的功能在于建立从基准站gnss接收机到移动站gnss接收机的完整数据传输链路，压缩模块的两种部署方式为不同场景提供了灵活选择——集成部署适用于新建系统，可实现紧凑的设备结构和最低的传输延迟；独立设备部署适用于编组站已有dmr系统的改造场景，无需更换基站硬件，通过以太网即可接入，大幅降低了工程实施难度和系统升级成本，具有良好的推广价值。

55、本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于dmr窄带信道的rtk差分数据压缩传输方法，具有以下优点：

56、1.压缩后数据速率不超过4.8kbps，可在dmr单时隙内可靠承载，实测平均速率约0.5至5.5kbps，视信道质量动态调整，为语音业务和其他数据业务预留了充足的信道资源，解决了标准rtcm数据无法在dmr窄带信道中直接传输的瓶颈问题。

57、2.定位精度损失小于5cm，相比原始rtcm数据，实测差异小于1cm，量化引入的误差远小于rtk定位精度要求，完全满足编组站水平精度优于0.5m、垂直精度优于0.8m的应用需求。

58、3.端到端传输时延小于500ms，涵盖压缩处理、dmr无线传输和解压还原全过程，满足编组站调车机等移动载体对定位数据实时性的操作要求。

59、4支持gps和bds双系统差分，双系统下压缩帧长度约68至76字节，覆盖了编组站场景可见卫星的典型数量范围，同时通过规则四和规则五的双重筛选机制，有效剔除了glonass、galileo、qzss等非必需系统数据及无效卫星数据。

60、5.适配dmr智能信道共享系统，可与语音业务动态切换，充分利用dmr系统的信道资源调度能力，支持与既有铁路无线通信系统的无缝集成。

61、6.自适应速率控制根据rssi和ber综合评估信道质量，五级信道等级精细调控，非对称防抖机制有效避免频繁切换，紧急降级规则保障突发干扰下的数据传输连续性，实现了压缩效率与传输可靠性的智能平衡。

62、7.差分编码与关键帧机制兼顾压缩效率与容错性，关键帧间隔可配置，默认10秒，有效抑制了无线信道误码扩散，接收端在遭遇连续丢包后能够快速恢复解码同步。

63、8.压缩模块支持集成部署和独立部署两种方式，独立部署方案无需更换既有dmr基站硬件，通过以太网即可接入，适配编组站既有dmr系统改造场景，具有良好的工程推广价值和经济效益。

64、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。