专利名称：为采用时间相关数据传送的系统提供容差鲁棒的单工无线数据的系统和方法
为采用时间相关数据传送的系统提供容差鲁棒的单工无线
数据的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2010年11月12日提交的名为“为采用时间相关数据传送的系统提供容差鲁棒的单工无线数据的系统和方法”的美国临时申请序列号No. 61/412，844的益处，此处通过引用将其全部内容包括在本申请中。
背景技术：
在导航系统中，传感器以高量化水平高速采样，这产生非常大量数据。而且，维持导航所需的高精度精确性经由具有连续校准和更新能力的系统实现。在过去，与这种导航传感器的通信一般通过使用平衡环(gimbal)实现，该平衡环集成了到数据处理系统的有线连接。在较新的导航系统设计中，有时不再需要平衡环。而是，导航传感器通过诸如空气轴承之类的独特方法支持，其中不再存在到传感器的有线物理连接。这样，高速无线连接变成了必需。无线连接对包括导致误码的信号漏失、信号干扰以及多路径差错的数据传输问题敏感。为了使导航系统尤其在飞行场景中正确地工作，需要减轻导致数据丢失的数据传输问题。由于上述原因和当本领域技术人阅读和理解说明书时将显见的下面陈述的其他原因，在本领域中需要为采用时间相关数据传送的系统提供容差鲁棒的单工无线数据的系统和方法。

发明内容
本发明的实施例提供为采用时间相关数据传送的系统提供容差鲁棒的单工无线数据且通过阅读和学习下面的说明书将理解的系统和方法。在一个实施例中，一种用于提供容差单工无线数据的系统包含一个或更多导航传感器，每个配置成产生时间相关导航传感器数据的数字采样；以及数据接收节点，通过无线数据链路耦合到一个或更多导航传感器，其中无线数据链路包含用于时间相关导航传感器数据的数据包的单工传输的初级流以及用于延迟的数据包的单工传输的次级流，该延迟的数据包包含时间相关导航传感器数据的延迟重发。其中当数据接收节点经由初级数据流从一个或更多导航传感器的第一传感器接收第一数据包时，数据接收节点有效性检查第一数据包。其中当数据接收节点判断第一数据包包含受损数据时，数据接收节点有效性检查经由次级数据流从第一传感器接收的第二数据包。其中当第一数据包和第二数据包包含受损数据时，数据接收节点基于来自第一数据包和第二数据包中的非受损数据采样建立重构的多个顺序时间相关数据采样。


当考虑优选实施例和下面附图的描述时，本发明的实施例可以被更容易地理解且其他优点及用途将更容易地显见，附图中
图1说明本发明的一个实施例的无线数据链路中的双流数据包传输；图2是说明本发明的一个实施例的方法的流程图；图3-4以及5A&5B说明用于本发明的一个或更多实施例的数据插值的示例；以及图6说明本发明的一个实施例的发送器/接收器系统。依照一般实践，各种描述的特征没有按比例绘制，而是强调与本发明相关的特征。 贯穿附图和文本，参考符号表示相似的元件。
具体实施例方式在下面的详细描述中，对附图做出引用，附图形成本说明书的一部分且其通过可以实践本发明的特定说明性实施例的方式示出。这些实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实践本发明，且应当理解，可以利用其他实施例，且可以在不偏离本发明的范围的条件下做出逻辑、机械和电学改变。因此下面的详细描述不应视为限制意义。本发明的实施例提供用于导航传感器通信链路的系统和方法，其减轻包括导致误码的数据漏失、信号干扰和多路径差错的数据传输问题。更具体而言，对于有限持续时间的漏失和无线数据链路差错的情况，此处描述的协议用于确保精确导航传感器数据被成功地提供到导航系统且通信完整性得以维持。如下面更详细解释，底层概念使用无线通信链路内的差错检测和额外带宽来产生延迟的数据流。导航数据共有的动态质量被用于插值时间相关数据且求解相同传感器数据点的两个采样(一个来自第一数据流且一个来自延迟的数据流)中的哪一个是正确的。当两个采样都出现受损时，这些动态质量用于提供近似低差错替代采样。图1是总体以100说明本发明的一个实施例的无线数据链路中的双流数据包传输的图示。如图1所示，传感器110通过无线数据链路115耦合到数据接收节点112。传感器 110被编程为发送时间相关导航传感器数据的数据包的初级流(由A指示)以及延迟的副样(duplicate)数据包的次级流(由A’指示)。无线数据链路115包括足够的带宽来同时传输数据包的初级流和次级延迟副样流。这样，任意一个数据包的传输不消耗超过无线数据链路115上可用的带宽的一半。在一个实施例中，无线数据链路115提供至少是传感器 110产生的任意数据包的传输所需的带宽的两倍的带宽且因而提供过剩能力来实施提出的方法。在图1中描述的实施例中，传感器110在初级数据流A上发送第一数据包130，且然后，在某一延迟(在120示出)之后，在延迟流A’上发送数据包130的复本(示为130’)。 取决于信号传输损耗机制的突发性，发送数据包130和数据包130’之间的延迟120可以是任意固定或可编程的合适的延迟。数据包130和130’均包括传感器110产生的N个顺序的时间相关数据采样的序列。通过使得数据包130和130’携带顺序时间相关数据的副样复本，数据流A和A’的接收器(在下面详细讨论)能够利用每个数据包内以及两个数据包130和130’之间的数据点之间的插值来识别每个数据包中受损和非受损的数据点且估算校正。在一个实施例中， 在多个受损采样的事件中，通过首先发现两个冗余包之间的良好采样点执行多个受损数据采样上的插值。发送副样数据包130和130’为无线数据链路115提供了一种方式来从可能导致数据采样的整个数据包丢失的事件恢复。时间延迟数据包130’提供优于传统差错编码和解码方案的数据鲁棒性。在一个实施例中，数据包130和130’均包括附加的循环冗余校验(CRC)字符(以 132和132’示出)来便于差错检测和数据恢复。例如，在一个实施例中，在操作中，当在数据接收节点112接收数据包130时，相对数据包130携带的数据采样有效载荷评估CRC字符132。当数据接收节点112判断CRC132正确时，数据包132携带的数据采样被传送(诸如到导航计算机113)以用于进一步处理。当数据接收节点112判断CRC字符132不正确时，数据接收节点等待副样数据包130’在数据流A’中到达。然后，相对数据包130’携带的数据采样有效载荷评估CRC字符132’。当数据接收节点112判断CRC 132’正确时，数据包132’携带的数据采样被传送(诸如到导航计算机11 以用于进一步处理。当数据包130和130’均被发现具有不正确的CRC时，执行数据采样插值。本领域技术人员在阅读本公开时应当意识到，尽管CRC分析可以识别数据包是否包含受损数据， 分析本身不能识别包携带的数据采样中的哪一个受损。本发明的实施例利用导航数据的特定特性以在接收器识别和校正受损数据采样而无需请求从传感器重发数据。导航传感器测量数据本质上是惯量的(inertial)且通过测量限制为遵循某些动力学和物理学定律的物理对象得出。因此，导航传感器测量数据具有作为代表物理移动体的相关数据集的特性。导航传感器信号例如遵循某些模式，例如主要是正弦波形信号。传感器波形信号被数字采样(诸如通过8或14位模拟-数字转换器)以产生数据包130和 130’携带的采样。采样波形的采样速率足以使得在数据包130和130’内，在序列中从一个数字采样到下一数字采样值的差异非常小。由于此原因，可以通过从数据采样η和n+2的插值判断数据包130(或130’)内数据采样n+1何时受损。在备选实施例中，插值技术可以是线性(例如，(η+(n+2)/2))、三次(cubic)或其他技术。当数据采样n+l的值与根据η 和n+2的插值提供的估算不一致时，n+l被认为是受损数据点。导航数据本身有助于这种分析，因为传感器110(例如可以预期以IOOHz的频率操作)发送的数据包130和130’内的数据采样在短的时间周期内没有显著程度的变化。因此，此处描述的技术适合于使用相关数据集(正弦数据仅是一个示例)的其他应用且本发明的实施例预期为涵盖这些实施例。在一个实施例中，基于期望无线信道经历的差错或干扰的种类和周期性来选择数据包130和数据包130’的传输之间的延迟周期120。在一个实施例中，无线数据链路115 是多个传感器(诸如传感器110)利用的时分多址(TDMA)链路以向数据接收节点112发送数据包。在一个这种实施例中，数据包130和130’均在由TDMA调度分配给传感器130的数据包的时隙中发送。数据链路115利用单工(即，单向)数据传输机制来提供可靠链路以传送导航传感器数据。在备选实施例中，即使导航传感器数据使用此处描述的单工通信方法发送，数据链路115本身可以可选地支持双工数据传输。通过使用重发技术，本公开中描述的方案消除了对于提供双工数据传输物理层以支持较高数据可靠性的需要。而且，该技术可以应用于任意物理层。因此，两个或更多包可以被发送以利用过剩带宽且提供数据冗余。图2是说明本发明的一个实施例的方法的流程图。对于一个实施例，图2示意了用于处理图1的数据接收节点112接收的数据的上述逻辑。方法开始于202，其中经由无线数据链路的初级数据流从传感器接收第一数据包，该第一数据包包含第一多个顺序时间相关数据采样。方法进行到204，其中对第一数据包执行第一有效性检查。在一个实施例中，第一有效性检查包含针对有效性检查第一数据包的CRC。当执行第一有效性检查判断第一包正确时，方法前进到210，其中向处理器提供第一多个顺序时间相关数据采样。当执行第一有效性检查判断第一数据包不包含受损数据时，方法前进到206，其中经由无线数据链路的次级延迟数据流从传感器接收第二数据包，第二数据包包含第二多个顺序时间相关数据采样，且第二多个顺序时间相关数据采样包含第一多个顺序时间相关数据采样的重发。方法前进到208，其中对第二数据包执行第二有效性检查。在一个实施例中，第二有效性检查包含针对有效性检查第二数据包的CRC。当执行第二有效性检查判断第二数据包不包含受损数据时，该方法前进到212，其中向处理器提供第二多个顺序时间相关数据。 第一数据包相应地被丢弃。当第一数据包包含受损数据且第二数据包含受损数据时，方法前进到214，其中基于来自第一数据包和第二数据包中的非受损数据采样建立重构的多个顺序时间相关数据采样。在一个实施例中，在第一数据包的数据采样和第二数据包的数据采样之间执行逐个采样比较。因为第二数据包应简单地是来自第一数据包的数据采样的重发，二者携带的数据采样集应相同。在两个假定相同数据采样之间识别的任意差异意味着采样之一或二者受损。在一个实施例中，方法前进到216，向处理器提供重构的多个顺序时间相关数据采样。例如，图3说明比较来自在接收节点接收的第一数据包310和第二数据包320的顺序时间相关数据采样的示例。经由初级流在数据链路115上接收第一数据包310(至少包含数据点311-1至311-4)。第二数据包320(至少包含数据点321-1至321-4)经由延迟的副样数据包的次级流接收且是第一数据包310的重发。第一数据包310包括至少一个受损数据点(在311-4示出)，且由于此原因，在图2的方框204CRC检查将失败。第二数据包 320包括至少一个受损数据点(在321-2示出)且由于此原因，在图2的方框208CRC检查将失败。如上所述，数字采样用于产生数据包310和320的传感器波形信号的采样速率，足以使得在数据包310和320’内，在数据包的序列中从一个数字采样到下一数字采样值的差异非常小。例如，在一个实施例中，数据包310的数据采样311-1和311-3匹配数据包320 的相应数据采样321-1和321-3且因此被认为是非受损的。因此，这些数据采样的值用于填充在330示出的重构的多个顺序时间相关数据采样的数据采样331-1和331-3。然后， 330的其余数据采样如下所述被插值。备选地，如下所述，数据包310和320的每一数据点可以被单独地测试以覆盖相关数据采样均相同受损的少见情形。为了判断特定目标数据采样是否受损，在一个实施例中，使用目标数据采样的任一侧的数据采样执行插值。对于数据包320的示例，为了测试作为目标数据采样的数据采样321-2，使用数据采样321-1和321-3执行插值(在314示出)。使用的插值技术可以是线性、三次或其他技术。对于本示例，数据采样321-2的值与从321-1和321-3的插值提供的估算不一致。由于此原因，321-2被认为是受损数据点。为了测试数据包310的数据采样 311-2，使用数据采样311-1和311-3执行插值(在312说明)。在这种情况下，数据采样 311-2的值与从311-1和311-3的插值提供的估算一致。由于此原因，311-2被认为是非受损数据点，且将用作用于填充重构的多个顺序时间相关数据采样330的数据采样331-3的基础。在311-4的值受损数据采样可以类似地被检测且数据采样321-4的值可以用于插值的数据采样331-4的值。如图3所示，执行插值以填补在两个已知良好的数据采样点之间发生的丢失(即， 受损)的数据点。然而，对于单个误码情况(在310示出)或信号差错存在多种情形，时间参差(staggering)将帮助减小来自传感器数据的两个包的相同采样点的丢失。接收器将容易能够从其他数据包定位其他类似的点。图4说明比较来自在接收节点接收的第一数据包410和第二数据包420的顺序时间相关数据采样的另一示例。经由初级流在数据链路115上接收第一数据包410(至少包含数据点411-1至411-4)。第二数据包420(至少包含数据点321-1至321-4)经由延迟副样数据包的次级流接收且是第一数据包410的重发。第一数据包310包括至少一个受损数据点(在411-2示出)且由于此原因，在图2的方框204CRC检查将失败。第二数据包420 包括至少一个受损数据点(在421-2示出)且由于此原因，在图2的方框208CRC检查将失败。在图中容易观察到，图4的示例与图3的示例的不同之处在于，第一和第二数据包中的第二数据采样是受损的，意味着没有可以用于填充在430示出的重构的多个顺序时间相关数据采样的数据采样431-2的非受损数据采样。因此，来自任一数据采样411-1、3和4 或数据采样421-1、3或4的非受损值用于填充数据采样431-1、3和4，同时使用插值的值来填充数据采样431-2。在一个实施例中，接收节点将使用基于根据任一 411-1至411-3(在 412示出)或421-1至421-3 (在422示出)进行插值的插值的值来填充数据采样431-2。在另一实施例中，接收节点将(诸如通过平均)组合来自412和422的插值的值以达到431-2 的数据点值以代替受损数据点411-2和421-2使用。对于多个顺序采样点在初级数据包中受损的多突发误码的情况，相应的采样点可能也从次级包丢失。在一个实施例中，解决该情形涉及插值具有最已知的有效数据采样点的数据包以使用适当的值来填补丢失的采样点。即，基于来自A和A’的组合数据的插值结果被用于重构用于受损数据点的数据。图5A和5B说明用于比较来自第一数据包510和第二数据包520的顺序时间相关数据采样的一个这种示例，其中多个顺序采样点受损。在数据链路115上经由初级流接收第一数据包510 (至少包含数据点511-1至511-4)。第二数据包520 (至少包含数据点 521-1至521-4)经由延迟的副样数据包的次级流接收且是第一数据包510的重发。第一数据包510包括至少两个顺序的受损数据点(在511-2和511-3示出)且由于此原因，在图 2的方框204CRC检查将失败。第二数据包520包括至少一个受损数据点(在521-2示出) 且由于此原因，在图2的方框208CRC检查将失败。在该示例中，因为顺序数据点511-2和 511-3均受损，511-1至511-3之间或者511-2至511-4之间的插值将提供不可靠的结果。在这种情况下，来自数据包520的数据采样521-3的有效值首先用于代替数据包 510的受损数据采样511-3以填充中间数据包515的数据采样515-3。中间数据包515还包含使用已知非受损数据采样值(诸如来自任一 511-1和511-4或521-1和521-4)填充的数据采样515-1和515-4。接下来，接收节点将使用基于根据任一 515-1至515-3 (在512 示出)进行插值的插值的值来填充在530示出的重构的多个顺序时间相关数据采样的数据采样531-2。531-1、531-3、531-4的其余值可以分别来自于中间数据包515的数据采样 515-1、515-3和515-4。插值方案的这些示例不应视为限制，因为使用用于在具有多个顺序受损数据点的数据包之间插值的其他方案的实施例预期为处于本发明的实施例的范围内。如图6所示，在一个实施例中，为发送传感器数据的传感器605发展了传输模块前端处理610(诸如具有现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或微处理器)。在备选实施例中，上面参考图1提供的描述应用于图6且反之亦然。传感器605包含诸如(但不限于)姿态(attitude)测量传感器或速度测量传感器的传感器且可以包括3轴设置的加速计和陀螺仪。在图6中，传输模块前端处理610提供数据采样的附加编码和用于向无线发送器模块620传送数据包的包调度。在备选实施例中，无线发送器模块620使用合适的无线技术以用于在数据链路615上数据包到数据接收器节点模块630的单工传输。这种无线技术包括但不限于二进制相移键控(BPSK)、正交相移键控(QPSK)和使用用户数据报协议(UDP)和/或传输控制协议(TCP)的基于IEEE 802. 11的无线设备(即Wi-Fi设备)。传输模块前端处理610在特定时间调度上向无线发送器620提供时钟、初级数据流和次级延迟的副样数据流(诸如参考图1的流A和A’描述)。数据通过前端处理器610 格式化为具有识别包的头信息、帧同步信息且在每个包中为每个数据元素添加附加的CRC。 传输模块前端处理610从传感器605接收数据采样流且在初级流上提供用于向无线发送器 620传输的初始数据包，接着在延迟时间之后，在包含初始数据包携带的数据的副样的次级流上提供第二数据包。即，使用无线数据链路615的过剩带宽重发来自初始包的数据，这在扰乱链路完整性的事件中提供数据冗余。在一个实施例中，当发送初始数据包时，通过前端处理610分配顺序号，其存储在初始数据包头中。当随后发送具有副样数据采样的第二数据包时，将分配与初始数据包相同的顺序号，使得数据接收节点630将能够匹配在初始数据中携带的数据与在第二数据包中携带的数据。如图6所示，在一些实施例中，其他传感器、前端处理器、和发送器(通过 605’、610’和620’指示)将利用相同的无线信道615来发送信息。在一个实施例中，使用时分多址(TDMA)调度来控制对于无线信道615的接入。在一个实施例中，传感器605、前端处理器610和/或无线发送器620集成为单个设备。在无线链路615的远端的数据接收节点630接收初级流上的初始数据包和次级流上的第二数据包以用于诸如上面参考图2-5所述的分析。在一个实施例中，如上面图2-5 中所述，耦合到数据接收节点630的导航计算机635将对接收的数据包的数据完整性进行评估且做出必要的判定。在一个实施例中，导航计算机635通过验证包头信息和CRC检查和接受数据，而当校验和指示受损时，使用上面描述的方法。在一个实施例中，数据接收节点630和导航计算机635集成为单个设备。若干装置可用于实现如本说明书中讨论的本发明的系统和方法。这些装置包括但不限于数字计算机系统、微处理器、通用目的计算机、可编程控制器和现场可编程门阵列 (PFGA)或专用集成电路(ASIC)。因此，本发明的其他实施例是驻留在计算机可读介质上的程序指令，当通过这种装置实施时，所述程序指令使得这些装置实现本发明的实施例。计算机可读介质包括任意形式的物理计算机存储器存储设备。这种物理计算机存储器设备的示例包括但不限于穿孔卡片、磁盘或带、光学数据存储系统、闪存只读存储器(ROM)、非易失性ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除可编程ROM (E-PROM)、随机存取存储器(RAM)或任意其他形式的永久、半永久或临时存储器存储系统或设备。程序指令包括但不限于通过计算机系统处理器和诸如甚高速集成电路(VHSIC)硬件描述语言(VHDL)的硬件描述语言执行的计算机可执行指令。 尽管已经说明和描述了特定实施例，本领域技术人员应当理解，目标为实现相同目的的任意布置可以代替示出的特定实施例。本申请旨在覆盖本发明的变化或变型。因此， 旨在清晰地表明，本发明仅由权利要求及其等价限定。
权利要求
1.一种用于提供容差单工无线数据的系统，该系统包括一个或更多导航传感器(110，605)，每个配置成产生时间相关导航传感器数据的数字采样；以及数据接收节点(112，630)，通过无线数据链路(11 耦合到该一个或更多导航传感器 (110，605)，其中无线数据链路(11 包括用于时间相关导航传感器数据的数据包的单工传输的初级流(A)以及用于延迟的数据包的单工传输的次级流(A’)，该延迟的数据包包含时间相关导航传感器数据的延迟重发；其中当数据接收节点(112，630)经由初级数据流(A)从该一个或更多导航传感器 (110,605)的第一传感器接收第一数据包(130)时，数据接收节点有效性检查第一数据包 (130)；其中当数据接收节点(112，630)判断第一数据包(130)包含受损数据时，数据接收节点有效性检查经由次级数据流从第一传感器接收的第二数据包(130’ )；其中当第一数据包(130)和第二数据包(130’)包含受损数据时，数据接收节点基于来自第一数据包(130)和第二数据包(130’ )中的非受损数据采样建立重构的多个顺序时间相关数据采样。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括耦合到数据接收节点(112，630)的导航处理器 (113,635)；其中当数据接收节点(112，630)判断第一数据包(130)不包含受损数据时，数据接收节点向导航处理器输出来自第一数据包(130)的第一多个顺序时间相关数据采样；其中当数据接收节点(112，630)判断第二数据包(130’)不包含受损数据时，数据接收节点向导航处理器输出来自第二数据包(130’ )的第二多个顺序时间相关数据采样；以及其中当数据接收节点(112，630)判断第一数据包(130)和第二数据包(130’ )包含受损数据时，数据接收节点向导航处理器输出重构的多个顺序时间相关数据采样。
3.一种用于提供容差单工无线数据的方法，该方法包括经由无线数据链路(11 的初级数据流(A)从传感器(110,60 接收第一数据包 (130)，该第一数据包(130)包含第一多个顺序时间相关数据采样； 对第一数据包(130)执行第一有效性检查；当执行第一有效性检查判断第一数据包(130)不包含受损数据时，向处理器(113， 635)提供第一多个顺序时间相关数据采样；当执行第一有效性检查判断第一数据包(130)包含受损数据时，经由无线数据链路 (115)的次级延迟数据流(A’ )从传感器(110,60 接收第二数据包(130’)，该第二数据包(130’ )包含第二多个顺序时间相关数据采样，该第二多个顺序时间相关数据采样包含第一多个顺序时间相关数据采样的重发；对第二数据包(130’ )执行第二有效性检查；当执行第二有效性检查判断第二数据包(130’ )不包含受损数据时，向处理器提供第二多个顺序时间相关数据；当第一数据包(130)包含受损数据且第二数据包(130’)包含受损数据时，基于来自第一数据包(130)和第二数据包(130’ )中的非受损数据采样建立重构的多个顺序时间相关数据采样；且向处理器提供重构的多个顺序时间相关数据采样。
全文摘要
为采用时间相关数据传送的系统提供容差鲁棒的单工无线数据的系统和方法。在一个实施例中，一种系统包括产生时间相关数据的采样的传感器以及通过无线链路耦合到传感器的节点。链路包括用于数据包的单工传输的初级流以及用于延迟的数据包的单工传输的次级流，该延迟的数据包包含时间相关数据的延迟重发。当节点经由初级数据流从第一传感器接收第一数据包时，数据接收节点检查有效性。当第一数据包受损时，节点有效性检查经由次级流接收的第二数据包。当两个数据包包含受损数据时，节点基于来自数据包的非受损数据采样建立重构的多个顺序时间相关数据采样。
文档编号G01C21/00GK102546092SQ20111029109
公开日2012年7月4日 申请日期2011年9月12日 优先权日2010年11月12日
发明者D·I·帕梅特, J·哈克, M·D·迪博瓦 申请人:霍尼韦尔国际公司