【经验】深度解析GNSS模块的冷/热启动是什么？

时间： 2022-06-09 来源：司南导航

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本文中司南导航深度解析GNSS模块的冷/热启动是什么。模块为什么开机很长时间后才获得定位数据？在解答这个问题之前，我们首先要知道搜到多少颗卫星才可以定位成功。 GNSS的基本定位原理是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户在接收到这些信息后，经过计算得出模块的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。因此至少需要4颗卫星才可以实现精准定位，输出三维位置信息。

基本要求如下:

通常情况下，定位模块上电开机后，利用天线搜索卫星，然后解析卫星发射的数据（导航电文），内部生成星历。经过复杂的计算，最终得到当前精确的位置。这个过程称之为"冷启动"。

由于信号强度、芯片运算能力的差异，通常耗时几十秒到几分钟不等。在这个过程中，搜星和生成星历文件耗时最久。而模块定位时间的长短与模块启动的方式及所处环境有关。将模块定位时长按快慢进行排序：热启动＞温启动＞冷启动。

冷启动、温启动和热启动分别是什么？

冷启动

冷启动，通俗的讲，是通过硬件的方式进行强制性的启动。冷启动时模块清空了所有的历史信息，也就是本地的flash中未存储任何星历。当失去卫星参数，或者现存的参数和实际接收到的卫星参数相差过多，导致模块无法进行定位，就需要重新获得卫星提供的坐标数据。但是由于失去了之前的卫星信息，重新获得数据将花费较长的时间。例如，模块在初次使用时，因为电池耗尽导致星历信息丢失，或者是恢复出厂设置之后重新启动，要重新计算一次星历数据，一般情况下需要30多秒钟才能正常定位。

温启动

温启动是指在上次定位时间超过2个小时后的启动，其搜星定位时间介于冷启动和热启动之间。模块中储存有最后时刻计算的卫星位置、历书以及UTC时间，但关机时间超过两小时，星历发生了变化，其保存内容与当前可视卫星的数据不一致，在此之前的卫星又无法接收，需要通过重新搜星将位置信息补充完整。所以温启动的搜星时间介于冷启动与热启动之间。而通过现有技术，冷启动与温启动之间的模式参数已经可以非常接近，所以逐步取消了温启动。

热启动

热启动是指在上次关机的地方没有过多地移动模块，且距离上次定位时间必须小于2个小时，模块保存有最后计算的可视卫星的位置、历书和UTC时间，在重启以后，模块以保存的上述内容为基础获取和计算当前卫星的最新位置，即通过软件的方式，进行一些启动前的保存和关闭等准备工作后的重新启动。

为什么K8系列模块冷启动能在20s内？

司南导航K8系列模块内置一体化高精度SoC芯片，对基带卫星跟踪算法进行了深度优化，可以在短时间内跟踪捕获卫星信号，对弱信号跟踪的稳定性、观测量的精度和数据的质量也有很大的提升，既能保证跟踪到更多的卫星，也能确保这些卫星能够正常解算使用。

基带处理部分是对卫星信号进行解码，获得卫星报文。每颗卫星的信号需要一个单独的通道进行处理，如果有100颗卫星，2个频段，就需要200个通道才能有效处理这些信息。通道数越多，可以获得的卫星观测值也就越丰富，定位精度也就越高。司南导航SoC芯片共拥有965个通道，可并行处理全球范围内所有卫星导航系统的民用GNSS及未来信号。

解码的过程，分为搜索-锁定-跟踪三步。首先生成每颗卫星的伪码，然后与信号进行自相关操作，相关度达到一定程度就可以锁定卫星，然后进行码锁定、位同步、帧同步，最终提取出报文。这个过程要持续进行，因为多普勒效应，信号的频率会不断变化，所以本地生成的伪码也要不断变换频率去适配卫星的变化。一旦失去锁定，就会丢失信号，也就无法正常定位。

司南导航K8系列模块在开阔环境下冷启动可以保持在20S内，主要是归功于在基带卫星跟踪算法中增加了对B2b信号的跟踪和解析。因为B2b播发星历的周期短，利用B2b解析出的电文信息进行定位，可以快速收齐星历和星钟信息，冷启动时间自然也就短了。

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