滿春帆，謝靜，楊偉

（1.西華大學 交通與汽車工程學院，四川 成都 610039，2.四川廣播電視大學，四川 成都 610021）

基于NovAtelGPS接收機的車輛運行軌跡二次開發(fā)研究

滿春帆1，謝靜2，楊偉1

（1.西華大學 交通與汽車工程學院，四川 成都 610039，2.四川廣播電視大學，四川 成都 610021）

在Visual Basic 6.0環(huán)境下，針對NovAtel Propak-V3型GPS接收機進行二次開發(fā)再現(xiàn)研究。將已成熟的GPS坐標轉(zhuǎn)換技術(shù)與幾何學理論、計算機語言結(jié)合，對NovAtelGPS接收機所測原始數(shù)據(jù)進行后處理，并通過VB編輯程序再現(xiàn)接收機的運行軌跡。程序中實現(xiàn)對接收機數(shù)據(jù)的提取、WGS-84坐標系的轉(zhuǎn)換、單點誤差修正、差分誤差修正、軌跡模擬、數(shù)據(jù)存儲等功能。程序界面簡潔清晰、使用方便，可用于記錄車輛行駛軌跡、快速測量道路線形參數(shù)。

交通工程；Visual Basic；GPS接收機；坐標轉(zhuǎn)換；誤差修正

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)08-51-04

前言

NovAtelGPS接收機是NovAtel公司生產(chǎn)的一款產(chǎn)品，屬于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）組成部分之一。其中，ProPak-V3型號應(yīng)用廣泛，為具備抗環(huán)境能力強的封裝GPS接收機。該套設(shè)備可支持USB通信和IMU，具有GLONASS原始數(shù)據(jù)的輸出功能且有72個可用通道[1]。但存在如下缺陷：①數(shù)據(jù)形式過于單一，僅局限于測量轉(zhuǎn)換后計算結(jié)果的坐標值；②測量精度單點定位L1最大限標注值為1.8米、L1/L2標注值為1.5米，但在試驗測量中長達5米，與標示不符。由于NovAtelGPS在交通工程相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可以初步對公路定點、路線、汽車運行軌跡、汽車運行姿態(tài)進行測量，上

述缺陷對數(shù)據(jù)結(jié)果后期分析影響較為顯著。因此，有必要對其進行二次開發(fā)，找到運算過程的中間測量代換值及其數(shù)據(jù)，并對誤差產(chǎn)生和修正進行探討，以方便日后的理論分析研究工作。

Visual Basic是一種可視化面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計語言[4]，具有簡明的圖形用戶界面（GUI）、快速應(yīng)用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)以及便捷的ActiveX控件創(chuàng)建功能，內(nèi)集成多種可調(diào)用轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)庫。本文將試圖應(yīng)用NovAtelGPS接收機測量，對該儀器配套軟件NovAtelConnect所得數(shù)據(jù)進行分析；在Visual Basic 6.0環(huán)境下編寫一套程序，對NovAtelGPS接收機接受數(shù)據(jù)進行提取、篩選、轉(zhuǎn)換和運算。結(jié)合平面內(nèi)有限點集形心坐標算法，對數(shù)據(jù)誤差進行修正；同時，對車輛實際運行軌跡進行動態(tài)模擬。

1、二次開發(fā)原理及軟件設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

二次開發(fā)基于NovAtelGPS接收機通過標準定位服務(wù)（SPS）采集所得原始數(shù)據(jù)。GPS接收機定位技術(shù)關(guān)鍵在于GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號。GPS衛(wèi)星播發(fā)兩個頻率的載波無線電信號：L1=1575.42MHz和L2=1227.6 MHz。L1載波調(diào)制含有1.023MHz的粗捕獲碼（C/A碼）、10.23MHz的精碼（P碼）及每秒50bit的導航電文。L2載波僅調(diào)制P碼和導航電文。由于SPS水平定位精度為100米（95%的置信度），誤差數(shù)值數(shù)量級不穩(wěn)定，因此修正前，運用NovAtelGPS接收機測量并進行誤差性狀觀測，設(shè)計相應(yīng)修正改良方案。

圖1為二次開發(fā)總方案設(shè)計路線。

1.1 數(shù)據(jù)錄入

為確保計算結(jié)果的準確性，將NovAtelGPS測量所得原始數(shù)據(jù)錄入二次開發(fā)的軟件中時，用戶應(yīng)根據(jù)軟件對話框提示遵守相對應(yīng)操作順序執(zhí)行。其中，單點測量數(shù)據(jù)值錄入時間上應(yīng)先于動點軌跡數(shù)據(jù)值。單點誤差修正值計算對同一點進行兩次測量，結(jié)合平面內(nèi)有限點集重心原理，將測量點集轉(zhuǎn)化為單點并擬算出修正值。動點差分修正值計算運用位置差分原理得出相應(yīng)差分修正值。其中，基準站坐標值在單點修正結(jié)果的基礎(chǔ)上算得。數(shù)據(jù)錄入軟件時，應(yīng)確保前后測得的兩組數(shù)據(jù)組均輸入完整，再計算單點誤差修正值。原始數(shù)據(jù)錄入時文件格式應(yīng)轉(zhuǎn)化為VB軟件可以識別的ASCII碼或記事本格式。

1.2 坐標轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)基于WGS-84空間坐標系，由NovAtel GPS接收機測得點的坐標值也基于此坐標系，不能直接用于平面數(shù)據(jù)計算及存儲。需經(jīng)歷兩次坐標系轉(zhuǎn)換。

將WGS-84空間坐標系轉(zhuǎn)換成大地坐標系。大地坐標系采用大地經(jīng)度L、大地緯度B和大地高H描述空間位置。大地緯度為空間點與參考橢球面法線與赤道面的夾角，大地經(jīng)度為空間點與參考橢球自轉(zhuǎn)軸所在面與參考橢球起始子午面的夾角，大地高為空間點沿參考橢球法線方向到參考橢球面的距離。根據(jù)公式（1）可實現(xiàn)WPS-84空間坐標與大地坐標之間的轉(zhuǎn)換：

將大地坐標系轉(zhuǎn)換為平面高斯坐標系。高斯坐標系利用高斯-克呂格投影，將三維坐標系轉(zhuǎn)化到二維平面內(nèi)，可簡化數(shù)據(jù)的存儲和計算。根據(jù)公式(3)、(4)可實現(xiàn)大地坐標與高斯坐標之間轉(zhuǎn)換：

式中，m0=(L -L0)cos B ，t=tanB，η2=(e＇)2cos2B 。

B——所求點的緯度；

L——所求點的經(jīng)度；

Np——通過該點的卯酉圈曲率半徑；

坐標轉(zhuǎn)換采用VB中包含的對話框程序編輯方法實現(xiàn)。用戶根據(jù)Visual Basic 軟件提示選擇相應(yīng)高斯帶類型及帶號。選擇高斯帶帶號時，需根據(jù)實際測量點的具體位置查定。如輸入帶號超出測點經(jīng)度帶范圍，程序提示錯誤；強行運行將導致軌跡圖形投影失真，但不影響坐標點運算結(jié)果正確性。

1.3 軌跡顯示及誤差計算

GPS單點測量主要誤差包括衛(wèi)星誤差、傳播誤差和接收器誤差三部分。動點測量主要誤差來源為接收器誤差和少量的傳播誤差。消除誤差經(jīng)典模型主要包括[2]：偽距/載波相位測量組合改正法、Hopfield模型等。經(jīng)典模型主要針對造成GPS衛(wèi)星傳播過程中造成的誤差進行修正，達不到整體改良的目的。本文單點誤差修正模型中，以測得的第一個點作為計算原始數(shù)據(jù)，通過NovAtel GPS接收機重復多次測該點坐標以獲得坐標修正值（△X，△Y）。

根據(jù)重心法則計算該測量點的中心坐標。由幾何學形心公式可得，在一個平面區(qū)域中平面空間中有限點集的形心坐標[7]為：

其中，n為測量同一點次數(shù)。對測量值與精確值取差得修正值。

動點誤差修正采用位置差分法[7]。

1.4 數(shù)據(jù)的存儲

程序計算完成后，運用文件調(diào)用方法編輯實現(xiàn)。程序運行前，應(yīng)在Visual Basic 菜單選項中對Excel進行勾選。如數(shù)據(jù)龐大，則Excel讀入耗時長，讀入數(shù)據(jù)過程中不能干擾Excel文件。

為保證數(shù)據(jù)存儲的方便及準確，讀入Excel固定文件“實驗測量數(shù)控.xls”。讀入時文件自動打開，可觀測到讀入過程。

2、軟件設(shè)計及主要功能

軟件的總體結(jié)構(gòu)簡單直觀，操作過程集中于同一界面。邏輯組成：①GPS原始數(shù)據(jù)文件類型判定；②GPS原始坐標、時間數(shù)據(jù)的提??；③空間坐標向平面坐標的轉(zhuǎn)換；④平面軌跡的模擬；⑤單點測量坐標誤差值修正；⑥位置差分坐標誤差值修正；⑦處理后數(shù)據(jù)的儲存。

軟件設(shè)計主要實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)提取、坐標轉(zhuǎn)換、誤差計算、軌跡模擬、處理后數(shù)據(jù)存儲等功能。軟件設(shè)計流程如圖2：

該程序設(shè)計結(jié)構(gòu)主要包含以下模塊：①GPS原始數(shù)據(jù)路徑及顯示。從PC機中尋找原始數(shù)據(jù)文件，選擇類型錯誤時提示重選；②WGS-84坐標系。提取文件原始WGS-84空間坐標系下的（X，Y，Z，t）值，顯示于列表框中；③大地坐標系。完成空間坐標系下的坐標值與大地坐標系下經(jīng)緯度和高程值的轉(zhuǎn)化；④高斯坐標系。提示用戶選擇相對應(yīng)的地理帶，并在相應(yīng)緯度帶下?lián)Q算成高斯坐標系的平面坐標（X，Y）值；⑤相對坐標系。高斯坐標平面值轉(zhuǎn)換為可在軟件界面中顯示的相對坐標（X，Y）值；⑥誤差校正計算；⑦軌跡模擬/數(shù)據(jù)存儲。

在具有奔騰II以上CPU64兆以上內(nèi)存、10G 以上硬盤

的PC 及其兼容機上，使用WINDOWS 98 及其以上的操作系統(tǒng)打開程序，坐標轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)及靜態(tài)點測量顯示如圖3，汽車運行動態(tài)數(shù)據(jù)運算及運行軌跡顯示如圖4，運行動態(tài)數(shù)據(jù)存儲顯示如圖5。

3、軟件優(yōu)點

3.1 界面簡潔清晰

程序?qū)崿F(xiàn)所有功能均在同一窗體內(nèi)，界面簡明友好，操作者容易掌握。同時，程序內(nèi)部設(shè)置一定數(shù)量的對話框，對使用者的操作進行提示和引導，幫助使用者及時發(fā)現(xiàn)并糾正關(guān)鍵性步驟的錯誤操作。

3.2 中間數(shù)據(jù)的顯示

對于軟件中可實現(xiàn)的一切功能及軟件中所包含的一切模塊，界面中均可明確清晰的顯示。許多軟件測量結(jié)果雖然精確，但是未給出中間數(shù)據(jù)，雖然在工程測量中可以進行應(yīng)用，但在理論研究或是科研教學上應(yīng)用局限性大。本程序從數(shù)據(jù)提取開始，每次計算的結(jié)果均可顯示在界面內(nèi)，既方便數(shù)據(jù)的對比，也有利于分析奇異數(shù)據(jù)。

3.3 輔助功能便捷

軟件不但能夠?qū)崿F(xiàn)坐標數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、存儲功能，還可根據(jù)計算結(jié)果繪制軌跡模擬圖，便于計算和分析過程中的直觀檢驗。計算結(jié)果數(shù)據(jù)直接存入已設(shè)置好的Excel表格或其他形式的數(shù)據(jù)庫中，方便查找。

4、結(jié)束語

利用Visual Basic軟件,編制出一套運行程序，對GPS接收器的原始數(shù)據(jù)進行整合和處理，并完成了軌跡的模擬和誤差的調(diào)整。同時，可將中間過程及計算結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入文件中。在理論分析中有良好的推廣價值。由于VB語言系統(tǒng)基于事件驅(qū)動，并能夠較容易的與數(shù)據(jù)庫鏈接，在語言設(shè)計、數(shù)據(jù)調(diào)用和后期維護上都具有簡單實用的特點?？蓪崿F(xiàn)NovAtelGPS測量過程和PC機理論分析過程的結(jié)合，從而得到詳細的中間分析數(shù)據(jù)和更加精確的修正結(jié)果。

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Secondary Development Research of Trajectory Reappearence based on NovAtelGPS Receiver

Man Chunfan1, Xie Jing2, Yang Wei1
(1. Xihua University, School of Traffic and Vehicle Engineering, Sichuan Chengdu 610039；2. Sichuan Radio and TV University, Sichuan Chengdu 610021)

This paper uses Visual Basic 6.0 programming software to exam Propak-V3 NovAtel GPS receiver’s function, and developes a secondary research of NovAtelGPS to enhance its measurement accuracy and reproduce its built-in programs. The article combines matured GPS coordinates conversion technology with geometry theory and computer language. Compiled program in this paper has achieved several functions include data extraction, conversion of WGS-84 coordinate system, single point error correction, differential error correction, trajectories simulation, retention of data and so on. Program is designed convenient to use, its interface is simple and clear, and can be used to record car running tracks and to fast measure road linear parameters.

Transportation Engineering；Visual Basic, GPS receiver；conversion of coordinate；error correction

U462.1

A

1671-7988(2014)08-51-04

滿春帆，碩士研究生，就讀于西華大學交通與汽車工程學院?；痦椖浚何魅A大學研究生創(chuàng)新基金項目, 西華大學汽車測控與安全四川省重點實驗室開放研究基金資助項目 (szjj2011-031)。