王君剛，王解先，陳俊平，楊賽男

U-Blox 6接收機解碼與定位測試

王君剛1，2，王解先1，3，陳俊平2，楊賽男2

( 1．同濟大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海200092; 2．中國科學(xué)院上海天文臺，上海200030; 3．現(xiàn)代工程測量國家測繪地理信息局重點實驗室，上海200092)

一、引言

GPS接收機接收到的原始數(shù)據(jù)以二進制存儲，不同類型接收機的原始觀測數(shù)據(jù)格式都不同，這為GPS數(shù)據(jù)處理帶來不便，因此引進與接收機無關(guān)的數(shù)據(jù)交換格式( receiver independent exchange format，RINEX)，對于GPS數(shù)據(jù)的通用性與實用性都有著重要意義。RINEX格式的數(shù)據(jù)被絕大多數(shù)數(shù)據(jù)處理軟件所支持，是GPS領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛的數(shù)據(jù)格式。

GPS接收機一般都有隨機軟件，可將其自定義的原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RINEX格式，供用戶使用。在快速定位時，需要實時獲取接收機的觀測數(shù)據(jù)，而多數(shù)接收機并無實時提供標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式數(shù)據(jù)的功能，用戶只能得到原始的觀測數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進行解碼使用，因此有必要研究GPS接收機原始觀測數(shù)據(jù)的解碼。GPS數(shù)據(jù)解碼的相關(guān)研究較多，包括對原始觀測數(shù)據(jù)的研究［1-2］、對星歷的解碼［3］、DGNSS差分電文的解碼算法［4］，以及對RTCM［5-9］格式差分信息的解碼。

作為市面上一種較為流行的GPS接收機，UBlox以其高精度、高靈敏的特性成為導(dǎo)航定位的常用接收機，其最新版本為U-Blox 6。U-Blox接收機能夠接收GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)、觀測數(shù)據(jù)及差分信息，原始數(shù)據(jù)以自定義的UBX協(xié)議格式存儲，數(shù)據(jù)處理時需要先將其解碼為通用RINEX格式。本文以UBlox 6接收機為例，介紹了其原始觀測數(shù)據(jù)格式和解碼過程，并利用解碼后的數(shù)據(jù)進行了靜態(tài)/動態(tài)偽距單點定位和差分定位，對定位結(jié)果精度進行了分析。

二、UBX解碼

根據(jù)UBX協(xié)議，可以從原始的二進制數(shù)據(jù)中解碼出需要的信息。下面介紹UBX基本結(jié)構(gòu)和解碼原理。

1．UBX包結(jié)構(gòu)

根據(jù)UBX協(xié)議，每條記錄由記錄頭、CLASS和ID、長度、內(nèi)容( Payload)及校檢碼組成，一條UBX觀測數(shù)據(jù)記錄結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UBX數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

由圖1可知，每條記錄以十六進制的B5和62開頭，第3位是Class，U-Blox 6共有9種Class，第4位是ID。Message ID后是2 Bytes的數(shù)據(jù)長度，其存儲按照低字節(jié)序( little endian)存儲。每條記錄的最后兩位是校檢碼CK_A和CK_B，校檢機制為:

校檢長度為Class全Payload。

解碼時，將讀取到的二進制轉(zhuǎn)換為十六進制，如果有兩相連數(shù)據(jù)為B5和62，可判斷是一條記錄的開頭，由Class與ID判斷其數(shù)據(jù)類型，根據(jù)相應(yīng)類型的協(xié)議進行解碼。每條記錄都要進行校檢碼的校檢，校檢成功才能說明該條記錄是有效的。

2．原始觀測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

UBX一個歷元的原始觀測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1。

表1 UBX觀測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

即一條觀測數(shù)據(jù)以十六進制的B5、62開始，其Class和ID分別為十六進制的02、10，長度為8+24× numSV，其中numSVn表示本歷元的衛(wèi)星個數(shù)。具體內(nèi)容( Payload)見相應(yīng)說明書［10］。

三、GPS定位模型

GPS定位主要包括差分模型和非差模型。差分能消除部分誤差，減少待估參數(shù)個數(shù)，而非差模型有利于質(zhì)量控制，能更方便地對誤差進行模型化［11］。下面將介紹偽距單點定位和差分定位的數(shù)學(xué)模型，以及消參數(shù)法的原理。

1．偽距單點定位模型

某歷元i、測站k對衛(wèi)星j的觀測方程為

2.1 兩組患兒治療前、后肺功能指標(biāo)比較 治療前兩組患兒FVC、FEV1、FEV1/FVC水平差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；治療后兩組患兒FVC、FEV1、FEV1/FVC均高于治療前，且觀察組高于對照組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。見表1。

式中，Pjk表示偽距觀測量; vjk為殘差項;( Xj，Yj，Zj)為衛(wèi)星坐標(biāo);( Xk，Yk，Zk)為接收機坐標(biāo); δtj、δtk分別為衛(wèi)星、接收機鐘差; Tropjk、Ionoj

k分別為對流層延遲、電離層延遲;εjk為其他誤差改正項［12］，包括相對論效應(yīng)改正、地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)改正等。對式( 1)線性化，組成誤差方程［13-15］，由4顆衛(wèi)星的觀測值即可解算測站坐標(biāo)。

2．偽距差分定位模型

GPS偽距差分系統(tǒng)由一臺基準(zhǔn)站GPS接收機和一臺或多臺流動接收機組成，基準(zhǔn)站接收機安置在已知點上。由于基準(zhǔn)站坐標(biāo)已知，可計算相應(yīng)的其他改正項發(fā)送給流動站，從而提高流動站的定位精度。若不發(fā)送實時改正數(shù)，可以事后將基準(zhǔn)站與流動站的數(shù)據(jù)一起處理，采用差分定位的方式計算流動站坐標(biāo)［16］。

測站k、t對衛(wèi)星j的站間單差觀測方程為

式中，ΔPjk，t為測站k、t對衛(wèi)星j的偽距觀測值之差; Δdj為衛(wèi)星到兩測站距離之差;Δt為接收機鐘差k，tk，t之差?？梢钥闯?，站間單差消除了衛(wèi)星鐘差項，還能減小衛(wèi)星軌道誤差。此外，當(dāng)測站距離較近時，大氣環(huán)境相似，ΔTropjk，t、ΔIonojk，t比較小，能夠進一步提高定位精度。

3．消參數(shù)法

由觀測方程式( 1)或式( 2)，可得第一個歷元的法方程為

此時法方程只有坐標(biāo)項，迭代至收斂即可。

靜態(tài)解需要將每個歷元的法方程疊加求得整體解。由于每個歷元最后一次迭代的初值均不一樣，法方程疊加時需要將其統(tǒng)一。已知兩個歷元迭代后的法方程為

式中，N( 1)、N( 2)為最后一次迭代的法方程系數(shù)陣;為最后一次迭代的初值; X為坐標(biāo)真值。將第二個法方程的初值與第一個法方程統(tǒng)一，即

此時，可以將其直接與第一個法方程疊加。將每個歷元的法方程都統(tǒng)一到第一個歷元的法方程，疊加可求得所有歷元的整體解。

四、算例分析

對某實測數(shù)據(jù)解碼，然后進行偽距單點定位和差分定位分析，并分析定位結(jié)果。觀測數(shù)據(jù)主要包括基站、靜止測站A和運動測站B，測站均位于美國。觀測時間為2014-02-05，各測站的觀測時段見表2。

表2 各測站觀測時段

1．解 碼

按照U-Blox 6說明文檔的協(xié)議規(guī)定對觀測數(shù)據(jù)解碼，將解碼數(shù)據(jù)以RINEX2．1格式輸出，其中一個歷元的數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 由U-Blox 6解碼出的觀測數(shù)據(jù)

可以看出，觀測數(shù)據(jù)有P1、L1和D1三種類型，本歷元共12顆可見衛(wèi)星。

2．偽距單點定位

由原始數(shù)據(jù)解碼出相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)文件，包括靜態(tài)測站和動態(tài)測站。對基站和測站A進行偽距靜態(tài)單點定位，采用前文所述的消參數(shù)法，改正項包括地球自轉(zhuǎn)改正和相對論改正。坐標(biāo)結(jié)果見表3。然后以基站為已知點，以其靜態(tài)單點定位的坐標(biāo)值為坐標(biāo)真值，對測站A進行靜態(tài)偽距差分定位，坐標(biāo)解見表3。

表3 基站及測站A坐標(biāo)解算值 m

對測站A分別進行動態(tài)偽距單點定位和動態(tài)偽距差分定位，以相應(yīng)的靜態(tài)坐標(biāo)解為真值，統(tǒng)計其標(biāo)準(zhǔn)差與中誤差，結(jié)果見表4。兩種方式(單點定位和站間單差)動態(tài)定位的坐標(biāo)時間序列圖如圖3所示。由表4及圖3可知，采用差分定位后點位誤差減小約50%，而且點位中誤差與標(biāo)準(zhǔn)差很接近，這說明系統(tǒng)性誤差也減小了，因此差分定位能顯著提高定位精度。這是因為站間單差消除了衛(wèi)星的鐘差項與軌道誤差，而且測站距離很近，對流層延遲、電離層延遲基本被消除掉。

表4 測站A動態(tài)定位結(jié)果 m

圖3 測站A的偽距單點定位和差分定位坐標(biāo)序列

分別采用偽距單點定位和偽距差分的形式，對測站B進行動態(tài)定位，其坐標(biāo)軌跡如圖4所示。圖中，左側(cè)為坐標(biāo)水平運動軌跡，右側(cè)為高程軌跡。從圖中可以看出，差分后的運動軌跡比動態(tài)單點定位軌跡平滑許多，從而進一步驗證了差分定位能改善定位精度的結(jié)論。

圖4 測站B坐標(biāo)軌跡

五、結(jié)束語

本文介紹了U-Blox6接收機的數(shù)據(jù)格式，給出了解碼的相關(guān)算法，實現(xiàn)了原始觀測數(shù)據(jù)的解碼。針對偽距單點定位和差分定位，介紹了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及靜態(tài)定位整體解的消參數(shù)法。通過原始數(shù)據(jù)的解碼驗證了解碼算法的正確性，采用解碼后的觀測數(shù)據(jù)進行了靜態(tài)/動態(tài)偽距單點定位和差分定位。定位結(jié)果顯示，與非差單點定位相比，采用站間單差后，動態(tài)定位的點位誤差減少約50%，且運動軌跡更為平滑，因此站間單差能顯著提高定位精度。

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The Decoding of U-Blox 6 and Positioning Test

WANG Jungang，WANG Jiexian，CHEN Junping，YANG Sainan

U-Blox接收機的原始數(shù)據(jù)以自定義的UBX協(xié)議存儲，使用時需要將其解碼到標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式。本文介紹了U-Blox 6接收機原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和解碼原理，對實測數(shù)據(jù)成功進行了解碼;并介紹了GPS定位的數(shù)學(xué)模型，對消參數(shù)法進行了詳細的分析，對解碼后的數(shù)據(jù)進行了靜態(tài)/動態(tài)偽距單點定位和差分定位。定位結(jié)果顯示，采用站間單差后點位誤差減小50%，運動點位軌跡更加平滑，說明站間單差能顯著提高定位精度。

GPS原始數(shù)據(jù);解碼; UBX;單點定位;單差;消參數(shù)法

王君剛( 1990—)，男，碩士生，主要研究方向為GNSS定位。E-mail: wangjungang2009@ yeah．net

P228．4

B

0494-0911( 2015) 11-0024-04

王君剛，王解先，陳俊平，等．U-Blox 6接收機解碼與定位測試［J］．測繪通報，2015( 11) : 24-27．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0338

2014-11-10