劉毅科,郭承軍,吳衡

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院,成都 611731)

UBX協(xié)議格式的GPS原始數(shù)據(jù)解碼與轉(zhuǎn)換

劉毅科,郭承軍,吳衡

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)技術(shù)研究院,成都 611731)

GPS定位是以衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)和接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)為解算基礎(chǔ),解碼GPS接收機(jī)原始觀測數(shù)據(jù)是解算的前提。為了統(tǒng)一不同接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理,將專有協(xié)議下的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式是一個(gè)必要的步驟。文章介紹了UBX協(xié)議下的接收機(jī)原始觀測數(shù)據(jù)解碼和轉(zhuǎn)換為與接收機(jī)無關(guān)的數(shù)據(jù)交換格式(RINEX)的方法,以及具體操作中的注意事項(xiàng)。簡述了UBX協(xié)議和RINEX格式各自的特點(diǎn)。通過對U-Blox NEO M8T接收機(jī)獲得的UBX格式原始數(shù)據(jù)的解碼和轉(zhuǎn)換為RINEX格式數(shù)據(jù)文件,證明了解碼和轉(zhuǎn)碼方法的正確性與有效性。

GPS原始數(shù)據(jù);解碼;轉(zhuǎn)換;UBX;RINEX;U-Blox

0 引 言

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS作為當(dāng)今世界上最成熟的衛(wèi)星定位系統(tǒng),在全世界的各行各業(yè)都受到廣泛的應(yīng)用。對于工程人員來說,對GPS觀測數(shù)據(jù)的事后處理很多時(shí)候是必不可少的。作為定位的基本硬件單位——衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī),不同的生產(chǎn)廠家一般都有自己專有的數(shù)據(jù)存儲格式,有時(shí)甚至同一廠家的不同型號設(shè)備的專有格式也不盡相同。為了能夠在不同的接收機(jī)下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,一個(gè)無關(guān)接收機(jī)的、統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)存儲格式對于科研工程人員來說就變得至關(guān)重要。

RINEX是一種與接收機(jī)無關(guān)的數(shù)據(jù)交換格式,是由瑞士伯爾尼大學(xué)天文學(xué)院的Gurtner于1989年提出的。當(dāng)時(shí)也是為了能夠綜合不同廠家GPS接收機(jī)所采集的GPS數(shù)據(jù),現(xiàn)在RINEX格式已經(jīng)成為了GPS測量應(yīng)用等的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式[1]。

幾乎所有的測量型接收機(jī)廠商都提供將其專有格式文件轉(zhuǎn)為RINEX格式文件的工具,但是對于某些類型的接收機(jī)依然需要工程人員自己編程轉(zhuǎn)換。比如本文將要應(yīng)用的U-Blox GPS接收機(jī),其原始觀測數(shù)據(jù)以專有的UBX協(xié)議格式進(jìn)行存儲,雖然有其專有的數(shù)據(jù)采集軟件u-center進(jìn)行處理,但是卻不能轉(zhuǎn)為RINEX格式文件,或者直接輸出原始觀測、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等,故數(shù)據(jù)處理時(shí)需要先將其解碼。若是多類型接收機(jī)綜合處理,則需要進(jìn)一步將其解碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為通用RINEX格式數(shù)據(jù)。本文以U-Blox8接收機(jī)為例,介紹其原始觀測數(shù)據(jù)格式和解碼過程,并利用MATLAB進(jìn)行解碼和轉(zhuǎn)換為RINEX格式文件,與u-center中的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,驗(yàn)證了原始觀測數(shù)據(jù)的正確性,與IGS數(shù)據(jù)中心的星歷進(jìn)行比較,驗(yàn)證了解碼星歷的正確性。

1 UBX和RINEX

1.1 UBX協(xié)議的星歷和觀測數(shù)據(jù)

u-blox品牌的所有接收機(jī)使用UBX協(xié)議,也只有該品牌使用此協(xié)議。UBX協(xié)議輸出的消息類型的區(qū)分關(guān)鍵在于其CLASS,早期的版本和后來的版本相比較,是CLASS和下層的ID的擴(kuò)充,即接收機(jī)輸出消息的內(nèi)容更加豐富。比如u-blox5協(xié)議的RXM(0x02)下只有ID(0x20)SVSI(衛(wèi)星健康信息),發(fā)展到最新的u-blox8協(xié)議,u-blox5協(xié)議的RXM(0x02)下ID總共有ALM/EPH/RAW/SFRB/PMREQ/RAWX/SFRBX/SVSI.其中原先的RAW只規(guī)定了GPS的原始觀測數(shù)據(jù)的輸出,而最新擴(kuò)展的RAWX則規(guī)定了所有GNSS衛(wèi)星的原始觀測數(shù)據(jù)輸出。

u-blox接收機(jī)log文件以.ubx為后綴的格式來存儲。并不是所有的u-blox接收機(jī)都輸出原始觀測數(shù)據(jù)(Raw Data),比如偽距測量值、載波相位觀測值、載波多普勒觀測值等等,所以需要選擇帶有原始觀測數(shù)據(jù)輸出的接收機(jī),比如本文所選用的u-blox NEO M8T型號;也不是接收機(jī)的輸出數(shù)據(jù)中一定包含Raw Data,具體輸出內(nèi)容按照需求在u-blox的PC端軟件u-center中進(jìn)行配置[2]。

u-blox GNSS接收機(jī)使用專有協(xié)議(UBX)與主機(jī)進(jìn)行通信,協(xié)議有以下幾個(gè)特點(diǎn)[3]:

1) 簡潔性;全部使用8 bit二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲。

2) 校驗(yàn)和保護(hù);使用低開銷的校驗(yàn)和算法。

3) 模塊化;使用二階的消息標(biāo)識符。

UBX協(xié)議的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圖可以看出,每一個(gè)消息都有三部分來組成:頭部,數(shù)據(jù)部,校驗(yàn)部。頭部的前兩個(gè)字節(jié):0xB5 0x62,由此識別為UBX協(xié)議下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)開始;CLASS的一個(gè)字節(jié)表示測量數(shù)據(jù)消息的類別。ID的一個(gè)字節(jié)則表示在一個(gè)CLASS下的具體參數(shù)項(xiàng)輸出。LENGTH表示數(shù)據(jù)部的長度(字節(jié))。CK-A和CK-B是兩個(gè)校驗(yàn)和字節(jié)。具體在u-blox NEO M8T接收機(jī)中,需要GPS衛(wèi)星的星歷和原始觀測值,故選擇RXM-EPH和RXM-RAWX進(jìn)行輸出和解析。星歷數(shù)據(jù)(EPH)的UBX協(xié)議消息結(jié)構(gòu)如表1所示。

圖1 UBX協(xié)議數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

表1 UBX協(xié)議星歷消息結(jié)構(gòu)

Payload部分內(nèi)容為星歷數(shù)據(jù),關(guān)于其地址偏移和存儲類型詳細(xì)內(nèi)容參考相應(yīng)說明書[3]。

一個(gè)觀測歷元的RAWX數(shù)據(jù)UBX協(xié)議消息結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 UBX協(xié)議Raw Data消息結(jié)構(gòu)

Payload部分的內(nèi)容為各項(xiàng)觀測參數(shù)的數(shù)據(jù)塊,關(guān)于其地址偏移和存儲類型詳細(xì)內(nèi)容參考相應(yīng)說明書[4]。

1.2 RINEX協(xié)議的nav和obs簡介

主要介紹RINEX 2.10版本的導(dǎo)航電文和觀測文件格式。RINEX格式的文件主要包括兩部分:文件頭和數(shù)據(jù)體。

導(dǎo)航電文的文件頭內(nèi)容主要包含:

1) 文件版本信息,接收機(jī)信息,注釋等。

2) 歷書中的電離層參數(shù),UTC時(shí)間參數(shù),跳秒等。導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)記錄,按照衛(wèi)星和參考時(shí)刻存放各顆衛(wèi)星的時(shí)鐘和軌道參數(shù)。

觀測文件的文件頭內(nèi)容主要包含:

1) 文件的屬性進(jìn)行說明,比如文件類型,觀測員信息,觀測位置等。

2) 是觀測接收機(jī)的一些參數(shù)進(jìn)行說明,比如接收機(jī)的型號、序列號和版本號,天線的類型和序號、天線的參數(shù)等。

3) 觀測數(shù)據(jù)的信息;比如觀測數(shù)據(jù)的參數(shù)類型,起始時(shí)間,歷元間隔等。

觀測文件的數(shù)據(jù)記錄,按照文件頭給出的觀測數(shù)據(jù)信息和格式標(biāo)準(zhǔn),逐個(gè)歷元依次記錄在文件中。

導(dǎo)航電文和觀測數(shù)據(jù)具體文件頭和數(shù)據(jù)記錄的格式,按照RINEX標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輸出[1]。

2 解碼和轉(zhuǎn)換

2.1 解碼流程

從u-blox接收機(jī)獲取的ubx文件中包含UBX和NMEA兩種協(xié)議的數(shù)據(jù);如果只是需要原始觀測數(shù)據(jù)可以選擇配置接收機(jī)僅僅輸出UBX協(xié)議的數(shù)據(jù),但是考慮到可以使用NMEA協(xié)議中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行輔助解碼,故選擇兩種協(xié)議數(shù)據(jù)同時(shí)輸出。ubx文件解碼流程如圖2所示。

圖中UBX和NMEA分開解碼,是由于在ubx中NMEA協(xié)議的數(shù)據(jù)直接以字符存儲,在MATLAB中可以使用函數(shù)fgetl()逐行讀取;而UBX協(xié)議數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制存儲,只能使用二進(jìn)制讀取函數(shù)fread()逐字節(jié)讀取。兩者又是同時(shí)存在于一個(gè)文件中,故而分開解碼。其中的跳過數(shù)據(jù)塊部分,是根據(jù)塊的長度信息進(jìn)行的。對于在NMEA數(shù)據(jù)中提取的時(shí)間信息,只是在本次解碼和轉(zhuǎn)換為RINEX文件中輔助作為時(shí)間戳,不代表NMEA數(shù)據(jù)只有時(shí)間,其實(shí)里面參數(shù)很豐富,可以根據(jù)需要進(jìn)行提取[4]。

2.2 解碼注意事項(xiàng)

對于原始觀測數(shù)據(jù)(RAWX)讀取,其所在的數(shù)據(jù)塊中存儲的是每個(gè)歷元時(shí)刻所有的可見星原始觀測數(shù)據(jù),參考UBX協(xié)議所規(guī)定的每個(gè)參數(shù)的偏移地址進(jìn)行逐個(gè)讀取[4];對于導(dǎo)航電文(EPH)的讀取,在數(shù)據(jù)塊中存儲的是單個(gè)衛(wèi)星的星歷電文前三個(gè)子幀(Subframe 1/2/3)[3],對其解析,需要參考星歷參數(shù)在子幀中的比特位偏移地址和數(shù)據(jù)格式[5]。

ubx文件中數(shù)據(jù)的存儲是小端存儲(Little-endian);即對于數(shù)據(jù)體(Payload)中每一個(gè)參數(shù)的讀取,要按照高字節(jié)在低地址,低字節(jié)在高地址的順序進(jìn)行解碼,如果在不借助其他函數(shù)庫的情況下進(jìn)行編程解碼,尤其需要注意這一點(diǎn)。整型相對容易讀取,但是浮點(diǎn)型的讀取就稍顯麻煩。雖說在MATLAB中可以直接調(diào)用格式化讀取來解碼浮點(diǎn)類型的數(shù)據(jù),但考慮到在實(shí)際應(yīng)用一般需要用計(jì)算機(jī)語言C/C++來進(jìn)行實(shí)現(xiàn),觀測數(shù)據(jù)中的浮點(diǎn)型是IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)格式,具體格式參考IEEE754標(biāo)準(zhǔn)[6]。

2.3 轉(zhuǎn)換為RINEX文件

解碼出來的參數(shù)可以單獨(dú)作為其他處理的數(shù)據(jù)源,轉(zhuǎn)為RINEX格式文件是為了能夠和其他不同類型的接收機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理。所以在解碼完成之后,再進(jìn)行一步轉(zhuǎn)換的操作,轉(zhuǎn)碼的過程相對容易一些,需要的數(shù)據(jù)已經(jīng)在解碼過程中獲取到,轉(zhuǎn)為RINEX格式文件按照其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行格式化輸出即可[1]。

3 實(shí)例

在u-center中配置u-blox8接收機(jī),主要配置UBX協(xié)議中,輸出ID為AID-EPH和RXM-RAWX兩項(xiàng)。NMEA協(xié)議下的數(shù)據(jù)輸出配置為默認(rèn)即可。配置完成后,開始在本地目錄記錄接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)。然后利用編寫的MATLAB程序進(jìn)行解碼,得到RINEX協(xié)議下的導(dǎo)航電文(nav)和原始觀測數(shù)據(jù)(obs)。將nav文件與IGS觀測站數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,兩者對應(yīng)衛(wèi)星廣播星歷完全相同,驗(yàn)證了nav解碼的正確性。將obs文件中的某一個(gè)歷元數(shù)據(jù)與u-center中顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,也是完全吻合,也證明了obs解碼的正確性。

圖3示出了UBX最終轉(zhuǎn)換為RINEX星歷文件的結(jié)果。由于測試接收機(jī)的條件限制，文件頭的描述內(nèi)容簡略表示。圖4示出了從UBX中解碼的原始觀測數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為RINEX格式觀測數(shù)據(jù)的結(jié)果。其中，在接收機(jī)定位起始的一段時(shí)間里，僅有兩顆有效GPS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，收星穩(wěn)定后所接收到的歷元中有了5個(gè)的GPS數(shù)據(jù)。 在接收機(jī)總的觀測數(shù)據(jù)中也有北斗衛(wèi)星的信號,滿足定位的要求,而在當(dāng)前的解碼轉(zhuǎn)換中,僅僅使用了GPS數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn) [1],在觀測數(shù)據(jù)文件中,每個(gè)歷元觀測數(shù)據(jù)由三部分組成:觀測值以 14 位浮點(diǎn)數(shù)表示,保留 3 位有效數(shù)字;LLI(Loss of Lock Indicator)和信號強(qiáng)度分別以 1 位數(shù)表示,依次列于觀測值后。測試所用接收機(jī)主板并未發(fā)送相應(yīng)信息時(shí),所以均用”0”代替[7]。

圖3 UBX轉(zhuǎn)為RINEX的導(dǎo)航電文實(shí)例 (blox1840.16n)

圖4 UBX轉(zhuǎn)為RINEX的Raw Data 實(shí)例 (blox1840.16o)

4 結(jié)束語

本文分析了UBX協(xié)議下的導(dǎo)航電文和原始觀測數(shù)據(jù)格式,簡述了IEEE標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)數(shù)格式和RINEX文件格式。利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)了對UBX協(xié)議的觀測數(shù)據(jù)的解碼和轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RINEX2.10格式文件。并以解碼實(shí)例證明了該方法的正確性和有效性,文章未能解得RINEX觀測數(shù)據(jù)文件的頭文件中部分必要參數(shù)值,這雖然對于基準(zhǔn)站快速定位的準(zhǔn)確性并無影響,但對其進(jìn)行分析仍是必要的。實(shí)例中所使用接收機(jī)本身能夠收取GNSS衛(wèi)星的信號,但是在測試中未解碼其他導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù),雖然在文章中稍顯不足,但在實(shí)際應(yīng)用中,完全可以按照所示方法去解碼和提取。該解碼和轉(zhuǎn)換方法對于工程實(shí)踐人員會有實(shí)際幫助。

[1] 李征航,黃勁松. GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢:武漢大學(xué)出版社,2005:182-202.

[2] U-blox AG. U-center_userguide_(UBX-13005250)[EB/OL]. [2015-02-23], http://www.u-blox.com/.

[3] U-blox AG. U-blox 7 receiver description [EB/OL]. [2013-02-1],http://www.u-blox.com/.

[4] U-blox AG. U-blox 8/u-blox M8 receiver description [EB/OL]. [2014-12-10], http://www.u-blox.com/.

[5] JAMES BAO-YEN TSUI. GPS軟件接收機(jī)基礎(chǔ)[M]. 2版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008: 68-76.

[6] The Institute of Electricaland Electronics Engineers, Inc. IEEE Std 754-2008. IEEE Standard for Floating-Point Arithmetic[S].IEEE Computer Society, 2008.

[7] 賈蓉、王解先. NovAtel OEM4主板的GPS原始數(shù)據(jù)解碼[J]. 現(xiàn)代科學(xué)儀器,2010(1):54-57.

Decoding and Transformation Method of Raw Data for GPS Based on UBX Protocol Format

LIU Yike,GUO Chengjun,WU Heng

(UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731,China)

GPS positioning is based on the solution of Satellite Navigation Data and Receiver Observation Data, and the decoding of GPS raw data is a basic premise of the solution. In order to implement the joint processing for raw data of different Receivers, it’s a necessary step to convert proprietary protocol data format to standardization data format. This paper presents the decoding method of raw data of Receiver and transformation method of converting it to RINEX, as well as the matters needing attention in the manipulation. And briefly outlined the respective character of UBX protocol and RINEX format. Through the decoding the UBX protocol raw data from U-Blox NEO M8T receiver and transforming it to RINEX format data file, the method is proved to be correct and effective.

GPS raw data; decoding; transformation; UBX; RINEX; U-Blox

2016-07-10

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.016

P

1008-9268(2016)06-0080-05

劉毅科(1990-)男,碩士生,研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。

郭承軍 (1985-)男,博士生,研究方向?yàn)镚NSS互換性與泛位置服務(wù)、新時(shí)空體系、完好性及增強(qiáng)系統(tǒng)。

吳衡 (1992-)男,碩士生,研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。

聯(lián)系人：劉毅科 E-mail: frank_uestc@163.com