李涌濤,李建文,魏絨絨,蔡 巍

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.西安測繪總站，陜西 西安 710054；3.西安航天天繪數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，陜西 西安 710054)

隨著全球定位系統(tǒng)的發(fā)展，GNSS應(yīng)用也愈加廣泛，尤其在接收機及板型設(shè)計上尤為突出。目前市場上的接收機價格相對昂貴，其可分為3種：第一種用于智能交通，定位精度為米級，這種接收機主要以接收GPS單頻信號為主，此類接收機技術(shù)比較成熟，價格在幾百元到幾千元不等；第二種是定位精度為分米至厘米級，現(xiàn)主要用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、航海、航空等領(lǐng)域，價格幾萬元左右；第三種定位精度為毫米級水平，主要用于高精度控制網(wǎng)布設(shè)、變形監(jiān)測等精密測量領(lǐng)域，價格十幾萬元左右[1，3]。

上述分析中，第一種接收機定位結(jié)果為米級，由于技術(shù)和接收機成本低，僅依靠導(dǎo)航定位系統(tǒng)和簡單的接收機就能滿足其精度，廣大用戶綜合考慮性價比一般選擇使用此類接收機。第三種接收機測量結(jié)果準(zhǔn)確，由于接收機構(gòu)造復(fù)雜并且開發(fā)技術(shù)難度高，只有少數(shù)專業(yè)級測繪用戶使用。第二種接收機其定位精度以及接收機實現(xiàn)難度均適中，定位精度能夠更好地滿足用戶需求，是未來導(dǎo)航發(fā)展研究的一個熱點。隨著導(dǎo)航定位系統(tǒng)的不斷完善和定位技術(shù)的不斷成熟，此類接收機將會逐漸替代第一類接收機占據(jù)大量市場份額[2]。精密單點定位技術(shù)(Precise Point Positioning，PPP)利用精密衛(wèi)星軌道和鐘差改正信息，通過單臺雙頻接收機就可以實現(xiàn)全球范圍高精度定位。目前市場上的接收機大多不具備實時PPP功能，一是由于PPP的應(yīng)用主要基于PC端實現(xiàn)事后解算或采用靜態(tài)模擬動態(tài)的技術(shù)模式，在實時性、動態(tài)性方面難以保證實際工作中的需求[4]；二是在實時PPP的研究中，科研人員無法將自己的算法植入到接收機內(nèi)部進行驗證；三是實時PPP技術(shù)的實現(xiàn)需要依賴外部實時改正信息，而一般機構(gòu)尚不具備發(fā)布實時改正信息的平臺。

本文針對以上實際問題，從科研和實際應(yīng)用角度出發(fā)，自主研制軟件平臺開放的測量型GNSS接收機。綜合選用Trimble BD970 OEM板和Raspberry Pi單板計算機搭建嵌入式接收機平臺，具備實時精密單點定位功能和標(biāo)準(zhǔn)單點定位功能。該接收機支持算法程序的移植和寫入，可作為軟件測試平臺，檢測接收機的各項性能。因此，基于OEM板的測量型GNSS接收機的實現(xiàn)具有極其重要的意義。

1 接收機系統(tǒng)設(shè)計

TrimbleBD970 OEM板捕獲并跟蹤衛(wèi)星，對接收到的衛(wèi)星信號經(jīng)過放大、混頻、A/D變換等處理，得到觀測數(shù)據(jù)和廣播星歷數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)經(jīng)過TrimbleBD970 OEM板的標(biāo)準(zhǔn)I/O口以串行方式輸出。RaspberryPi對BD970 OEM板采集的原始觀測數(shù)據(jù)及廣播星歷進行解碼和存儲，根據(jù)設(shè)定的工作模式進行PVT解算，在LCD液晶屏上顯示接收機基本狀態(tài)信息。Raspberry Pi安裝由樹莓派官方發(fā)布的Debian Linux操作系統(tǒng)，軟件設(shè)計在Raspberry Pi的Debian Linux系統(tǒng)上完成[5-6]。系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 接收機系統(tǒng)設(shè)計圖

接收機工作流程：

1)信號采集：采用專用測量型天線接收衛(wèi)星雙頻載波信號，對信號進行濾波、前置放大處理，經(jīng)饋線將預(yù)處理后的射頻信號傳輸給BD970 OEM板[7]。BD970 OEM板對信號進行混頻、A/D轉(zhuǎn)換后，對信號進行捕獲、跟蹤、鎖定、解碼等處理得到原始觀測數(shù)據(jù)和廣播星歷數(shù)據(jù)，通過BD970 OEM板的以串行方式將實時二進制數(shù)據(jù)輸出；

2)實時數(shù)據(jù)接收及解碼：Raspberry Pi單板計算機對從GNSS OEM板接收到的實時二進制數(shù)據(jù)流需要解碼，獲得進行定位解算所需要的觀測數(shù)據(jù)和廣播星歷。通過無線網(wǎng)絡(luò)接收iGMAS播發(fā)的實時改正數(shù)據(jù)信息；

3)PPP定位處理：Raspberry Pi單板計算機對BD970 OEM板的實時數(shù)據(jù)流進行解碼，與接收到的iGMAS數(shù)據(jù)匹配后做PPP解算處理，并根據(jù)用戶需要將數(shù)據(jù)以RINEX格式存儲在RaspberryPi單板計算機內(nèi)存上，為事后處理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 解碼及數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

BD970 OEM板提供CMR、RTCM、RT27[8]和Binex[9]等多種二進制數(shù)據(jù)格式，受數(shù)據(jù)協(xié)議保密性的限制，前3種數(shù)據(jù)格式不能完全解碼多系統(tǒng)數(shù)據(jù)，因此采用Binex二進制數(shù)據(jù)進行解碼。Binex數(shù)據(jù)格式是由 UNAVCO 社區(qū)和部分接收機制造商合作完成的一種用于GNSS 研究的二進制格式標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)據(jù)可參考其官方網(wǎng)站相關(guān)文檔。Binex數(shù)據(jù)解碼流程如圖2所示。

圖2 Binex實時數(shù)據(jù)流解碼流程圖

定位解算中需要考慮多方面因素：接收機本身數(shù)據(jù)精度、外部獲取的數(shù)據(jù)精度、接收機噪聲影響等，數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響解算結(jié)果精度，因此必須做相應(yīng)的檢驗與控制，以此保證SPP與PPP數(shù)據(jù)處理精度[10]。本文數(shù)據(jù)為2017-06-24接收機采集的12 h數(shù)據(jù)，采樣率為1 s，基于TEQC和RTKlib軟件對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行評估。

評估結(jié)果如表1所示，其中數(shù)據(jù)利用率為99%，多路徑MP1和MP2分別為0.34、0.21，相鄰周跳歷元為25 940。采用RTKlib對當(dāng)天的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，圖3表明接收機收到的衛(wèi)星在一定時間內(nèi)連續(xù)，其定位跟蹤模塊較為完善；圖4為相應(yīng)衛(wèi)星的全天軌跡圖，反映該時段內(nèi)衛(wèi)星的運行狀態(tài)及幾何分布；圖5為衛(wèi)星DOP值，其中PDOP、VDOP、GDOP、HDOP較小，定位精度高[11]；圖6反映接收機衛(wèi)星的信噪比狀況，90%高于35 dB，觀測質(zhì)量較好，其多路徑與TEQC分析結(jié)果一致；圖7為單點定位結(jié)果，其N、E方向定位均在2 m以內(nèi)，U方向5 m以內(nèi)；圖8反映單歷元可用衛(wèi)星數(shù)據(jù)及Ratio值[12]，分析結(jié)果表明：數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠滿足高精度數(shù)據(jù)處理需求。

表1 TEQC數(shù)據(jù)分析報告

3 PPP實驗

利用偽距和載波相位觀測值，使用iGMAS提供的實時軌道和鐘差產(chǎn)品，采用消電離層組合觀測方程， 通過擴展Kalman濾波進行參數(shù)(包括接收機位置參數(shù)、鐘差參數(shù)、天頂對流層濕延遲和模糊度參數(shù))最優(yōu)估計[13]，對各項誤差采用模型進行改正，解算策略如表2所示[12]。

圖3 衛(wèi)星出現(xiàn)時段圖

圖4 衛(wèi)星軌跡圖

圖5 衛(wèi)星DOP值

圖6 衛(wèi)星信噪比、多路徑

圖7 衛(wèi)星單點定位結(jié)果

圖8 單歷元可用衛(wèi)星及Ratio值

誤差改正項誤差改正模型電離層延遲消電離層組合對流層延遲Saastamoinen模型GMF濕延遲投影函數(shù)地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)Sagnac效應(yīng)接收機天線相位中心Igs08.atx PCV+PCO+windup地球潮汐改正IERS協(xié)議相對論效應(yīng)IERS協(xié)議衛(wèi)星軌道和鐘差信息工程大學(xué)iGMAS分析中心實時改正產(chǎn)品

選取信息工程大學(xué)2017-07-08某實驗樓進行實時精密單點定位實驗。當(dāng)日天氣晴朗，無遮擋，實驗環(huán)境良好，實驗時間為08：00—11：30，數(shù)據(jù)采樣間隔為1s，采樣截止高度角為10°，采用iGMAS提供的實時軌道產(chǎn)品與實時鐘差產(chǎn)品，其鐘差精度優(yōu)于1 ns，軌道精度510 cm。將該測站的觀測數(shù)據(jù)當(dāng)作0速的動態(tài)數(shù)據(jù)進行PPP解算，對其結(jié)果進行統(tǒng)計分析，如圖9所示。PPP在X、Y、Z3個方向的RMS分別為0.134 m、0.158 m、0.215 m。

圖9 實時精密單點定位誤差

4 結(jié)束語

本文基于Trimble BD970 OEM板搭建接收機試驗平臺，實現(xiàn)了Binex實時數(shù)據(jù)流解碼，使用TEQC和RTKlib軟件對解碼后的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行分析，結(jié)果表明接收機平臺的數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠滿足高精度數(shù)據(jù)處理需求；采用iGMAS提供的實時鐘差產(chǎn)品和實時軌道產(chǎn)品，對實時精密單點定位功能進行驗證，實驗結(jié)果表明基于該平臺的實時精密單點定位結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)分米級定位水平，能夠滿足廣大用戶對測量型接收機的要求。

致謝：感謝信息工程大學(xué)iGMAS分析中心給予的幫助和支持。