主動(dòng)式定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與解譯*

黃昆學(xué),章傳銀,馬 瑩,陳品馨

(1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京100830;2.山東科技大學(xué),山東青島 266510;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京100083)

0 引 言

主動(dòng)式定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離不接觸目標(biāo)以獲取目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)的功能,能很好的解決對(duì)不便到達(dá)目標(biāo)的定位問題。主動(dòng)式定位系統(tǒng)主要由GPS-OEM板、激光測(cè)距模塊(無棱鏡測(cè)距)、數(shù)字羅盤和軟件控制平臺(tái)組成,如圖1所示。該系統(tǒng)可手持,車載,船載或機(jī)載進(jìn)行移動(dòng)測(cè)設(shè)。但隨著GPS定位精度與激光測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)距精度亞米級(jí)的實(shí)現(xiàn),主動(dòng)式定位系統(tǒng)的定位精度也將隨之提高,因此,主動(dòng)式定位系統(tǒng)將在許多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。

GPS-OEM板主要完成測(cè)點(diǎn)信息的采集,實(shí)時(shí)提供測(cè)設(shè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)并為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn),激光測(cè)距模塊獲取測(cè)點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)斜距信息,數(shù)字羅盤獲取測(cè)點(diǎn)的角度信息,所有的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至控制終端,軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ),解算目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo),同時(shí)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視以及向各模塊發(fā)送控制命令。

1 主動(dòng)式定位系統(tǒng)組成

主動(dòng)式定位系統(tǒng)由GPS模塊、激光測(cè)距模塊、數(shù)字羅盤模塊、中心控制模塊組成。中心控制模塊由計(jì)算機(jī)代替(技術(shù)成熟后將嵌入到手持設(shè)備中),提供可視化的操作界面,相應(yīng)的串口命令提示語言,滿足數(shù)據(jù)通信與時(shí)間同步要求。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸與處理,并給出相應(yīng)組件或相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹甘拘畔ⅰ?/p>

啟動(dòng)系統(tǒng)后,激光測(cè)距儀瞄準(zhǔn)目標(biāo),計(jì)算機(jī)對(duì)激光測(cè)距模塊發(fā)送外部觸發(fā)脈沖,激光測(cè)距模塊通過串口返回測(cè)距數(shù)據(jù)。對(duì)GPS模塊發(fā)送外部觸發(fā)脈沖,讀取脈沖發(fā)射時(shí)間。三維數(shù)字羅盤從系統(tǒng)啟動(dòng)開始通過串口連續(xù)數(shù)據(jù)輸出,20 Hz/s。使用同步觸發(fā)脈沖對(duì)GPS組件和激光測(cè)距組件進(jìn)行同步的精度優(yōu)于10-5s,符合系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步精度要求。

獲取脈沖發(fā)射時(shí)間GPS模塊和數(shù)字羅盤模塊的數(shù)據(jù),進(jìn)行采集和預(yù)處理。主要是判斷GPS數(shù)據(jù),激光測(cè)距數(shù)據(jù),數(shù)字羅盤數(shù)據(jù)的可用性,正確性和時(shí)間延遲是否滿足要求,對(duì)不滿足要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行整組剔除,對(duì)于滿足要求的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理,并記錄相應(yīng)組件信息。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算及實(shí)時(shí)顯示,保留原始數(shù)據(jù),用于后處理的精密定位計(jì)算。圖2就是流程圖。

2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸格式

2.1 GPS原始數(shù)據(jù)

2.1.1 GPS定位數(shù)據(jù)

GPS的定位數(shù)據(jù)主要由#RANGEA、#RAWEPHEMA、#IONUTCA開頭的三組數(shù)據(jù)組成,包括衛(wèi)星距離信息、星歷信息、電離層及 UTC時(shí)間信息。其數(shù)據(jù)格式如下:

3,1342,115200,//PRN(衛(wèi)星編號(hào)),參考時(shí)間:周,參考時(shí)間:秒

2.1.2 GPS外部事件觸發(fā)信息數(shù)據(jù)

外部事件觸發(fā)信息數(shù)據(jù)是指GPS-OEM板接收到激光測(cè)距模塊的觸發(fā)TTL信號(hào),實(shí)時(shí)提供的觸發(fā)時(shí)刻的GPS時(shí),通過該時(shí)間數(shù)據(jù)為系統(tǒng)提供測(cè)距的時(shí)刻。采用了NovAtel自定義的數(shù)據(jù)傳輸格式傳輸“#MARKTIMEA”語句輸出和數(shù)據(jù)傳輸。其語句如下:

2.2 激光測(cè)距數(shù)據(jù)

激光測(cè)距數(shù)據(jù)是測(cè)設(shè)點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的斜距信息,采用了廠家自定義的數(shù)據(jù)格式,其語句如下:

L 2562.5 m

2.3 羅盤數(shù)據(jù)

數(shù)字羅盤可以實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的三維姿態(tài),用于實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的方位角、俯仰角信息。采用了廠家定義的數(shù)據(jù)傳輸語句“＄PTNTHPR”,其語句如下:

3 GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼解譯

由Nov Atel接收機(jī)接收的原始數(shù)據(jù)是由#RANGEA、#RAWEPHEMA、#IONUTCA 開頭的三組數(shù)據(jù)組成,接收機(jī)產(chǎn)品本身自帶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件,但是數(shù)據(jù)接收完畢后的轉(zhuǎn)換,無法用于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)解算,需要自己對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換,主要包括測(cè)量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和星歷原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)的判讀與轉(zhuǎn)換

以#RANGEA開頭的數(shù)據(jù)中包括了該觀測(cè)歷元時(shí)刻的時(shí)標(biāo)、該歷元所觀測(cè)到衛(wèi)星的數(shù)量、該歷元所采集到的所有觀測(cè)值、觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差。測(cè)量文件由頭部和數(shù)據(jù)兩部分組成,其頭部的規(guī)定性文字多,基本不涉及計(jì)算,這里就不贅述了。測(cè)量文件的數(shù)據(jù)部分相對(duì)簡(jiǎn)單,不過因?yàn)槠鋪碓礇]有像ICD-GPS-200這樣的文檔來規(guī)范,各個(gè)廠家的數(shù)據(jù)格式大不相同,雖然轉(zhuǎn)換的結(jié)果以RINEX為準(zhǔn),但也隨著接收機(jī)的不同而不同。NovAtel公司接收機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)直接給出了偽距、載波相位等值,所以,只要按星號(hào)順序把觀測(cè)衛(wèi)星的C1、L 1、L 2、D1、D2等數(shù)據(jù)一一按RINEX格式排列數(shù)據(jù)即可。

3.2 導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)的判讀與轉(zhuǎn)換

NovAtel接收機(jī)接收的導(dǎo)航星歷數(shù)據(jù)特點(diǎn):每條數(shù)據(jù)包括 3個(gè)子幀,分別為 SUB1、SUB2、SUB3。每個(gè)子幀包括10個(gè)字(Word),每個(gè)字長(zhǎng)為24 bit,不包括校驗(yàn)碼,如圖3所示。接下來的工作就是將指令對(duì)應(yīng)的含義求出來,將數(shù)據(jù)的每個(gè)字節(jié)都表示為二進(jìn)制。因?yàn)?對(duì)這些需要計(jì)算參數(shù)的量級(jí)和精度都有著高要求,且在RINEX文件中表示變量的方法都是科學(xué)計(jì)數(shù)法,所以涉及到具體計(jì)算的變量都要設(shè)為double型。在具體計(jì)算這些變量的時(shí)候,還必須注意幾點(diǎn)。

圖3 星歷數(shù)據(jù)格式subframe1

例如,圖3中,TGD,該變量有一個(gè)注釋,標(biāo)明它是2的補(bǔ)碼。這就是說該變量是用以2為模的補(bǔ)碼形式表示的數(shù)(最高的bit位是符號(hào)位),即:如果它大于0,那么因?yàn)檎龜?shù)的補(bǔ)碼就是其本身,可以直接求出;但如果它小于0(最高位為1),情況就完全不同,比如11111001≠-01111001,而等于-(00000110+1)=-00000111。要快速求出一個(gè)補(bǔ)碼表示的負(fù)數(shù)的真值,方法為:對(duì)于n位二進(jìn)制數(shù),X真=X補(bǔ)-2n。其次,按照補(bǔ)碼形式求出每個(gè)變量的真值后,還要將變量乘以其尺度因子。例如TGD的尺度因子為2-31。最后,要檢查變量的單位,例如 Δn,其單位為“半周/秒”,但在 RINEX中,它卻是“radians/sec”,所以還要將其乘上π=3.1415926535897932384626433832795,凡是“周”的地方都要乘上π。

在1～3子幀中,可以計(jì)算出下列數(shù)據(jù):

使用這些參數(shù)就可以得出 RINEX的導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件,此文件由“頭”和“數(shù)據(jù)”兩部分組成,其中“頭”的格式比較靈活,除了必要的幾項(xiàng)以外還可以添加注釋,而“數(shù)據(jù)”就是上述參數(shù)的排列,具體如圖4所示:

圖4 導(dǎo)航文件數(shù)據(jù)排列順序

4 數(shù)據(jù)的分離存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)通過串口傳送至數(shù)據(jù)控制中心,數(shù)據(jù)中心就要對(duì)多個(gè)串口通道內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包括不同數(shù)據(jù)語句分離、語句讀取并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

語句分離就是從該通道字符串隊(duì)列緩沖區(qū)中分離出各個(gè)格式的語句,包括“＄GPGGA”、“#MARKTIMEA”、“＄PTNTHPR”、“L”?？梢圆捎谜Z句隊(duì)列的方式實(shí)現(xiàn)各語句的分離,由于所有數(shù)據(jù)格式對(duì)應(yīng)的語句都采用了類似的格式,通過語句的標(biāo)識(shí)符提取各語句,同時(shí)將語句進(jìn)入語句隊(duì)列。對(duì)語句隊(duì)列中的各個(gè)語句進(jìn)行相應(yīng)語句的數(shù)據(jù)讀取,獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。同時(shí)將該語句提取出隊(duì)列。

軟件控制中心首先要判斷數(shù)據(jù)的有效性,判斷數(shù)據(jù)的有效性首先要判斷GPS,數(shù)字羅盤的數(shù)據(jù)是否有效,通過解析串口傳回的字符串,就可以判斷GPS和數(shù)字羅盤工作是否正常,以上兩個(gè)設(shè)備正常工作后,軟件中心對(duì)激光模塊的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行初始化,激光模塊進(jìn)入工作狀態(tài)。激光模塊進(jìn)行測(cè)距后,若GPS沒有收到激光模塊發(fā)出的 TTL信號(hào),數(shù)據(jù)不進(jìn)行記錄。

軟件控制中心通過分離,提取數(shù)據(jù)。對(duì)于GPS的數(shù)據(jù),進(jìn)行單點(diǎn)定位,求得各個(gè)歷元時(shí)的三維坐標(biāo),得自定義的數(shù)據(jù)格式如下:

“觸發(fā)時(shí)間信息、＄狀態(tài)信息、測(cè)設(shè)次數(shù)、X Y Z(測(cè)設(shè)點(diǎn)坐標(biāo))、L(斜距)、Heading(方位角)、Pitch(俯仰角)、Roll(翻滾角)”

主動(dòng)式定位系統(tǒng)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理采用這一數(shù)據(jù)格式,數(shù)據(jù)片段如圖5所示。

圖5 主動(dòng)式定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式

5 數(shù)據(jù)處理精度分析

主動(dòng)式定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理功能是指在完成一次測(cè)試后實(shí)時(shí)提供待測(cè)點(diǎn)的概略坐標(biāo)。單一測(cè)站計(jì)算公式如下

式中:(X,Y,Z)為待測(cè)點(diǎn)目標(biāo);(x,y,z)為測(cè)設(shè)點(diǎn)目標(biāo);d為斜距;α為方位角;β為俯仰角。由于在定位中利用了數(shù)字羅盤的方位角和俯仰角信息,數(shù)字羅盤為磁傳感器可能會(huì)在測(cè)角時(shí)存在誤差,因此,實(shí)時(shí)定位的結(jié)果只能為用戶提供待測(cè)點(diǎn)的概略坐標(biāo)。

當(dāng)測(cè)站數(shù)大于3時(shí),進(jìn)行多點(diǎn)距離交會(huì),圖6為5組多點(diǎn)距離交會(huì)的結(jié)果。

圖6 距離交會(huì)點(diǎn)位誤差

用數(shù)據(jù)進(jìn)行距離交會(huì)的同時(shí),加入測(cè)角信息進(jìn)行平差處理,所得結(jié)果如圖7,只用距離數(shù)據(jù)進(jìn)行定位高程精度較差,但加入羅盤的角度信息進(jìn)去再進(jìn)行解算,能大大提高高程的定位精度,且比前面的定位方法精度有所提高。

圖7 邊角交會(huì)點(diǎn)位誤差

6 結(jié) 論

討論了主動(dòng)式定位系統(tǒng)的組成,工作模式及其實(shí)時(shí)定位精度,通過數(shù)據(jù)分析,可以看出,主動(dòng)式定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離不接觸目標(biāo)物的三維坐標(biāo)點(diǎn)位獲取,其實(shí)時(shí)定位平面精度可達(dá)米級(jí),高程精度略差。在以后的研究中改進(jìn)算法,提高定位精度以提高待測(cè)點(diǎn)的定位精度。再加上該系統(tǒng)的便捷性、實(shí)時(shí)性、無需設(shè)立站標(biāo),一人即可操作等優(yōu)點(diǎn),該系統(tǒng)將具有很好的研究意義與實(shí)用價(jià)值。

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