GNSS天線陣列接收機(jī)數(shù)據(jù)采集與解碼的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

鄒進(jìn)貴，李 勇

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量工程研究所，湖北武漢430079;2.精密工程與工業(yè)測(cè)量國家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079;3.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢430071)

一、引 言

在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，GNSS定位技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出，然而監(jiān)測(cè)型GNSS接收機(jī)價(jià)格較高，如果采用一臺(tái)主機(jī)連接一個(gè)天線的模式，建立一個(gè)較大型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需要很高的成本。為了大幅度降低監(jiān)測(cè)成本，本文針對(duì)GNSS天線陣列接收機(jī)開展研究，采用商業(yè)化的GNSS OEM芯片，自主研制了可以進(jìn)行靜態(tài)與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與解碼的GNSS天線陣列接收機(jī)，該接收機(jī)最多可以連接8個(gè)天線。

GNSS天線陣列接收機(jī)通過微處理器來進(jìn)行電路控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)天線的切換和對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集。圖1為GNSS天線陣列接收機(jī)電路設(shè)計(jì)示意圖。

圖1 電路設(shè)計(jì)示意圖

根據(jù)監(jiān)測(cè)需要，選擇了美國天寶公司的BD970 OEM模塊作為GNSS天線陣列接收機(jī)的數(shù)據(jù)采集工具。該模塊經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試，可在各種環(huán)境下正常運(yùn)行，可靠性高，易于集成，不僅支持包括GPS L2C、L5，以及GLONASS L1/L2信號(hào)在內(nèi)的各種衛(wèi)星信號(hào)，而且能夠跟蹤GIOVE-A和GIOVE-B試驗(yàn)衛(wèi)星，用于信號(hào)評(píng)估和測(cè)試。圖2為研制的GNSS天線陣列接收機(jī)。

圖2 GNSS天線陣列接收機(jī)

二、GNSS天線陣列接收機(jī)數(shù)據(jù)采集與解碼實(shí)現(xiàn)

GNSS天線陣列接收機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)集成遠(yuǎn)程系統(tǒng)。其中，硬件部分包括GNSS天線陣列接收機(jī)、GNSS信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(如GPRS或CDMA模塊、無線局域網(wǎng)等)，以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng);軟件部分包括采集系統(tǒng)控制軟件、解碼軟件和數(shù)據(jù)庫管理等。

1.GNSS天線陣列接收機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)變形監(jiān)測(cè)的需求，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)，在變形監(jiān)測(cè)過程中，在基準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)傳統(tǒng)GNSS接收機(jī)，在變形點(diǎn)上安裝天線并連接到GNSS天線陣列接收機(jī)，根據(jù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸方法，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)采集。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 GNSS天線陣列接收機(jī)數(shù)據(jù)采集與解碼系統(tǒng)架構(gòu)

2.GNSS天線陣列接收機(jī)數(shù)據(jù)的接收和解碼

GNSS天線陣列接收機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要部分是對(duì)靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，生成標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式文件，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。本文研制的GNSS天線陣列接收機(jī)不僅能夠接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，還可以接收GLONASS衛(wèi)星信號(hào)。在進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量時(shí)，如果只接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，則輸出RT17格式數(shù)據(jù);如果同時(shí)接受GLONASS衛(wèi)星信號(hào)，則輸出RT27格式數(shù)據(jù)。兩種數(shù)據(jù)都是二進(jìn)制格式，而且差別很大，因此靜態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊必須能夠智能識(shí)別數(shù)據(jù)格式，并調(diào)用相應(yīng)模塊進(jìn)行解碼。

BD970 OEM模塊定義了大量的二進(jìn)制消息數(shù)據(jù)包，每個(gè)包具有特定的功能，二進(jìn)制消息結(jié)構(gòu)也是嚴(yán)格定義的，每個(gè)消息都由開始數(shù)據(jù)頭、信息數(shù)據(jù)塊、校驗(yàn)和及結(jié)束標(biāo)識(shí)組成，消息格式的具體定義見表1。這種定義格式滿足異步串行通信的要求，可以很方便地實(shí)現(xiàn)GNSS天線陣列接收機(jī)和其他設(shè)備之間的通信。

表1 GNSS天線陣列接收機(jī)二進(jìn)制消息格式

系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和解碼，在數(shù)據(jù)采集過程中，原始數(shù)據(jù)采用串口方式進(jìn)行接收，靜態(tài)數(shù)據(jù)接收與解碼的流程如圖4所示。

圖4 靜態(tài)數(shù)據(jù)解碼流程

為了能夠正常進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)解碼，首先要保證靜態(tài)原始數(shù)據(jù)的正確接收。為此，筆者編寫了專用的串口通信類，并采用多線程思想來獨(dú)立實(shí)現(xiàn)各個(gè)接收機(jī)的數(shù)據(jù)采集，互不干擾。打開串口后，端口進(jìn)行初始化并開始監(jiān)聽，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，觸發(fā)消息響應(yīng)函數(shù)OnCommunication()來實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)接收，同時(shí)該函數(shù)自動(dòng)調(diào)用解碼模塊進(jìn)行對(duì)應(yīng)接收機(jī)的數(shù)據(jù)解碼。串口通信部分設(shè)計(jì)的主要函數(shù)與功能見表2。

表2 串口通信主要函數(shù)

如果觀測(cè)數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)程傳輸?shù)?，可在?jì)算機(jī)上利用網(wǎng)絡(luò)映射出多個(gè)虛擬串口，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)站數(shù)據(jù)的接收、解碼和RINEX文件的生成。

為了保證解碼數(shù)據(jù)的正確性和可靠性，在進(jìn)行實(shí)際解碼前，需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的檢查和校驗(yàn)。只有當(dāng)校驗(yàn)通過后，才會(huì)進(jìn)行解碼，在解碼過程中，也會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)性校驗(yàn)，如頁碼校驗(yàn)、數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)校驗(yàn)等，只要有一項(xiàng)校驗(yàn)沒通過，則舍棄該數(shù)據(jù)包。在數(shù)據(jù)信息解碼完畢后，也會(huì)對(duì)解碼結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)異常，則不寫入RINEX文件。

在本系統(tǒng)中，根據(jù)數(shù)據(jù)格式不同，靜態(tài)數(shù)據(jù)解碼分為RT17和RT27兩種，但數(shù)據(jù)接收方法一樣，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)格式類型智能選擇對(duì)應(yīng)函數(shù)進(jìn)行解碼。靜態(tài)解碼主要函數(shù)見表3。

表3 靜態(tài)解碼主要函數(shù)

在觀測(cè)過程中，系統(tǒng)接收串口消息，通過ReadTRIMTSIP()函數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)包的開始標(biāo)識(shí)符，確認(rèn)同步后開始存入緩沖數(shù)組，直至整個(gè)數(shù)據(jù)包被完整接收;然后通過函數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)和檢驗(yàn)，如果正確則進(jìn)入解碼過程，實(shí)現(xiàn)各個(gè)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解碼和存儲(chǔ)。

三、數(shù)據(jù)采集和解碼測(cè)試

系統(tǒng)研制完成后，對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)采集功能進(jìn)行了多次測(cè)試，都能夠穩(wěn)定生成RINEX文件。在此基礎(chǔ)上，將本文研制的數(shù)據(jù)采集與解碼模塊應(yīng)用到某尾礦壩的監(jiān)測(cè)中，通過遠(yuǎn)程傳輸，在原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜睾螅瑸轵?yàn)證采集數(shù)據(jù)的正確性，除利用本系統(tǒng)的解碼模塊進(jìn)行解碼外，還采用了某公司專門的數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行解碼。比較兩個(gè)系統(tǒng)生成的RINEX文件，發(fā)現(xiàn)同一歷元的觀測(cè)值是一樣的，說明了本系統(tǒng)靜態(tài)解碼模塊的正確性。圖5為該尾礦壩的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。其中，0973號(hào)點(diǎn)為穩(wěn)定區(qū)域的基準(zhǔn)點(diǎn);0976為尾礦壩旁邊小山上的變形點(diǎn);其余3個(gè)變形點(diǎn)位于尾礦壩上，構(gòu)成了一個(gè)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)。變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)中各個(gè)點(diǎn)的初始坐標(biāo)為WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

圖5 靜態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)圖

變形監(jiān)測(cè)采用靜態(tài)測(cè)量模塊自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別按照兩種不同的采樣率、不同的時(shí)段長度(1 h、2 h和6 h)進(jìn)行了采集，系統(tǒng)均能穩(wěn)定地接收數(shù)據(jù)并解碼，并生成標(biāo)準(zhǔn)的RINEX文件。選取了3期數(shù)據(jù)，利用Leica Geo Office軟件進(jìn)行了比對(duì)處理，各個(gè)點(diǎn)的位移量見表4。

表4 靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的位移量 mm

從表4可以看出，X方向絕對(duì)值最大為5.4 mm，Y方向絕對(duì)值最大為5.1 mm，Z方向絕對(duì)值最大為2.2 mm，與其他監(jiān)測(cè)方法得到的變形量一致。

四、結(jié)束語

GNSS天線陣列接收機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠大幅度降低GNSS技術(shù)應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)的成本，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸方法，可以實(shí)現(xiàn)GNSS天線陣列數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和解碼，從而滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的要求。通過試驗(yàn)與應(yīng)用，表明GNSS天線陣列接收機(jī)數(shù)據(jù)采集與解碼模塊得到的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確、可靠的，可廣泛應(yīng)用到大壩、滑坡、尾礦和橋梁等工程的變形監(jiān)測(cè)中。

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