基于VB的GPS掩星信號自動采集系統(tǒng)研究

種嘉亮　李長星　王鐵永

摘要：為了實時采集GPS掩星信號，利用VB編寫串口程序，提取和分析GPS標準協(xié)議下語句和字段值，詳細分析其中的$GPGGA和$GPGSV語句，通過解析這些語句，在窗口界面上顯示一些重要的GPS掩星數(shù)據(jù)信息，包括基于WSG-84坐標系的位置信息以及衛(wèi)星編號，仰角，方位角，信噪比和相位等參數(shù)，并根據(jù)所設定的衛(wèi)星信號接收的起止角度，通過對衛(wèi)星實時仰角的判決，實現(xiàn)掩星數(shù)據(jù)的自動采集。

關(guān)鍵詞：GPS掩星；VB；串口通信；自動采集

中圖分類號：TP312 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）05-0228-04

Abstract： A method based on Visual Basic language is introduced for capturing real-time GPS occultation data. By picking-up and analyzing GPS sentences， especially the $GPGGA and $GPGSV sentence， some important GPS occultation information is displayed on the screen， such as latitude and longitude coordinates based on WGS-84， Satellite ID， Elevation angle， Azimuth angle， Signal-to-noise ratio， Carrier phase and so on. When the elevation angle is in the angle range set before， the automatic capture of GPS occultation data is achieved.

Key words： GPS occultation； VB； Port communications； Automatic capture

1 背景

GPS系統(tǒng)是目前世界上應用最廣泛的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，最初是美國政府為滿足其軍事部門在全球范圍的高精度導航和定位而建立的，它包括衛(wèi)星星座，地面監(jiān)控系統(tǒng)和GPS信號接收機三個部分[1]，在定位方面使用的是大地坐標系WSG-84，具有很高的定位精度，經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，GPS系統(tǒng)已經(jīng)應用于生活的各個領(lǐng)域。而GPS掩星技術(shù)正是在此基礎上應運而生的一門新興技術(shù)，掩星發(fā)生時刻 GPS衛(wèi)星和山基或星載的接收機之間的視向距離被地球所遮掩，衛(wèi)星信號經(jīng)過大氣層的折射傳輸達到接收機，其幾何關(guān)系圖如圖1所示：

GPS掩星技術(shù)正是利用信號傳輸過程中的彎曲角，根據(jù)Abel積分，Snell定理以及相關(guān)的幾何知識，反演出衛(wèi)星信號路徑上折射率隨高度的梯度分布，更進一步根據(jù)折射率算出該區(qū)域內(nèi)的水汽分布，溫度廓線，氣壓分布等[2～9]。這些氣象信息的意義在于：1）民用上改進了數(shù)值天氣預報，利于支持氣候變化研究，檢測和改善大氣模式等；2）軍事上體現(xiàn)在大氣折射場對無線短波通訊的影響，針對高新武器，衛(wèi)星監(jiān)控，飛船定位中的應用，以及氣象資料在軍事戰(zhàn)爭中的價值。由于該方法具有測量精度高，垂直分辨率高，全球覆蓋，全天候，長期穩(wěn)定等特點，因此具有廣闊的應用前景[10]。常規(guī)的掩星觀測是利用衛(wèi)星星歷文件預報掩星發(fā)生時間，在該時間段內(nèi)手動實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，由于掩星發(fā)生時間零散分布于全天24小時，該方法不便于長期的掩星觀測。而本文的內(nèi)容主要是針對掩星發(fā)生時刻衛(wèi)星信號的自動采集進行研究，為接下來的大氣參數(shù)的反演奠定基礎。

2 GPS數(shù)據(jù)協(xié)議介紹

3 系統(tǒng)設計的思路框圖

利用掩星技術(shù)反演大氣參數(shù)中，一般認為GPS衛(wèi)星仰角有完整的從-2度到+2度時接收到的信號為有效的掩星數(shù)據(jù)，而一個固定的觀測點每天大約能夠觀測到近百個掩星事件，本系統(tǒng)關(guān)鍵思想就是對接收到的GPS衛(wèi)星的仰角進行實時判決，如果其在設定的區(qū)間內(nèi)，則視為掩星開始，記錄數(shù)據(jù)，直到本次掩星事件結(jié)束，否則跳過，如圖2所示：

系統(tǒng)主要功能：1）實時顯示接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，包括接收區(qū)的信號信息，接收機的地理位置信息以及衛(wèi)星的方位信息；2）接收方式的設定，包括手動接收和自動接收，自動接收時設定接收的起止仰角，自動接收設定區(qū)的橙色指示燈用于顯示自動接收狀態(tài)；每完成一次掩星事件的數(shù)據(jù)存儲，記錄次數(shù)加1.

4 算法實現(xiàn)

4.1 MSComm控件

本采集系統(tǒng)使用的GPS接收機為天寶BD970型號，接收機與計算機之間采用的是RS-232的串口數(shù)據(jù)傳輸，而計算機則是通過MSComm串口通信控件[12]接收來自接收機的GPS語句。該控件的設置如下：MSCommPort=1，表示使用計算機的串口1；Settings=“115200，N，8，1”表示串口通信協(xié)議為波特率115200bps，8個數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1個停止位；Rthrehold=1000，表示接收緩沖區(qū)沒收到1000個字符就使MSComm控件產(chǎn)生OnComm事件。OnComm（）事件代碼如下：

4.2 核心算法

本系統(tǒng)的核心算法是GPS語句串的提取與分離，以及衛(wèi)星仰角的判決。除了$GPGGA和$GPGSV語句外，現(xiàn)有的接收機的輸出語句包含了衛(wèi)星號，仰角，方位角，信噪比和相位等信息。每個語句串都是以“$$”開頭的字符串，而接收機的原始數(shù)據(jù)表示為十六進制ASCII碼，即“$”表示為十六進制的ASCII碼是數(shù)字“24”。 因此必須先把以“$$”開頭的語句串提取出來，分離其中的衛(wèi)星號，仰角等信息，在屏幕上顯示出來：

5 結(jié)束語

本文介紹了基于天寶BD970型號接收機的GPS掩星信號自動采集系統(tǒng)，通過對大量的GPS語句進行提取和分離的處理，在窗口顯示GPS掩星技術(shù)所需的仰角，信噪比和相位等信息，并根據(jù)對仰角的實時判決，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動記錄。實驗表明，該系統(tǒng)能夠很好地完成數(shù)據(jù)自動采集的任務，這將為今后的GPS掩星技術(shù)的研究提供支撐。

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