基于STM32開發(fā)板的BDS/GPS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與解碼研究

劉揚(yáng),余學(xué)祥,徐煒

(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南 232001)

基于STM32開發(fā)板的BDS/GPS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與解碼研究

劉揚(yáng),余學(xué)祥,徐煒

(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南 232001)

針對(duì)實(shí)時(shí)接收BDS/GPS數(shù)據(jù)丟失、存儲(chǔ)不合理、解碼精度低等問題,提出以基于STM32F103RET6微控制器為核心的開發(fā)板為載體,通過(guò)編寫數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與解碼算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算,得到高精度的偽距、載波等觀測(cè)值,并實(shí)時(shí)輸出BDS/GPS組合系統(tǒng)偽距單點(diǎn)定位結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明,單點(diǎn)定位的標(biāo)準(zhǔn)差為9 m左右,均方根誤差為14 m左右,該開發(fā)板運(yùn)行穩(wěn)定、使用方便,可為實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、解碼和差分計(jì)算提供基礎(chǔ)。

導(dǎo)航定位模塊;數(shù)據(jù)格式;數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集;解碼;偽距單點(diǎn)定位

0 引 言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)的不斷完善,特別是我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2014年獲得國(guó)際海事組織認(rèn)可,北斗系統(tǒng)的三步走戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)[1],其應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)化正蓬勃發(fā)展,多GNSS融合導(dǎo)航定位已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。定位分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位,導(dǎo)航主要是動(dòng)態(tài)的,數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與計(jì)算是導(dǎo)航定位的關(guān)鍵所在[2-3]。

為了提高多系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位的精度和可靠性,目前廣泛采用實(shí)時(shí)差分技術(shù)[4],差分全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)中數(shù)據(jù)處理階段包括數(shù)據(jù)采集、傳輸和計(jì)算。本文使用以STM32F103RET6微控制器為核心的開發(fā)板實(shí)時(shí)采集BDS/GPS原始數(shù)據(jù),并以此為研究對(duì)象,主要對(duì)數(shù)據(jù)的采集、傳輸格式及解碼進(jìn)行研究并輸出單點(diǎn)定位結(jié)果及精度分析。該開發(fā)板體積較小,天線與主體分離,可置于車內(nèi),方便實(shí)驗(yàn)?？蔀镚NSS數(shù)據(jù)的采集、傳輸和差分計(jì)算提供基礎(chǔ)支持。

1 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的搭建

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需,開發(fā)板主要集成D303導(dǎo)航定位模塊和Telit UL865 GPRS模塊,滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和解碼實(shí)驗(yàn)的硬件要求。通過(guò)實(shí)時(shí)采集BDS/GPS原始數(shù)據(jù),研究導(dǎo)航定位模塊數(shù)據(jù)傳輸格式,并通過(guò)解碼將十六進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX格式的觀測(cè)值[5],實(shí)現(xiàn)組合系統(tǒng)的定位。

1.1 STM32系列微控制器

STM32F103RET6微控制器采用32位基于ARM的Cortex-M3 CPU;其中F代表通用類型,R代表64引腳,E代表512 k字節(jié)的閃存存儲(chǔ)器,T代表LQFP封裝,6代表溫度范圍為-40℃～85℃.微控制器的功能與配置,如表1所示。

表1 STM32F103RET6的器件功能和配置

1.2 D303導(dǎo)航定位模塊

D303是一款支持BDS B1/GPS L1頻點(diǎn)的差分雙模導(dǎo)航定位模塊。模塊內(nèi)部集成了BDS B1/GPS L1雙模SOC基帶芯片,和一款可配置的BDS B1/GPS L1雙模射頻芯片,其主要性能指標(biāo)如表2所示。模塊的三種工作模式,可以通過(guò)命令來(lái)切換,如“＄CCSIR,1.0*49”為單BD2 B1工作模式,“＄CCSIR,3.0*4B”命令可以選擇雙模工作模式。兩種輸出模式,同樣可通過(guò)命令來(lái)切換,如“＄CCSUA,3.0*44”切換原始數(shù)據(jù)輸出模式。通過(guò)NMEA串口給模塊發(fā)送波特率設(shè)置指令,如“CCCAS,1,6*56”設(shè)置波特率為115200 bps.

表2 D303定位模塊主要性能指標(biāo)

2 數(shù)據(jù)解碼與單點(diǎn)定位

2.1 電文幀結(jié)構(gòu)

原始數(shù)據(jù)的電文幀結(jié)構(gòu)分為五部分,文件頭、保留、電文長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)電文、CRC24校驗(yàn)碼,其結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 電文幀結(jié)構(gòu)

文件頭為電文起始第一個(gè)字節(jié)(二進(jìn)制110 100 11),作為判斷有效數(shù)據(jù)接收的標(biāo)志。保留字段在本版中為0x00,后續(xù)版本可以增加標(biāo)識(shí)。電文長(zhǎng)度表示數(shù)據(jù)電文中的字節(jié)數(shù),根據(jù)字節(jié)數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)緩存的空間大小。數(shù)據(jù)電文的電文類型如表4所示,本文將以3001(觀測(cè)值)為例解碼,其電文數(shù)據(jù)格式如表5和表6所示。CRC(循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼)校驗(yàn)用來(lái)判斷接收數(shù)據(jù)的正確性。

表4 電文類型

在切換到原始觀測(cè)量輸出時(shí),模塊內(nèi)部需要復(fù)位,會(huì)重新捕獲跟蹤衛(wèi)星,因此需等待一段無(wú)輸出時(shí)間。待接收數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,3001和3002交替出現(xiàn),輸出間隔為1 s.3003每隔120 s輸出一次,輸出的個(gè)數(shù)與接收衛(wèi)星個(gè)數(shù)相同。

表5 觀測(cè)值電文

表5中“unit 12”代表電文序號(hào)占有12 bit無(wú)符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)。表6中“int 28”代表字段DF04占有28bit有符號(hào)(首位是“0”為正號(hào),“1”為負(fù)號(hào))的二進(jìn)制數(shù)[6]。

表6 衛(wèi)星觀測(cè)值

表6中字段DF04,DF05為解碼的關(guān)鍵,其中偽距觀測(cè)值的計(jì)算方法:完整偽距觀測(cè)值(單位:m)=DF05 x 299 792.458+DF03 × 0.02.計(jì)算載波觀測(cè)值的方法:完整載波相位觀測(cè)值(單位:m)=完整偽距觀測(cè)值+DF04 × 0.000 5,完整載波相位觀測(cè)值(單位:周)=完整載波相位觀測(cè)值(單位:m)/(光速度/載波頻率),其中光速=299 792 458 m/s,L1載波頻率=1 575.42 MHz,B1載波頻率=1 561.098 MHz.

2.2 程序設(shè)計(jì)流程和關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)前文介紹的電文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編碼方式,以Keil μVision5為開發(fā)平臺(tái),用C語(yǔ)言編寫GPS數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與解碼程序,通過(guò)指令對(duì)各模塊進(jìn)行操作,電文解碼的流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 解碼流程

解碼過(guò)程中有以下幾點(diǎn)需要注意:

1) 實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)是通過(guò)系統(tǒng)中斷實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)生中斷,根據(jù)該電文的長(zhǎng)度(可以算出)把整段電文存儲(chǔ)下來(lái)(根據(jù)電文編號(hào)存入不同的緩存中)后再解碼,主要代碼如下,待解碼完成后再接收下一段電文。

Unsigned int head=0;

head=(buffer[3]?4)+(buffer[4]?4);

switch(head)

{

case 3001:

decode-3001(y, d-len); break;

case 3002:

decode-3002(y, d-len); break;

case 3003:

decode-3003(y, d-len); break;

}

2) CRC24校驗(yàn)過(guò)程分為校驗(yàn)碼生成和校驗(yàn)碼匹配兩個(gè)階段[7],第一階段產(chǎn)生24位的校驗(yàn)碼,第二階段將生成的校驗(yàn)碼與電文最后三個(gè)字節(jié)比較,如果相同,校驗(yàn)通過(guò),否則失敗,刪去該電文數(shù)據(jù)。

2.3 BDS/GPS組合系統(tǒng)單點(diǎn)定位

本文主要解決數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收及解碼,對(duì)于單點(diǎn)定位原理可參照文獻(xiàn)[8]～[10],這里僅給出其基本模型。對(duì)于BDS和GPS的偽距定位方程為

(1)

(Zi-Zp)2]1/2為衛(wèi)星i到接收機(jī)p之間距離;c為光速,δtp和δti分別為接收機(jī)和衛(wèi)星鐘差改正;δiρtrop,δiρion分別為對(duì)流層和電離層的延遲改正,δiρothers為其他改正項(xiàng)。由于兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間和坐標(biāo)框架不同,組合系統(tǒng)定位時(shí),需要框架的轉(zhuǎn)換,可參照文獻(xiàn)[11]。

數(shù)據(jù)輸出界面如圖2所示,界面左側(cè)設(shè)置參數(shù),為串口,波特率等,右側(cè)第1～3列(單位:m)分別為x、y、z方向的改正值,第4～6列分別為觀測(cè)的衛(wèi)星總個(gè)數(shù),GPS衛(wèi)星個(gè)數(shù),BDS衛(wèi)星個(gè)數(shù)。

圖2 實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位結(jié)果輸出界面

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證程序的可靠性和穩(wěn)定性,用開發(fā)板接收2016-07-15青島某地?cái)?shù)據(jù),對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證,并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)原始電文數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)6個(gè)小時(shí)的實(shí)驗(yàn),程序具有較好的穩(wěn)定性。圖3示出了1 s內(nèi)接收到的觀測(cè)值(3001)完整原始數(shù)據(jù)。

圖3 原始電文數(shù)據(jù)

由圖3分析可知,原始電文中包含以下信息,該電文的長(zhǎng)度(二進(jìn)制為100 111 011,對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制為315字節(jié)),完整的一段數(shù)據(jù)(包括數(shù)據(jù)電文之前有3字節(jié),電文長(zhǎng)度315字節(jié),CRC校驗(yàn)碼3字節(jié))共321字節(jié),“BB 9”代表電文編號(hào)3001(觀測(cè)值),本文只提取部分BDS數(shù)據(jù),GPS解碼原理相同。程序解碼后輸出結(jié)果如表7所示。

表7 解碼后的BDS數(shù)據(jù)

單點(diǎn)定位的精度分析如表8所示,這里截取1 h為例,其中x方向的誤差值最小,y方向的標(biāo)準(zhǔn)差于與z方向,但均方根誤差y方向與z方向相近。如圖4所示,x方向偏差值穩(wěn)定在±5 m內(nèi),y和z方向偏差值在[-5,15] m范圍內(nèi)的比例分別為90.9%和89.3%。

表8 單點(diǎn)定位精度分析(單位:m)

圖4 1 h偽距單點(diǎn)定位結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用集成了導(dǎo)航定位模塊和通信模塊的開發(fā)板進(jìn)行BDS/GPS原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與解碼,著重分析了導(dǎo)航定位模塊中原始數(shù)據(jù)格式和解碼原理,并實(shí)時(shí)偽距單點(diǎn)定位。通過(guò)實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù),計(jì)算出偽距(C1)、載波(B1/L1)觀測(cè)值,偽距單點(diǎn)定位結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差在10 m之內(nèi),均方根誤差在15 m內(nèi),其中x方向精度最高,y與z方向的精度相當(dāng),后期加入差分?jǐn)?shù)據(jù)精度將進(jìn)一步提高。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,可觀測(cè)到的衛(wèi)星個(gè)數(shù)大多在10顆以上,開發(fā)板運(yùn)行較穩(wěn)定,滿足設(shè)計(jì)要求,為多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、解碼及差分提供基礎(chǔ)研究。

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BDS/GPS Data Real-time Acquisition and Research on Decoding Arithmetic Based on Development Board of STM32

LIU Yang,YU Xuexiang,XU Wei

(SchoolofGeodesyandGeomatics,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

According to the fact that it occurred data loss, unreasonable storage, low accuracy of decoding when receiving the real-time BDS/GPS data. This paper presented a program of the real-time data acquisition and decoding, taking the development board based on STM32F103RET6 microcontroller as carrier. It achieved data storage and calculation, and got high precision pseudorange, carrier observations. Meanwhile, it calculated the pseudorange single point positioning by combined BDS/GPS.The results show that the standard deviation is about 9 meters and RMSE is about 14 meters, the development board is proved stable and easy to use. This is the basis of data real-time acquisition, decoding and differential computation of multi-GNSS.

Navigation module; data format; real-time data acquisition; decoding; pseudorange single point positioning

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.03.012

2016-11-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)41474026); 安徽國(guó)土資源廳科技項(xiàng)目(編號(hào)：2011-K-22，2011-K-18)；安徽理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(編號(hào)：2017CX2056)；淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司項(xiàng)目(編號(hào):HNKY-JTJS(2013)-28)

P228.4

A

1008-9268(2017)03-0061-05

劉揚(yáng) (1991-),男,碩士研究生,主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理。

余學(xué)祥 (1965-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事GPS變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、礦山空間信息技術(shù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)等方面研究。

徐煒 (1992-),男,碩士研究生,主要從事GNSS導(dǎo)航與數(shù)據(jù)處理。

聯(lián)系人: 劉揚(yáng) E-mail: liuyhh09@163.com