U-Blox 6接收機解碼與定位測試

王君剛，王解先，陳俊平，楊賽男

U-Blox 6接收機解碼與定位測試

王君剛1，2，王解先1，3，陳俊平2，楊賽男2

( 1．同濟大學測繪與地理信息學院，上海200092; 2．中國科學院上海天文臺，上海200030; 3．現代工程測量國家測繪地理信息局重點實驗室，上海200092)

一、引言

GPS接收機接收到的原始數據以二進制存儲，不同類型接收機的原始觀測數據格式都不同，這為GPS數據處理帶來不便，因此引進與接收機無關的數據交換格式( receiver independent exchange format，RINEX)，對于GPS數據的通用性與實用性都有著重要意義。RINEX格式的數據被絕大多數數據處理軟件所支持，是GPS領域應用極為廣泛的數據格式。

GPS接收機一般都有隨機軟件，可將其自定義的原始數據格式轉換為標準的RINEX格式，供用戶使用。在快速定位時，需要實時獲取接收機的觀測數據，而多數接收機并無實時提供標準RINEX格式數據的功能，用戶只能得到原始的觀測數據，并在此基礎上進行解碼使用，因此有必要研究GPS接收機原始觀測數據的解碼。GPS數據解碼的相關研究較多，包括對原始觀測數據的研究［1-2］、對星歷的解碼［3］、DGNSS差分電文的解碼算法［4］，以及對RTCM［5-9］格式差分信息的解碼。

作為市面上一種較為流行的GPS接收機，UBlox以其高精度、高靈敏的特性成為導航定位的常用接收機，其最新版本為U-Blox 6。U-Blox接收機能夠接收GPS導航數據、觀測數據及差分信息，原始數據以自定義的UBX協議格式存儲，數據處理時需要先將其解碼為通用RINEX格式。本文以UBlox 6接收機為例，介紹了其原始觀測數據格式和解碼過程，并利用解碼后的數據進行了靜態/動態偽距單點定位和差分定位，對定位結果精度進行了分析。

二、UBX解碼

根據UBX協議，可以從原始的二進制數據中解碼出需要的信息。下面介紹UBX基本結構和解碼原理。

1．UBX包結構

根據UBX協議，每條記錄由記錄頭、CLASS和ID、長度、內容( Payload)及校檢碼組成，一條UBX觀測數據記錄結構如圖1所示。

圖1 UBX數據包結構

由圖1可知，每條記錄以十六進制的B5和62開頭，第3位是Class，U-Blox 6共有9種Class，第4位是ID。Message ID后是2 Bytes的數據長度，其存儲按照低字節序( little endian)存儲。每條記錄的最后兩位是校檢碼CK_A和CK_B，校檢機制為:

校檢長度為Class全Payload。

解碼時，將讀取到的二進制轉換為十六進制，如果有兩相連數據為B5和62，可判斷是一條記錄的開頭，由Class與ID判斷其數據類型，根據相應類型的協議進行解碼。每條記錄都要進行校檢碼的校檢，校檢成功才能說明該條記錄是有效的。

2．原始觀測數據結構

UBX一個歷元的原始觀測數據結構見表1。

表1 UBX觀測數據結構

即一條觀測數據以十六進制的B5、62開始，其Class和ID分別為十六進制的02、10，長度為8+24× numSV，其中numSVn表示本歷元的衛星個數。具體內容( Payload)見相應說明書［10］。

三、GPS定位模型

GPS定位主要包括差分模型和非差模型。差分能消除部分誤差，減少待估參數個數，而非差模型有利于質量控制，能更方便地對誤差進行模型化［11］。下面將介紹偽距單點定位和差分定位的數學模型，以及消參數法的原理。

1．偽距單點定位模型

某歷元i、測站k對衛星j的觀測方程為

2.1 兩組患兒治療前、后肺功能指標比較 治療前兩組患兒FVC、FEV1、FEV1/FVC水平差異無統計學意義(P>0.05)；治療后兩組患兒FVC、FEV1、FEV1/FVC均高于治療前，且觀察組高于對照組，差異均有統計學意義(P<0.05)。見表1。

式中，Pjk表示偽距觀測量; vjk為殘差項;( Xj，Yj，Zj)為衛星坐標;( Xk，Yk，Zk)為接收機坐標; δtj、δtk分別為衛星、接收機鐘差; Tropjk、Ionoj

k分別為對流層延遲、電離層延遲;εjk為其他誤差改正項［12］，包括相對論效應改正、地球自轉效應改正等。對式( 1)線性化，組成誤差方程［13-15］，由4顆衛星的觀測值即可解算測站坐標。

2．偽距差分定位模型

GPS偽距差分系統由一臺基準站GPS接收機和一臺或多臺流動接收機組成，基準站接收機安置在已知點上。由于基準站坐標已知，可計算相應的其他改正項發送給流動站，從而提高流動站的定位精度。若不發送實時改正數，可以事后將基準站與流動站的數據一起處理，采用差分定位的方式計算流動站坐標［16］。

測站k、t對衛星j的站間單差觀測方程為

式中，ΔPjk，t為測站k、t對衛星j的偽距觀測值之差; Δdj為衛星到兩測站距離之差;Δt為接收機鐘差k，tk，t之差?？梢钥闯?，站間單差消除了衛星鐘差項，還能減小衛星軌道誤差。此外，當測站距離較近時，大氣環境相似，ΔTropjk，t、ΔIonojk，t比較小，能夠進一步提高定位精度。

3．消參數法

由觀測方程式( 1)或式( 2)，可得第一個歷元的法方程為

此時法方程只有坐標項，迭代至收斂即可。

靜態解需要將每個歷元的法方程疊加求得整體解。由于每個歷元最后一次迭代的初值均不一樣，法方程疊加時需要將其統一。已知兩個歷元迭代后的法方程為

式中，N( 1)、N( 2)為最后一次迭代的法方程系數陣;為最后一次迭代的初值; X為坐標真值。將第二個法方程的初值與第一個法方程統一，即

此時，可以將其直接與第一個法方程疊加。將每個歷元的法方程都統一到第一個歷元的法方程，疊加可求得所有歷元的整體解。

四、算例分析

對某實測數據解碼，然后進行偽距單點定位和差分定位分析，并分析定位結果。觀測數據主要包括基站、靜止測站A和運動測站B，測站均位于美國。觀測時間為2014-02-05，各測站的觀測時段見表2。

表2 各測站觀測時段

1．解 碼

按照U-Blox 6說明文檔的協議規定對觀測數據解碼，將解碼數據以RINEX2．1格式輸出，其中一個歷元的數據如圖2所示。

圖2 由U-Blox 6解碼出的觀測數據

可以看出，觀測數據有P1、L1和D1三種類型，本歷元共12顆可見衛星。

2．偽距單點定位

由原始數據解碼出相應的觀測數據文件，包括靜態測站和動態測站。對基站和測站A進行偽距靜態單點定位，采用前文所述的消參數法，改正項包括地球自轉改正和相對論改正。坐標結果見表3。然后以基站為已知點，以其靜態單點定位的坐標值為坐標真值，對測站A進行靜態偽距差分定位，坐標解見表3。

表3 基站及測站A坐標解算值 m

對測站A分別進行動態偽距單點定位和動態偽距差分定位，以相應的靜態坐標解為真值，統計其標準差與中誤差，結果見表4。兩種方式(單點定位和站間單差)動態定位的坐標時間序列圖如圖3所示。由表4及圖3可知，采用差分定位后點位誤差減小約50%，而且點位中誤差與標準差很接近，這說明系統性誤差也減小了，因此差分定位能顯著提高定位精度。這是因為站間單差消除了衛星的鐘差項與軌道誤差，而且測站距離很近，對流層延遲、電離層延遲基本被消除掉。

表4 測站A動態定位結果 m

圖3 測站A的偽距單點定位和差分定位坐標序列

分別采用偽距單點定位和偽距差分的形式，對測站B進行動態定位，其坐標軌跡如圖4所示。圖中，左側為坐標水平運動軌跡，右側為高程軌跡。從圖中可以看出，差分后的運動軌跡比動態單點定位軌跡平滑許多，從而進一步驗證了差分定位能改善定位精度的結論。

圖4 測站B坐標軌跡

五、結束語

本文介紹了U-Blox6接收機的數據格式，給出了解碼的相關算法，實現了原始觀測數據的解碼。針對偽距單點定位和差分定位，介紹了相應的數學模型及靜態定位整體解的消參數法。通過原始數據的解碼驗證了解碼算法的正確性，采用解碼后的觀測數據進行了靜態/動態偽距單點定位和差分定位。定位結果顯示，與非差單點定位相比，采用站間單差后，動態定位的點位誤差減少約50%，且運動軌跡更為平滑，因此站間單差能顯著提高定位精度。

［1］ 張光炬，王解先．GPS原始數據解碼為RINEX的方法［J］．光學儀器，2007，29( 6) : 27-31．

［2］ 賈蓉，王解先．NovAtel OEM4主板的GPS原始數據解碼［J］．現代科學儀器，2010( 1) : 54-57．

［3］ 鄭祎，王解先．GPS衛星預報星歷的解碼及衛星預報［J］．工程勘察，2000( 3) : 52-55．

［4］ 鄒進貴，陳健．DGNSS差分電文解碼算法研究［J］．測繪通報，2013( 7) : 5-7．

［5］ 朱靜然，潘樹國，孔麗珍．DGPS數據格式RTCM3．1介紹及編解碼方法［C］∥第四屆中國衛星導航學術年會電子文集．北京:［s．n．］，2013．

［6］ 孫良玉，劉春，吳杭彬．GPS虛擬參考站RTCM傳輸電文的分析與解碼［J］．全球定位系統，2008，33 ( 5) : 52-57．

［7］ 李良，張小超，趙化平．GPS差分RTCM數據實時編碼解碼算法及實現［J］．計算機工程與應用，2006，42( 11) : 209-211．

［8］ 史小雨，程鵬飛，蔡艷輝，等．差分GPS數據通信格式RTCM 3．1及其解碼算法的實現［J］．測繪通報，2012( 6) : 4-6，67．

［9］ 嚴新生，過靜珺，朱小冬，等．RTCM SC-104差分電文解碼［J］．工程勘察，2007( 6) : 61-65．

［10］ u-blox 6 Receiver Description［EB/OL］．［2014-02-06］．http:∥www．u-blox．com/．

［11］柳響林，劉經南，王新洲．單歷元GPS非差相對定位模型的研究［J］．測繪通報，2003( 3) : 5-8，36．

［12］裴霄，王解先．GPS偽距單點定位的精度分析及改進［J］．海洋測繪，2012，32( 1) : 5-7．

［13］王解先，季善標，易玉丹．GPS動態偽距單點定位精度與GDOP的關系［J］．工程勘察，1998( 6) : 50-52，45．

［14］王解先．GPS精密定軌定位［M］．上海:同濟大學出版社，1997．

［15］王解先，徐志京．三種坐標間轉換的雅可比矩陣數值導數計算方法［J］．大地測量與地球動力學，2004，24( 4) : 19-23．

［16］楊永平，蘭孝奇，夏開旺．GPS相位平滑偽距差分定位技術的試驗研究［J］．工程勘察，2006( 2) : 52-56．

The Decoding of U-Blox 6 and Positioning Test

WANG Jungang，WANG Jiexian，CHEN Junping，YANG Sainan

U-Blox接收機的原始數據以自定義的UBX協議存儲，使用時需要將其解碼到標準RINEX格式。本文介紹了U-Blox 6接收機原始數據的數據包結構和解碼原理，對實測數據成功進行了解碼;并介紹了GPS定位的數學模型，對消參數法進行了詳細的分析，對解碼后的數據進行了靜態/動態偽距單點定位和差分定位。定位結果顯示，采用站間單差后點位誤差減小50%，運動點位軌跡更加平滑，說明站間單差能顯著提高定位精度。

GPS原始數據;解碼; UBX;單點定位;單差;消參數法

王君剛( 1990—)，男，碩士生，主要研究方向為GNSS定位。E-mail: wangjungang2009@ yeah．net

P228．4

B

0494-0911( 2015) 11-0024-04

王君剛，王解先，陳俊平，等．U-Blox 6接收機解碼與定位測試［J］．測繪通報，2015( 11) : 24-27．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0338

2014-11-10