GNSS天線陣列接收機數據采集與解碼的實現及應用

鄒進貴，李 勇

(1.武漢大學測繪學院測量工程研究所，湖北武漢430079;2.精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北武漢430079;3.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢430071)

一、引 言

在變形監測領域，GNSS定位技術優點突出，然而監測型GNSS接收機價格較高，如果采用一臺主機連接一個天線的模式，建立一個較大型的監測系統，需要很高的成本。為了大幅度降低監測成本，本文針對GNSS天線陣列接收機開展研究，采用商業化的GNSS OEM芯片，自主研制了可以進行靜態與實時動態數據與解碼的GNSS天線陣列接收機，該接收機最多可以連接8個天線。

GNSS天線陣列接收機通過微處理器來進行電路控制，實現多個天線的切換和對觀測數據的采集。圖1為GNSS天線陣列接收機電路設計示意圖。

圖1 電路設計示意圖

根據監測需要，選擇了美國天寶公司的BD970 OEM模塊作為GNSS天線陣列接收機的數據采集工具。該模塊經嚴格測試，可在各種環境下正常運行，可靠性高，易于集成，不僅支持包括GPS L2C、L5，以及GLONASS L1/L2信號在內的各種衛星信號，而且能夠跟蹤GIOVE-A和GIOVE-B試驗衛星，用于信號評估和測試。圖2為研制的GNSS天線陣列接收機。

圖2 GNSS天線陣列接收機

二、GNSS天線陣列接收機數據采集與解碼實現

GNSS天線陣列接收機數據采集系統是一個集成遠程系統。其中，硬件部分包括GNSS天線陣列接收機、GNSS信號放大器、數據傳輸設備(如GPRS或CDMA模塊、無線局域網等)，以及計算機控制系統;軟件部分包括采集系統控制軟件、解碼軟件和數據庫管理等。

1.GNSS天線陣列接收機數據采集系統架構

根據變形監測的需求，監測點分為基準點和變形點，在變形監測過程中，在基準點上架設傳統GNSS接收機，在變形點上安裝天線并連接到GNSS天線陣列接收機，根據監測現場的實際情況選擇相應的數據傳輸方法，從而實現監測數據的遠程自動采集。系統整體架構如圖3所示。

圖3 GNSS天線陣列接收機數據采集與解碼系統架構

2.GNSS天線陣列接收機數據的接收和解碼

GNSS天線陣列接收機數據采集系統的主要部分是對靜態觀測數據進行解碼，生成標準RINEX格式文件，便于后續數據處理。本文研制的GNSS天線陣列接收機不僅能夠接收GPS衛星信號，還可以接收GLONASS衛星信號。在進行靜態測量時，如果只接收GPS衛星信號，則輸出RT17格式數據;如果同時接受GLONASS衛星信號，則輸出RT27格式數據。兩種數據都是二進制格式，而且差別很大，因此靜態數據采集模塊必須能夠智能識別數據格式，并調用相應模塊進行解碼。

BD970 OEM模塊定義了大量的二進制消息數據包，每個包具有特定的功能，二進制消息結構也是嚴格定義的，每個消息都由開始數據頭、信息數據塊、校驗和及結束標識組成，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，可以很方便地實現GNSS天線陣列接收機和其他設備之間的通信。

表1 GNSS天線陣列接收機二進制消息格式

系統實時進行數據采集和解碼，在數據采集過程中，原始數據采用串口方式進行接收，靜態數據接收與解碼的流程如圖4所示。

圖4 靜態數據解碼流程

為了能夠正常進行靜態數據解碼，首先要保證靜態原始數據的正確接收。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立實現各個接收機的數據采集，互不干擾。打開串口后，端口進行初始化并開始監聽，當有數據傳輸時，觸發消息響應函數OnCommunication()來實現原始數據接收，同時該函數自動調用解碼模塊進行對應接收機的數據解碼。串口通信部分設計的主要函數與功能見表2。

表2 串口通信主要函數

如果觀測數據是遠程傳輸的，可在計算機上利用網絡映射出多個虛擬串口，實現不同測站數據的接收、解碼和RINEX文件的生成。

為了保證解碼數據的正確性和可靠性，在進行實際解碼前，需要對接收到的數據作進一步的檢查和校驗。只有當校驗通過后，才會進行解碼，在解碼過程中，也會根據數據包信息進行標識性校驗，如頁碼校驗、數據標識校驗等，只要有一項校驗沒通過，則舍棄該數據包。在數據信息解碼完畢后，也會對解碼結果進行檢驗，若發現異常，則不寫入RINEX文件。

在本系統中，根據數據格式不同，靜態數據解碼分為RT17和RT27兩種，但數據接收方法一樣，系統會根據數據格式類型智能選擇對應函數進行解碼。靜態解碼主要函數見表3。

表3 靜態解碼主要函數

在觀測過程中，系統接收串口消息，通過ReadTRIMTSIP()函數檢測數據包的開始標識符，確認同步后開始存入緩沖數組，直至整個數據包被完整接收;然后通過函數進行校驗和檢驗，如果正確則進入解碼過程，實現各個測站觀測數據的實時解碼和存儲。

三、數據采集和解碼測試

系統研制完成后，對系統靜態觀測數據采集功能進行了多次測試，都能夠穩定生成RINEX文件。在此基礎上，將本文研制的數據采集與解碼模塊應用到某尾礦壩的監測中，通過遠程傳輸，在原始數據傳輸到本地后，為驗證采集數據的正確性，除利用本系統的解碼模塊進行解碼外，還采用了某公司專門的數據采集軟件進行解碼。比較兩個系統生成的RINEX文件，發現同一歷元的觀測值是一樣的，說明了本系統靜態解碼模塊的正確性。圖5為該尾礦壩的監測網。其中，0973號點為穩定區域的基準點;0976為尾礦壩旁邊小山上的變形點;其余3個變形點位于尾礦壩上，構成了一個變形監測網。變形監測網中各個點的初始坐標為WGS-84坐標系下的坐標。

圖5 靜態監測網圖

變形監測采用靜態測量模塊自動進行數據采集，分別按照兩種不同的采樣率、不同的時段長度(1 h、2 h和6 h)進行了采集，系統均能穩定地接收數據并解碼，并生成標準的RINEX文件。選取了3期數據，利用Leica Geo Office軟件進行了比對處理，各個點的位移量見表4。

表4 靜態測量數據計算的位移量 mm

從表4可以看出，X方向絕對值最大為5.4 mm，Y方向絕對值最大為5.1 mm，Z方向絕對值最大為2.2 mm，與其他監測方法得到的變形量一致。

四、結束語

GNSS天線陣列接收機數據采集系統能夠大幅度降低GNSS技術應用于變形監測的成本，選擇適當的數據傳輸方法，可以實現GNSS天線陣列數據的遠程采集和解碼，從而滿足遠程監測的要求。通過試驗與應用，表明GNSS天線陣列接收機數據采集與解碼模塊得到的數據是準確、可靠的，可廣泛應用到大壩、滑坡、尾礦和橋梁等工程的變形監測中。

［1］于捷杰.GPS多天線變形監測系統研究與實現［D］.南京:南京航空航天大學，2008.

［2］廖群，鄭建生，王新洲，等.GPS天線陣列變形監測系統設計及應用［J］.測繪科學，2006，31(3):67-68.

［3］ZOU Shuangchao，WANG Xinzhou，ZOU Jingui，et al.Research on Application of GPS Multiantenna Array Deformation Monitoring System［C］∥GNSS 2005 Conference.Hong Kong:［s.n.］，2005.

［4］ZOU J G，LI Q，LUO K，et al.The Research of DC Algorithm in GNSS Deformation Monitoring and Its Application［C］∥The 6th International Symposium on Digital Earth.Beijing:［s.n.］，2009.

［5］鄒進貴，邱衛寧，徐亞明，等.GNSS天線陣列接收機與無線傳感器網絡在災害監測中的集成方法研究［J］，測繪通報，2010(2):11-13.

［6］隋建波，趙靜，陳秀萬，等.GNSS軟件接收機關鍵技術研究及實現［J］.科學技術與工程，2008，8(16):4467-4472.

［7］冉崇憲，鄒進貴，王新洲，等.基于GPS天線陣列技術的變形監測系統研制［J］.測繪通報，2006(8):28-30.

［8］葉虎春，聶桂根，楊建會，等.高精度GPS數據在線處理系統的研究［J］.測繪通報，2013(5):16-19.

［9］李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理［M］.武漢:武漢大學出版社，2010.

［10］徐瑩，聶桂根，呂喬森.GNSS在線數據處理系統的比較與分析［J］.測繪通報，2010(12):30-33.