基于NovAtelGPS接收機的車輛運行軌跡二次開發研究

滿春帆，謝靜，楊偉

（1.西華大學 交通與汽車工程學院，四川 成都 610039，2.四川廣播電視大學，四川 成都 610021）

基于NovAtelGPS接收機的車輛運行軌跡二次開發研究

滿春帆1，謝靜2，楊偉1

（1.西華大學 交通與汽車工程學院，四川 成都 610039，2.四川廣播電視大學，四川 成都 610021）

在Visual Basic 6.0環境下，針對NovAtel Propak-V3型GPS接收機進行二次開發再現研究。將已成熟的GPS坐標轉換技術與幾何學理論、計算機語言結合，對NovAtelGPS接收機所測原始數據進行后處理，并通過VB編輯程序再現接收機的運行軌跡。程序中實現對接收機數據的提取、WGS-84坐標系的轉換、單點誤差修正、差分誤差修正、軌跡模擬、數據存儲等功能。程序界面簡潔清晰、使用方便，可用于記錄車輛行駛軌跡、快速測量道路線形參數。

交通工程；Visual Basic；GPS接收機；坐標轉換；誤差修正

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)08-51-04

前言

NovAtelGPS接收機是NovAtel公司生產的一款產品，屬于全球導航衛星系統（GNSS）組成部分之一。其中，ProPak-V3型號應用廣泛，為具備抗環境能力強的封裝GPS接收機。該套設備可支持USB通信和IMU，具有GLONASS原始數據的輸出功能且有72個可用通道[1]。但存在如下缺陷：①數據形式過于單一，僅局限于測量轉換后計算結果的坐標值；②測量精度單點定位L1最大限標注值為1.8米、L1/L2標注值為1.5米，但在試驗測量中長達5米，與標示不符。由于NovAtelGPS在交通工程相關領域應用廣泛，可以初步對公路定點、路線、汽車運行軌跡、汽車運行姿態進行測量，上

述缺陷對數據結果后期分析影響較為顯著。因此，有必要對其進行二次開發，找到運算過程的中間測量代換值及其數據，并對誤差產生和修正進行探討，以方便日后的理論分析研究工作。

Visual Basic是一種可視化面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言[4]，具有簡明的圖形用戶界面（GUI）、快速應用程序開發（RAD）系統以及便捷的ActiveX控件創建功能，內集成多種可調用轉換的數據庫。本文將試圖應用NovAtelGPS接收機測量，對該儀器配套軟件NovAtelConnect所得數據進行分析；在Visual Basic 6.0環境下編寫一套程序，對NovAtelGPS接收機接受數據進行提取、篩選、轉換和運算。結合平面內有限點集形心坐標算法，對數據誤差進行修正；同時，對車輛實際運行軌跡進行動態模擬。

1、二次開發原理及軟件設計關鍵技術

二次開發基于NovAtelGPS接收機通過標準定位服務（SPS）采集所得原始數據。GPS接收機定位技術關鍵在于GPS衛星發射的無線電信號。GPS衛星播發兩個頻率的載波無線電信號：L1=1575.42MHz和L2=1227.6 MHz。L1載波調制含有1.023MHz的粗捕獲碼（C/A碼）、10.23MHz的精碼（P碼）及每秒50bit的導航電文。L2載波僅調制P碼和導航電文。由于SPS水平定位精度為100米（95%的置信度），誤差數值數量級不穩定，因此修正前，運用NovAtelGPS接收機測量并進行誤差性狀觀測，設計相應修正改良方案。

圖1為二次開發總方案設計路線。

1.1 數據錄入

為確保計算結果的準確性，將NovAtelGPS測量所得原始數據錄入二次開發的軟件中時，用戶應根據軟件對話框提示遵守相對應操作順序執行。其中，單點測量數據值錄入時間上應先于動點軌跡數據值。單點誤差修正值計算對同一點進行兩次測量，結合平面內有限點集重心原理，將測量點集轉化為單點并擬算出修正值。動點差分修正值計算運用位置差分原理得出相應差分修正值。其中，基準站坐標值在單點修正結果的基礎上算得。數據錄入軟件時，應確保前后測得的兩組數據組均輸入完整，再計算單點誤差修正值。原始數據錄入時文件格式應轉化為VB軟件可以識別的ASCII碼或記事本格式。

1.2 坐標轉換的實現

GPS所發布的星歷參數基于WGS-84空間坐標系，由NovAtel GPS接收機測得點的坐標值也基于此坐標系，不能直接用于平面數據計算及存儲。需經歷兩次坐標系轉換。

將WGS-84空間坐標系轉換成大地坐標系。大地坐標系采用大地經度L、大地緯度B和大地高H描述空間位置。大地緯度為空間點與參考橢球面法線與赤道面的夾角，大地經度為空間點與參考橢球自轉軸所在面與參考橢球起始子午面的夾角，大地高為空間點沿參考橢球法線方向到參考橢球面的距離。根據公式（1）可實現WPS-84空間坐標與大地坐標之間的轉換：

將大地坐標系轉換為平面高斯坐標系。高斯坐標系利用高斯-克呂格投影，將三維坐標系轉化到二維平面內，可簡化數據的存儲和計算。根據公式(3)、(4)可實現大地坐標與高斯坐標之間轉換：

式中，m0=(L -L0)cos B ，t=tanB，η2=(e＇)2cos2B 。

B——所求點的緯度；

L——所求點的經度；

Np——通過該點的卯酉圈曲率半徑；

坐標轉換采用VB中包含的對話框程序編輯方法實現。用戶根據Visual Basic 軟件提示選擇相應高斯帶類型及帶號。選擇高斯帶帶號時，需根據實際測量點的具體位置查定。如輸入帶號超出測點經度帶范圍，程序提示錯誤；強行運行將導致軌跡圖形投影失真，但不影響坐標點運算結果正確性。

1.3 軌跡顯示及誤差計算

GPS單點測量主要誤差包括衛星誤差、傳播誤差和接收器誤差三部分。動點測量主要誤差來源為接收器誤差和少量的傳播誤差。消除誤差經典模型主要包括[2]：偽距/載波相位測量組合改正法、Hopfield模型等。經典模型主要針對造成GPS衛星傳播過程中造成的誤差進行修正，達不到整體改良的目的。本文單點誤差修正模型中，以測得的第一個點作為計算原始數據，通過NovAtel GPS接收機重復多次測該點坐標以獲得坐標修正值（△X，△Y）。

根據重心法則計算該測量點的中心坐標。由幾何學形心公式可得，在一個平面區域中平面空間中有限點集的形心坐標[7]為：

其中，n為測量同一點次數。對測量值與精確值取差得修正值。

動點誤差修正采用位置差分法[7]。

1.4 數據的存儲

程序計算完成后，運用文件調用方法編輯實現。程序運行前，應在Visual Basic 菜單選項中對Excel進行勾選。如數據龐大，則Excel讀入耗時長，讀入數據過程中不能干擾Excel文件。

為保證數據存儲的方便及準確，讀入Excel固定文件“實驗測量數控.xls”。讀入時文件自動打開，可觀測到讀入過程。

2、軟件設計及主要功能

軟件的總體結構簡單直觀，操作過程集中于同一界面。邏輯組成：①GPS原始數據文件類型判定；②GPS原始坐標、時間數據的提取；③空間坐標向平面坐標的轉換；④平面軌跡的模擬；⑤單點測量坐標誤差值修正；⑥位置差分坐標誤差值修正；⑦處理后數據的儲存。

軟件設計主要實現相關數據提取、坐標轉換、誤差計算、軌跡模擬、處理后數據存儲等功能。軟件設計流程如圖2：

該程序設計結構主要包含以下模塊：①GPS原始數據路徑及顯示。從PC機中尋找原始數據文件，選擇類型錯誤時提示重選；②WGS-84坐標系。提取文件原始WGS-84空間坐標系下的（X，Y，Z，t）值，顯示于列表框中；③大地坐標系。完成空間坐標系下的坐標值與大地坐標系下經緯度和高程值的轉化；④高斯坐標系。提示用戶選擇相對應的地理帶，并在相應緯度帶下換算成高斯坐標系的平面坐標（X，Y）值；⑤相對坐標系。高斯坐標平面值轉換為可在軟件界面中顯示的相對坐標（X，Y）值；⑥誤差校正計算；⑦軌跡模擬/數據存儲。

在具有奔騰II以上CPU64兆以上內存、10G 以上硬盤

的PC 及其兼容機上，使用WINDOWS 98 及其以上的操作系統打開程序，坐標轉換后數據及靜態點測量顯示如圖3，汽車運行動態數據運算及運行軌跡顯示如圖4，運行動態數據存儲顯示如圖5。

3、軟件優點

3.1 界面簡潔清晰

程序實現所有功能均在同一窗體內，界面簡明友好，操作者容易掌握。同時，程序內部設置一定數量的對話框，對使用者的操作進行提示和引導，幫助使用者及時發現并糾正關鍵性步驟的錯誤操作。

3.2 中間數據的顯示

對于軟件中可實現的一切功能及軟件中所包含的一切模塊，界面中均可明確清晰的顯示。許多軟件測量結果雖然精確，但是未給出中間數據，雖然在工程測量中可以進行應用，但在理論研究或是科研教學上應用局限性大。本程序從數據提取開始，每次計算的結果均可顯示在界面內，既方便數據的對比，也有利于分析奇異數據。

3.3 輔助功能便捷

軟件不但能夠實現坐標數據的轉換、存儲功能，還可根據計算結果繪制軌跡模擬圖，便于計算和分析過程中的直觀檢驗。計算結果數據直接存入已設置好的Excel表格或其他形式的數據庫中，方便查找。

4、結束語

利用Visual Basic軟件,編制出一套運行程序，對GPS接收器的原始數據進行整合和處理，并完成了軌跡的模擬和誤差的調整。同時，可將中間過程及計算結果數據轉存入文件中。在理論分析中有良好的推廣價值。由于VB語言系統基于事件驅動，并能夠較容易的與數據庫鏈接，在語言設計、數據調用和后期維護上都具有簡單實用的特點。可實現NovAtelGPS測量過程和PC機理論分析過程的結合，從而得到詳細的中間分析數據和更加精確的修正結果。

[1] 張小紅，郭斐，李星星，林曉靜. GPS/GLONASS組合精密單點定位研究[J].武漢大學學報，2010.1（35）.9-12.

[2] 劉基余．GPS衛星導航定位原理與方法（第二版）[M]．北京：科學出版社，2008．23-35.

[3] 張守信，黃學德．GPS技術與應用[M]．北京：國防工業出版社，2003．

[4] Van Dicrendoneck.A.J., Fenton P., and Ford.T (1992). “Theory and Performance of Narrow Correlator Spacing in a GPS Receiver.”Nacigation, 39(3):265-283.

[5] 楊明廣，王秀華.Visual Basic程序設計教程[M]．北京：中國科學技術出版社，2006.11.

[6] Qiu P.L., Zheng S.S., Yao Q.D. “Adaptive Nonlinear Filter Techniques for Interference Suppression in Spread Spectrum Systems”[J]. Journal of China Institute of Communications, 1995:02.

[7] 周紅進,許江寧,李方能. GPS衛星位置計算及精度鑒定方法研究[J]. 計算機測量與控制. 2005(11) .

[8] Lachapelle.G., Cannon M.F., and Lu G.(1992). “High Precision GPS Navigation with Emphasis on Carrier Phase Ambiguity Resolution.”Marine Geodesty, 15(4):253-269.

[9] 鐘丹星,鄧新蒲,周一宇. 基于WGS-84橢球模型的衛星測時差定位精度分析[J]. 電子對抗技術. 2002(05).

[10] Jin SG，Wang J, Park PH. An improvement of GPS height estimations: Stochastic modeling. Earth Planes Space, 2005(57):253-259.

[11] 劉志紅．平面圖形幾何性質計算方法研究[N].安陽工學院學報，2011，10（4）：57-59.

[12] Leach.M.P., and Hyzak.M.D.(1994). “GPS Structural Monitoring as Applied to a Cable-stayed Suspension Bridge.” Proc. Int. Fed. Of Surveyors(FIG) 20th Congr., Melbourne, Australia, 606.2/1 606.2/12.

Secondary Development Research of Trajectory Reappearence based on NovAtelGPS Receiver

Man Chunfan1, Xie Jing2, Yang Wei1
(1. Xihua University, School of Traffic and Vehicle Engineering, Sichuan Chengdu 610039；2. Sichuan Radio and TV University, Sichuan Chengdu 610021)

This paper uses Visual Basic 6.0 programming software to exam Propak-V3 NovAtel GPS receiver’s function, and developes a secondary research of NovAtelGPS to enhance its measurement accuracy and reproduce its built-in programs. The article combines matured GPS coordinates conversion technology with geometry theory and computer language. Compiled program in this paper has achieved several functions include data extraction, conversion of WGS-84 coordinate system, single point error correction, differential error correction, trajectories simulation, retention of data and so on. Program is designed convenient to use, its interface is simple and clear, and can be used to record car running tracks and to fast measure road linear parameters.

Transportation Engineering；Visual Basic, GPS receiver；conversion of coordinate；error correction

U462.1

A

1671-7988(2014)08-51-04

滿春帆，碩士研究生，就讀于西華大學交通與汽車工程學院。基金項目：西華大學研究生創新基金項目, 西華大學汽車測控與安全四川省重點實驗室開放研究基金資助項目 (szjj2011-031)。