NovAtel OEM6板原始數據向Renix格式轉換程序設計

高仁強等

摘 要：不管是在GPS動態定位還是在GPS靜態定位解算中，都需要以衛星導航數據和接收機觀測數據作為基礎數據，由于各個GPS主板生廠商所生產的接收機的原始數據格式不盡統一，而且大多數的廠商都只是提供了針對自己廠商的接收機的配套數據處理軟件，為了將不同型號接收機進行聯合作業和數據的統一處理，対各個接收機的數據格式進行統一也就顯得很有必要（本文原刊于煤礦開采雜志2014年5月）。

關鍵字：GPS原始數據；NovAtel OEM6；Renix；串口通信

1 引言

全球定位系統主要由 GPS 衛星星座（空間部分）、地面控制部分（監測網絡）和用戶（接收機）三部分組成。在這三部分中 GPS 衛星是其中最主要的組成部分，它只發射信號，而用戶機部分則只接收信號。GPS信號接收機的任務是能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發出的導航電文，實時的計算出測站的三維坐標，三維速度和時間[1]。而Renix格式文件是GPS測量領域中一種廣為使用的數據格式，絕大部分的數據處理軟件均支持這種格式。在GPS應用廣泛的今天，無論何種GPS接收機，將其特有的數據格式轉換為RINEX格式對于GPS數據的通用性、可分析性都有著重要而實際的意義。在這樣的背景下，本文以NovAtel OEM6主板為例，介紹了NovAtel OEM6板卡與計算機通訊接口的設計及NovAtel OEM6主板原始數據向標準的RINEX數據格式的轉換方法及程序實現過程。

2 GPS原始數據的介紹

GPS原始數據格式隨接收機主板的不同而異。NovAtel公司是目前精密全球導航衛星系統（GNSS）及其子系統領域中，在GPS接收機、GNSS天線生產領域一直是GPS行業的技術領先者和革新者，公司最新的接收機-OEM6系列，提供了高質量的GNSS性能和許多關鍵特性，包括GLONASS量測和定位、GPS現代化、API功能、集成L-波段。NovAtel公司還提供單頻板和雙頻GPS+Galileo雙系統接收機。這項技術對用戶來說非常重要，因為同時跟蹤更多的衛星可增加定位和導航解算的可靠性和可用性，這樣即使是在部分衛星信號被遮擋的情況下，接收機也可以獲取更多的衛星信息，從而使得定位解算結果更為精確有效。本文的接收機原始數據就是通過該公司的OEM6系列主板所獲取的。

1. Renix格式介紹

Renix格式是純ASCII碼文本文件，共包含4種文件：

觀測數據文件：ssssdddf.yyo

導航文件：ssssdddf.yyn

氣象數據文件：ssssdddf.yym

GLONASS數據文件：ssssdddf.yyg

其中ssss---4個字母的測站名；ddd---第一組數據的年積日；f---當天的觀測序號；yy---年份。

觀測數據文件主要記錄有偽距觀測值、相位觀測值和積分多普勒值、觀測值對應的歷元時間等。偽距是由衛星發射的測距碼信號到達 GPS 接收機的接收傳播時間乘以光速所得出的量測距離。相位是在L1和L2頻率上（實際上是在差拍頻率上）的整周內的小數值。根據不同的需要，多普勒值可分別記錄為D1 和D2，以Hz為單位[2]。GPS導航電文是用戶用來定位和導航的數據基礎，主要包括衛星的軌道參數、衛星鐘參數等，具體的參數內容如表2-1所示。GLONASS導航文件主要含有衛星的編號、某一時刻下的坐標、速度、加速度等信息，用以確定衛星軌道的坐標[3]。

2. GPS原始數據的獲取

一般的，GPS接收機需要預先通過向接收機發送交互式指令請求數據，只有在設置指令成功的前提下，GPS接收機才會正常工作并接收指定的GPS信號。一般在GPS定位解算中，用戶必不可少的數據類型主要是觀測數據文件（o文件）和導航數據文件（n、g文件），因此在本文中，我們主要是以獲取原始觀測數據和導航數據（包括GPS和GLONASS衛星）兩種數據為例進行詳細論述，所以對應的指令包括“RANGEA”和“RAWEPHEMA”，“GLOEPHEMERISA”三種類型，其中“RANGEA”指令類型對應的是原始觀測數據，“RAWEPHEMA”對應的是原始GPS衛星導航數據，“GLOEPHEMERISA”對應的是原始GLONASS衛星導航數據。具體的交互式指令可以通過NovAtel OEM6用戶參考手冊文檔獲取，命令的發送可以通過專業串口調試工具或者自己設計的通訊程序完成。在數據接收的過程中，需要注意的是接收機與計算機串口設置的一致性，其中包括通信端口、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位等信息。

NovAtel-OEM芯片輸出的數據格式有三種，分別為ASCII格式、Abbreviated ASCII格式和Binary格式。由于該產品系列的數據信息類型非常多，在我們給接收機發送指令前就需要確定我們用于定位所需要的信息類型，一般我們只需要衛星的原始觀測量信息和導航文件信息。本次試驗中我們采用的是ASCII格式的原始數據（“#RANGE”和“#RAWEPHEM”指令信息）文件，其基本結構如下表2-2、圖2-3所示：

3 NovAtel OEM6與計算機串口通訊程序設計

本實驗采用9針RS-232串口封裝。通常RS-232接口以9針接腳（DB-9）或是25針接腳（DB-25）的形態出現，一般個人臺式計算機上會有兩個RS-232串口，分別成為COM1和COM2。本次試驗我們用的是筆記本電腦，由于筆記本電腦沒有RS-232串口，于是采用串口轉USB線進行測試。

通過使用.NET平臺的Serial Port控件可以實現本地計算機的串口通訊設計。其基本效果以及串口通訊參數設置如下圖3-1 所示：

4 數據解碼方法

GPS原始數據解碼為Renix格式的步驟主要為：首先判斷讀取的指令類型，如果是“RANGE”類型，則可以參考NovAtel OEM6用戶參考手冊文檔了解該指令所對應的的各個參數的含義，并對照Renix觀測數據文件格式進行逐一轉換；如果是“RAWEPHEMA”類型，就需要先在ICD-GPS-200[4]中查找變量的定義，進而求出變量值，求出變量值后還要根據尺度因子進行換算，最后根據Renix導航文件數據格式的單位要求進行單位轉換。

不過在數據解碼的過程中，需要注意以下幾個問題：

1.數據的存儲順序

在GPS導航電文中，第1，2，3子幀數據是以字節形式存儲的，對于某些特殊的參數（如第1子幀的IODC參數），其數據位為10bit，但其分開存儲在第1子幀的第3和第8個字上，如圖3-2所示：

其在還原時需要按照高位在前、低位在后的順序將所有數據位的數字進行合并。

2.校驗位的計算方法

通過這種校驗方式，可以確保用戶接收到的（或傳輸）的數據是有效的，需要注意的是在該板卡的導航電文中的每個字后都有校驗位，因此其每一幀導航電文一共有300bit，有些廠商設計的接收機的導航電文是240bit。

3.數據的符號位

在導航電文中，需要注意的是每個參數的字節數據轉為二進制后，如果該參數在ICD-GPS-200[5]中的子幀參數表里面用*標注，這就是說該變量是用以2為模的補碼形式來表示的數（最高的bit位是符號位），即：如果它大于0，那么因為正數的補碼就是其本身，可以直接求出；但如果它小于0（最高位為1），情況就完全不同，比如1111 1001≠一0111 1001，而等于一（00000110+1）=一0000 0111。要快速求出一個補碼表示的負數的真值，方法為：對于n位二進制數，X真=X補一2n。[6]

5 程序設計

本程序設計與實驗需要開發兩個模塊，分別為原始數據解碼和原始數據轉換為Renix模塊，對應的流程圖分別如下圖5-1，5-2所示。

接收機接收信息后會做出相應的反饋，如返回OK字符串并開始對GPS信號進行接收和處理，通過選擇保存按鈕可以將原始GPS數據文件保存在本地計算機上，然后啟動設計好的Renix格式轉換程序，進行了觀測文件輔助信息和導航文件輔助信息設置，設置原始GPS數據文件為剛剛生成的數據文件其他輸出文件后，便可以得到如下圖所示的Renix2.10數據文件，如圖6-1，6-2，6-3所示：

通過參考標準Renix2.10格式說明可以知道此次轉換數據符合要求，為了確定轉換結果的可靠性，我們再次借用NovAtel OEM6接收機數據處理軟件對原始數據進行轉換和對比，發現結果非常吻合，從而說明，文中所述的原始數據解碼方法行之有效。

值得注意的是，在這次解碼過程中，觀測數據的頭文件中的部分參數未給出結果（如測站近似坐標），這是因為要獲取測站的近似坐標需要再發送特殊的指令如“log com1 GPGGA ONTIME 1”得到，這部分內容不再本文討論范圍內。

7 結論

綜上所述，利用Visual C#可以實現NovAtel OEM6板與計算機通訊程序和原始數據向標準通用的RINEX數據格式的轉換，通過實驗也驗證了程序的可靠性。該方法對不同類型的GPS-OEM接收機的通訊設計和原始數據處理具有實際應用與指導意義（本文原刊于煤礦開采雜志2014年5月）。

參考文獻

[1]劉慶元，余文坤，揚哲，謝文清，劉民選. GPS-OEM板原始數據向RINEX格式轉換程序設計[J]. 礦山測量，2009，05：31-33+36.

[2]陳桂珍，戴建軍. GPS-OEM原始數據向Rinex格式轉換的方法[J]. 測繪技術裝備，2006，04：26-27.

[3]http：//wenku.baidu.com/view/f0f9cf7302768e9951e738f1.html

[4]ARINC Research Corporation.Interface Control Document（ICD）-GPS-2OO[S]，1993

[5]NovAtel Incorporation.OEMV Family Firmware Reference Manual[S]

[6]繼燦，李華貴.新編16—32位微型計算機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，1997.