GPS原始數據解析方法研究

邢旺

Research of Decoding Method for GPS Raw Data

摘要：分析了GPS OEM板卡輸出的二進制原始數據格式，提出了一種二進制原始數據的解析方法，通過C++軟件編程實現了觀測值、定位結果等信息的提取。討論了二進制原始數據文件向文本文件的轉換方法，并利用此方法編寫原始數據解析軟件，初步判斷測量數據的質量。通過處理測量數據驗證了解析方法的正確性與實用性。

Abstract： The format of GPS raw data exported by GPS OEM board is analyzed. A decoding method of raw data is put forward. The observation and position data is displayed by C++ program. The method of converting raw data file to text file is discussed， as well as the decoding program of raw data is accomplished. Both the analysis and the experiment can prove the correctness and the practicability of the decoding method.

關鍵詞：GPS；二進制；原始數據；格式轉換

Key words： GPS；binary；raw data；format conversion

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0276-03

0 引言

GPS是20世紀70年代美國國防部研究與創建的新一代衛星導航與定位系統，現階段基于GPS的定位導航終端已被廣泛應用于軍事安全、大地測量、航海航空、氣象服務、物流交通等領域。GPS導航接收機輸出的數據格式主要包括NMEA-0183格式和二進制原始數據格式，二進制原始數據具有節省存儲空間的優點，并且能夠包含星歷、偽距、載波相位等信息，但需要對原始數據做解析處理后才能獲得直觀的觀測與定位數據，所以研究二進制原始數據的解析方法具有重要意義[1]。本文首先分析二進制原始數據結構，并通過編寫原始數據解析軟件，為二進制原始數據的解析提供了依據。

1 數據格式分析

衛星導航接收機輸出的原始數據格式往往因生產廠家而異，本文以JAVAD公司生產的JNS-100接收機板卡為例，并對其輸出的GPS二進制原始數據結構進行分析。二進制原始數據并不是接收機所默認的輸出數據，需要通過向接收機發送指令，才能輸出所需要的原始數據。命令的發送可以使用串口通訊軟件實現，具體設置命令可參考接收機廠家提供的數據手冊。

每條觀測數據通常由三部分組成：數據頭、數據體和數據尾。數據頭因觀測信息的不同而不同，長度為5個字節，以5個16進制標識符表示，其中前兩個字節為觀測信息標識，后三個字節為數據體的長度。數據體用多個16進制標識符表示相應的觀測數據，最后一個字節為校驗和。數據尾長度為1個字節，用16進制標識符的0x0A表示。多條不同的觀測數據連接在一起組成一幀原始數據，通過接收機的串口發送給數據記錄器。本文所設置的每一幀二進制原始數據所包含的信息如表1所示。

其中，“～～”表示當前一天中的時間，數據體中包含4個字節時間信息，其值為0-86400000ms；“RD”表示當前日期，數據體中包含4個字節長度年、月、日信息；“SI”表示衛星PRN，數據體中包含當前所有可見衛星PRN，每一個衛星PRN以1個字節表示；“RC”表示偽距，數據體中包含所有可見衛星的偽距時間信息，每一個偽距時間信息以8個字節表示；“CP”表示載波相位，數據體中包含所有可見衛星的載波相位時間信息，每一個載波相位時間信息以4個字節表示；“PV”表示當前位置和速度，數據體中包含笛卡爾坐標系下的位置和速度觀測值，位置數據X、Y、Z分別由8個字節表示，速度數據vx、vy、vz分別由4個字節表示；“DP”表示精度因子，即DOP值，數據體中包含水平位置、高程、時間的精度因子，分別由4個字節表示[2]。分析完一幀數據的結構，便可對其進行解碼。

2 解析方法和軟件實現

數據記錄器中會保存相應的原始數據文件，通過USB下載線將數據文件下載到計算機后，可以利用VC++編寫數據處理軟件進行數據解碼。數據解碼流程如圖1所示。

利用C++文件流函數fopen將原始數據文件以二進制形式打開，然后用fread函數按字節讀取二進制原始數據，當查找到數據頭“7E 7E”，即ASCII碼的“～～”時，開始將數據保存到變量中，直到再次遇到數據頭為止。完整的一幀原始數據如圖2所示。

一幀原始數據的長度不是固定不變的，具體的字節數取決于當前的可見星數。其中，偽距、位置的數據類型為雙精度浮點型（double），載波相位、速度和精度因子為單精度浮點型（float），原始數據的存儲按照小尾端機制（Little Endian Format），即低位優先順序，當接收到的某個觀測值需要多個字節表示時，在解碼過程中應當先將數據的各個字節倒序排列[3]，以速度觀測信息為例，當原始數據文件中表示速度的4個字節為0x13 0x89 0x94 0xC0時，需要將順序轉換為0xC0 0x94 0x89 0x13，然后將16進制數轉換為float型。浮點型數據以二進制形式表示時，涉及符號位、階數和尾數[4]，如果展開成多位二進制數后再進行轉換較為復雜，本文利用一種簡單快捷的方法，轉換代碼如下：

vxbyte.Format（"%02x%02x%02x%02x"，byte[3]，byte[2]，byte[1]，byte[0]）；

sscanf（vxbyte，"%lx"，&vx;）；

其中，byte型數組用以存儲速度的原始數據，vxbyte為字符串類型，用以存儲轉換順序后的速度數據，vx為float型，用sscanf函數轉換后可以得出vx的值為-4.64173m/s。另外，由于本文所用接收機板卡偽距和載波相位原始數據都是以時間信息表示，需要根據公式進行計算。偽距RC的計算公式為：

RC=c·prRC （1）

c為光速，單位為m/s，prRC即原始數據解算后的偽距時間信息，單位為s。

載波相位CP的計算公式為：

CP=（rcp+prRC）·FLn （2）

rcp為原始數據解算后與載波相位相關的時間信息，FLn為載波頻率，本文中只用到GPS的L1頻段，所以FLn取值為1575.42MHz。

對完整的一幀原始數據進行解碼計算后，得出的所有參數值如表2所示，然后即可方便地進行進一步處理，也可利用該方法繼續編寫較為復雜的上位機軟件。

3 應用實例

將某次測量的數據文件從數據記錄器下載到計算機中，然后利用VC++編寫的數據處理軟件處理，數據處理程序界面如圖3所示。

首先打開原始數據文件，點擊分析后即可生成解碼數據文件。本文將解析數據保存為文本文件格式，解析后的部分數據展示如圖4所示。

衛星的幾何分布取決于可見星個數及其相對于用戶設備的幾何分布，而且DOP值的大小與GPS定位的誤差成正比，DOP值越大，定位誤差越大，定位的精度也就相對降低，故分析試驗過程中的可見星數與DOP值的大小具有一定的意義[5]。可見星數與HDOP和VDOP的曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，試驗過程中可見星數最少為8顆，最多為10顆，搜星狀況比較良好，水平位置精度因子HDOP和高程精度因子VDOP在測量過程中均小于2，初步判斷本次測量中所使用的GPS接收機工作情況良好。

4 結束語

本文分析了GPS OEM板輸出的二進制原始數據結構，并利用VC++進行軟件編程，實現了一種簡單高效的原始數據解析方法，通過對測量的GPS二進制原始數據解析，可以獲得較為直觀的觀測數據，驗證了解析方法的正確性，同時還能基于該解析方法，編寫較為復雜的數據質量檢測軟件及測量數據顯示軟件，既能節約成本，也對測量數據的處理與評估提供依據。

參考文獻：

[1]劉海穎，王惠南，陳志明.衛星導航原理與應用[M].北京：國防工業出版社，2013.

[2]JAVAD GNSS.GNSS Receiver External Interface Specification[S].2016.

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

[4]李萌，胡紹林.一種解碼接收機原始二進制數據的方法[J].2014，39（3）：59-61.

[5]謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社，2009.