基于BD970 OEM板的精密單點定位功能實現

李涌濤,李建文,魏絨絨,蔡 巍

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001；2.西安測繪總站，陜西 西安 710054；3.西安航天天繪數據技術有限公司，陜西 西安 710054)

隨著全球定位系統的發展，GNSS應用也愈加廣泛，尤其在接收機及板型設計上尤為突出。目前市場上的接收機價格相對昂貴，其可分為3種：第一種用于智能交通，定位精度為米級，這種接收機主要以接收GPS單頻信號為主，此類接收機技術比較成熟，價格在幾百元到幾千元不等；第二種是定位精度為分米至厘米級，現主要用于農業、林業、航海、航空等領域，價格幾萬元左右；第三種定位精度為毫米級水平，主要用于高精度控制網布設、變形監測等精密測量領域，價格十幾萬元左右[1，3]。

上述分析中，第一種接收機定位結果為米級，由于技術和接收機成本低，僅依靠導航定位系統和簡單的接收機就能滿足其精度，廣大用戶綜合考慮性價比一般選擇使用此類接收機。第三種接收機測量結果準確，由于接收機構造復雜并且開發技術難度高，只有少數專業級測繪用戶使用。第二種接收機其定位精度以及接收機實現難度均適中，定位精度能夠更好地滿足用戶需求，是未來導航發展研究的一個熱點。隨著導航定位系統的不斷完善和定位技術的不斷成熟，此類接收機將會逐漸替代第一類接收機占據大量市場份額[2]。精密單點定位技術(Precise Point Positioning，PPP)利用精密衛星軌道和鐘差改正信息，通過單臺雙頻接收機就可以實現全球范圍高精度定位。目前市場上的接收機大多不具備實時PPP功能，一是由于PPP的應用主要基于PC端實現事后解算或采用靜態模擬動態的技術模式，在實時性、動態性方面難以保證實際工作中的需求[4]；二是在實時PPP的研究中，科研人員無法將自己的算法植入到接收機內部進行驗證；三是實時PPP技術的實現需要依賴外部實時改正信息，而一般機構尚不具備發布實時改正信息的平臺。

本文針對以上實際問題，從科研和實際應用角度出發，自主研制軟件平臺開放的測量型GNSS接收機。綜合選用Trimble BD970 OEM板和Raspberry Pi單板計算機搭建嵌入式接收機平臺，具備實時精密單點定位功能和標準單點定位功能。該接收機支持算法程序的移植和寫入，可作為軟件測試平臺，檢測接收機的各項性能。因此，基于OEM板的測量型GNSS接收機的實現具有極其重要的意義。

1 接收機系統設計

TrimbleBD970 OEM板捕獲并跟蹤衛星，對接收到的衛星信號經過放大、混頻、A/D變換等處理，得到觀測數據和廣播星歷數據，把數據經過TrimbleBD970 OEM板的標準I/O口以串行方式輸出。RaspberryPi對BD970 OEM板采集的原始觀測數據及廣播星歷進行解碼和存儲，根據設定的工作模式進行PVT解算，在LCD液晶屏上顯示接收機基本狀態信息。Raspberry Pi安裝由樹莓派官方發布的Debian Linux操作系統，軟件設計在Raspberry Pi的Debian Linux系統上完成[5-6]。系統設計如圖1所示。

圖1 接收機系統設計圖

接收機工作流程：

1)信號采集：采用專用測量型天線接收衛星雙頻載波信號，對信號進行濾波、前置放大處理，經饋線將預處理后的射頻信號傳輸給BD970 OEM板[7]。BD970 OEM板對信號進行混頻、A/D轉換后，對信號進行捕獲、跟蹤、鎖定、解碼等處理得到原始觀測數據和廣播星歷數據，通過BD970 OEM板的以串行方式將實時二進制數據輸出；

2)實時數據接收及解碼：Raspberry Pi單板計算機對從GNSS OEM板接收到的實時二進制數據流需要解碼，獲得進行定位解算所需要的觀測數據和廣播星歷。通過無線網絡接收iGMAS播發的實時改正數據信息；

3)PPP定位處理：Raspberry Pi單板計算機對BD970 OEM板的實時數據流進行解碼，與接收到的iGMAS數據匹配后做PPP解算處理，并根據用戶需要將數據以RINEX格式存儲在RaspberryPi單板計算機內存上，為事后處理提供數據依據。

2 解碼及數據質量分析

BD970 OEM板提供CMR、RTCM、RT27[8]和Binex[9]等多種二進制數據格式，受數據協議保密性的限制，前3種數據格式不能完全解碼多系統數據，因此采用Binex二進制數據進行解碼。Binex數據格式是由 UNAVCO 社區和部分接收機制造商合作完成的一種用于GNSS 研究的二進制格式標準，具體數據可參考其官方網站相關文檔。Binex數據解碼流程如圖2所示。

圖2 Binex實時數據流解碼流程圖

定位解算中需要考慮多方面因素：接收機本身數據精度、外部獲取的數據精度、接收機噪聲影響等，數據質量直接影響解算結果精度，因此必須做相應的檢驗與控制，以此保證SPP與PPP數據處理精度[10]。本文數據為2017-06-24接收機采集的12 h數據，采樣率為1 s，基于TEQC和RTKlib軟件對數據質量進行評估。

評估結果如表1所示，其中數據利用率為99%，多路徑MP1和MP2分別為0.34、0.21，相鄰周跳歷元為25 940。采用RTKlib對當天的數據處理結果，圖3表明接收機收到的衛星在一定時間內連續，其定位跟蹤模塊較為完善；圖4為相應衛星的全天軌跡圖，反映該時段內衛星的運行狀態及幾何分布；圖5為衛星DOP值，其中PDOP、VDOP、GDOP、HDOP較小，定位精度高[11]；圖6反映接收機衛星的信噪比狀況，90%高于35 dB，觀測質量較好，其多路徑與TEQC分析結果一致；圖7為單點定位結果，其N、E方向定位均在2 m以內，U方向5 m以內；圖8反映單歷元可用衛星數據及Ratio值[12]，分析結果表明：數據質量能夠滿足高精度數據處理需求。

表1 TEQC數據分析報告

3 PPP實驗

利用偽距和載波相位觀測值，使用iGMAS提供的實時軌道和鐘差產品，采用消電離層組合觀測方程， 通過擴展Kalman濾波進行參數(包括接收機位置參數、鐘差參數、天頂對流層濕延遲和模糊度參數)最優估計[13]，對各項誤差采用模型進行改正，解算策略如表2所示[12]。

圖3 衛星出現時段圖

圖4 衛星軌跡圖

圖5 衛星DOP值

圖6 衛星信噪比、多路徑

圖7 衛星單點定位結果

圖8 單歷元可用衛星及Ratio值

誤差改正項誤差改正模型電離層延遲消電離層組合對流層延遲Saastamoinen模型GMF濕延遲投影函數地球自轉效應Sagnac效應接收機天線相位中心Igs08.atx PCV+PCO+windup地球潮汐改正IERS協議相對論效應IERS協議衛星軌道和鐘差信息工程大學iGMAS分析中心實時改正產品

選取信息工程大學2017-07-08某實驗樓進行實時精密單點定位實驗。當日天氣晴朗，無遮擋，實驗環境良好，實驗時間為08：00—11：30，數據采樣間隔為1s，采樣截止高度角為10°，采用iGMAS提供的實時軌道產品與實時鐘差產品，其鐘差精度優于1 ns，軌道精度510 cm。將該測站的觀測數據當作0速的動態數據進行PPP解算，對其結果進行統計分析，如圖9所示。PPP在X、Y、Z3個方向的RMS分別為0.134 m、0.158 m、0.215 m。

圖9 實時精密單點定位誤差

4 結束語

本文基于Trimble BD970 OEM板搭建接收機試驗平臺，實現了Binex實時數據流解碼，使用TEQC和RTKlib軟件對解碼后的數據質量進行分析，結果表明接收機平臺的數據質量能夠滿足高精度數據處理需求；采用iGMAS提供的實時鐘差產品和實時軌道產品，對實時精密單點定位功能進行驗證，實驗結果表明基于該平臺的實時精密單點定位結果能夠實現分米級定位水平，能夠滿足廣大用戶對測量型接收機的要求。

致謝：感謝信息工程大學iGMAS分析中心給予的幫助和支持。