(安徽三聯(lián)學(xué)院 安徽 合肥 230000)

一、緒論

隨著GPS技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)定位精度的要求越來(lái)越高，用戶總希望在較少人力與物力的條件下快速獲得高精度的位置坐標(biāo)?；贑ORS的網(wǎng)絡(luò)RTK出現(xiàn)，大大減少了勞動(dòng)強(qiáng)度與作業(yè)工作量，用戶只需用一臺(tái)接收機(jī)并訪問(wèn)當(dāng)?shù)氐腃ORS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理中心，處理中心將各個(gè)CORS的原始觀測(cè)值進(jìn)行處理并編碼，通過(guò)一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議播發(fā)給用戶，用戶收到其差分?jǐn)?shù)據(jù)并解碼，即可獲得厘米級(jí)的定位精度。

任何數(shù)據(jù)的傳輸必須依賴其制定通訊協(xié)議，通訊協(xié)議規(guī)定了在不同的計(jì)算機(jī)之間交換信息的格式，以確保發(fā)送方與接收方能夠正確傳輸數(shù)據(jù)。信息傳輸?shù)母袷?協(xié)議)隨著傳輸信息內(nèi)容與應(yīng)用的領(lǐng)域的不同也發(fā)生著變化，國(guó)際上有多種應(yīng)用于差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，比如RTCM,CMR,RTCA，其中RTCM協(xié)議應(yīng)用最為廣泛并以它作為差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)格式。本文對(duì)RTCM與CMR的發(fā)展與數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，利用相關(guān)硬件采集了RTCM數(shù)據(jù)，并對(duì)解碼算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，編寫(xiě)解碼程序，最后驗(yàn)證了解碼算法并對(duì)CORS的觀測(cè)質(zhì)量做出分析。

(一)研究?jī)?nèi)容及意義。差分GPS從提出到技術(shù)成熟的今天，已有幾十年的歷史了，在此期間，各個(gè)國(guó)際組織以及各個(gè)廠商提出了各種差分協(xié)議，每種差分協(xié)議都有不同的應(yīng)用范圍，比如RTCM是通用的差分協(xié)議適應(yīng)于多種差分情況，CMR適應(yīng)于實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位等。在國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者分別對(duì)差分協(xié)議與質(zhì)量分析做出很多研究，但基于CORS站的網(wǎng)絡(luò)差分協(xié)議的解碼與質(zhì)量分析卻很少。本文分別闡述了基于CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的組成與工作原理，系統(tǒng)的介紹了應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)RTK中常用的差分協(xié)議，并對(duì)RTCM數(shù)據(jù)采集方法及其相關(guān)硬件做了介紹，基于Visual Studio 2010平臺(tái)編寫(xiě)C++解碼軟件，最后通過(guò)其解碼數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)CORS站的觀測(cè)質(zhì)量進(jìn)行分析。從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK與解碼的算法有了進(jìn)一步的了解與認(rèn)識(shí)。

二、CORS站差分電文實(shí)時(shí)解碼

(一)差分電文實(shí)時(shí)解碼算法的設(shè)計(jì)。GNSS導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)處理的第一步是RTCM標(biāo)準(zhǔn)電文的解碼，正確解碼可以保證用于定位數(shù)據(jù)的正確性和可靠性。無(wú)論是常規(guī)RTK還是網(wǎng)絡(luò)RTK都需要解碼RTCM，其結(jié)果為進(jìn)一步定位提供原始數(shù)據(jù)，才能得到點(diǎn)位精度較高的坐標(biāo)。上文介紹了RTCM V3.2版本的數(shù)據(jù)格式與數(shù)據(jù)類(lèi)型，由于在新的版本中省去了字節(jié)掃描、字節(jié)滾動(dòng)和字節(jié)取補(bǔ)碼這些操作，所以解碼部分的難度相比原版本有所減少。根據(jù)第三章的描述，一條完整消息包括一個(gè)固定的引導(dǎo)字、消息的長(zhǎng)度信息、消息本身和24位CRC校驗(yàn)碼。

(二)實(shí)時(shí)解碼實(shí)列。RCTM 1004電文實(shí)時(shí)解碼：盡管RTCM定義了整個(gè)通訊格式的框架，但具體的格式和信息傳送次序則由產(chǎn)品提供商自行確定，各廠商可以根據(jù)框架自行確定數(shù)據(jù)發(fā)布的優(yōu)先權(quán)，廠商自定義的格式雖然效率高，但是兼容性差[9]。RTCM V3.2版本中有多種消息類(lèi)型，其中1004與1019電文是GPS網(wǎng)絡(luò)RTK中一個(gè)很重要的電文，1004電文提供了衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)值與偽距觀測(cè)值，1019電文提供了GPS衛(wèi)星星歷。本次解碼僅對(duì)1s采樣率的1004、1019電文進(jìn)行解碼，其他電文根據(jù)RTCM標(biāo)準(zhǔn)解碼流程相同

(三)本章小結(jié)。本章利用第三章采集的RTCM差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并對(duì)其解碼算法進(jìn)行了研究與分析。根據(jù)解碼1019與1004電文，分別得到了GPS中觀測(cè)文件與導(dǎo)航文件的主要內(nèi)容，經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)解碼驗(yàn)證，其結(jié)果與RINEX的結(jié)果完全一致，驗(yàn)證了本文的解碼算法是正確的，

三、CORS站的質(zhì)量分析

隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，利用CORS參考站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，通過(guò)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查，評(píng)估CORS站周邊環(huán)境、了解設(shè)備使用過(guò)程中的老化、故障等原因引起的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降等，并且更有效的掌握GPS參考站的運(yùn)行信息。通過(guò)質(zhì)量分析可以反映出GPS數(shù)據(jù)的電離層延遲、多路徑影響、接收機(jī)周跳、衛(wèi)星信號(hào)信噪比等信息。在利用解碼的數(shù)據(jù)對(duì)信噪比與多路徑效應(yīng)進(jìn)行分析，并將解碼的觀測(cè)值文件與導(dǎo)航文件做一個(gè)偽距單點(diǎn)定位程序，驗(yàn)證其CORS站數(shù)據(jù)質(zhì)量[11]。

(一)信噪比分析。信噪比，是指一個(gè)電子設(shè)備或電子系統(tǒng)中的信號(hào)與噪聲的比列，它體現(xiàn)了當(dāng)前衛(wèi)星狀況的體現(xiàn)，若一顆衛(wèi)星，被建筑物或樹(shù)葉遮擋了，那么對(duì)這顆衛(wèi)星的追蹤會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，信噪比就會(huì)降低，一般的認(rèn)為，在30-40左右是理想的，若低于一定的數(shù)值，這個(gè)觀測(cè)值就將會(huì)被認(rèn)為誤差太大，不做為觀測(cè)值進(jìn)行計(jì)算。

(二)多路徑效應(yīng)分析。多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生是由接收機(jī)收到衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)由建筑物、水面或其它反射物表面、水面或其他反射物表面反射抵達(dá)接收機(jī)天線的干擾信號(hào)。經(jīng)反射的信號(hào)路徑增長(zhǎng)了，其偽距存在的系統(tǒng)偏差，導(dǎo)致定位結(jié)果不準(zhǔn)確[11]。多路徑效應(yīng)對(duì)GPS的L1與L2造成的誤差將達(dá)到0.8米和2.1米,如果能估計(jì)或減弱多路徑效應(yīng)，則可以提高定位。

四、結(jié)論與建議

本文根據(jù)CORS系統(tǒng)的組成與工作原理，闡述了數(shù)據(jù)通信鏈的重要性，并說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)中兩個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題：1.基于TCP/IP的模式下如何通過(guò)Winsock網(wǎng)絡(luò)編程訪問(wèn)CORS獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)2.接收到差分?jǐn)?shù)據(jù)后如何解碼得到觀測(cè)、導(dǎo)航文件與差分改正數(shù)。因此研究其數(shù)據(jù)通信對(duì)差分GPS的算法與接收機(jī)的制造都有很強(qiáng)的實(shí)用性。

本文以CORS系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，其主要的研究?jī)?nèi)容包括：

1、根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外CORS系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)的介紹了CORS站播發(fā)的常用差分協(xié)議RTCM、CMR等具體格式，并比較了它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)。

2、詳細(xì)介紹了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信與Winsock編程如何訪問(wèn)當(dāng)?shù)谻ORS系統(tǒng)，并結(jié)合CORS差分?jǐn)?shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行RTCM數(shù)據(jù)采集。

3、闡述了差分電文實(shí)時(shí)解碼的算法設(shè)計(jì)與分析，并通過(guò)C++編程實(shí)現(xiàn)1004、1012、1019等電文內(nèi)容的解碼。

4、最后對(duì)解碼后的內(nèi)容通過(guò)信噪比分析、偽距單點(diǎn)定位來(lái)檢測(cè)CORS站的觀測(cè)質(zhì)量，并進(jìn)一步驗(yàn)證解碼算法的正確性。

根據(jù)上述的研究?jī)?nèi)容與實(shí)驗(yàn)，本文得到以下結(jié)論：

1、目前國(guó)際上存在多種差分協(xié)議，比如RTCM、CMR等。雖然CMR在動(dòng)態(tài)定位方面比RTCM定位所花時(shí)間更少，但是RTCM所包含的信息量更齊全，為了保證信息的完整性，選擇RTCM作為差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行傳輸更加可靠。

2、當(dāng)流動(dòng)站訪問(wèn)CORS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心的時(shí)候，若不發(fā)送流動(dòng)站的概略坐標(biāo)，CORS系統(tǒng)將播發(fā)1019電文給流動(dòng)站，用于流動(dòng)站的定位。

3、1004電文解碼出來(lái)并不是原始C1,L1,C2,L2觀測(cè)值，C1是由不足一個(gè)整數(shù)的部分加上整數(shù)部分乘以光速得到的，其他觀測(cè)值是通過(guò)與C1的差值得到的。

4、CORS站的觀測(cè)質(zhì)量，比如信噪比、多路徑效應(yīng)，不僅與參考站的選址有關(guān)，還與接收機(jī)天線類(lèi)型等有很大的關(guān)系，所以在CORS站選址的過(guò)程中，不僅要注意周邊的環(huán)境因素，還要考慮硬件的可靠性。