U-Blox 6接收机解码与定位测试

王君刚，王解先，陈俊平，杨赛男

U-Blox 6接收机解码与定位测试

王君刚1，2，王解先1，3，陈俊平2，杨赛男2

( 1．同济大学测绘与地理信息学院，上海200092; 2．中国科学院上海天文台，上海200030; 3．现代工程测量国家测绘地理信息局重点实验室，上海200092)

一、引言

GPS接收机接收到的原始数据以二进制存储，不同类型接收机的原始观测数据格式都不同，这为GPS数据处理带来不便，因此引进与接收机无关的数据交换格式( receiver independent exchange format，RINEX)，对于GPS数据的通用性与实用性都有着重要意义。RINEX格式的数据被绝大多数数据处理软件所支持，是GPS领域应用极为广泛的数据格式。

GPS接收机一般都有随机软件，可将其自定义的原始数据格式转换为标准的RINEX格式，供用户使用。在快速定位时，需要实时获取接收机的观测数据，而多数接收机并无实时提供标准RINEX格式数据的功能，用户只能得到原始的观测数据，并在此基础上进行解码使用，因此有必要研究GPS接收机原始观测数据的解码。GPS数据解码的相关研究较多，包括对原始观测数据的研究［1-2］、对星历的解码［3］、DGNSS差分电文的解码算法［4］，以及对RTCM［5-9］格式差分信息的解码。

作为市面上一种较为流行的GPS接收机，UBlox以其高精度、高灵敏的特性成为导航定位的常用接收机，其最新版本为U-Blox 6。U-Blox接收机能够接收GPS导航数据、观测数据及差分信息，原始数据以自定义的UBX协议格式存储，数据处理时需要先将其解码为通用RINEX格式。本文以UBlox 6接收机为例，介绍了其原始观测数据格式和解码过程，并利用解码后的数据进行了静态/动态伪距单点定位和差分定位，对定位结果精度进行了分析。

二、UBX解码

根据UBX协议，可以从原始的二进制数据中解码出需要的信息。下面介绍UBX基本结构和解码原理。

1．UBX包结构

根据UBX协议，每条记录由记录头、CLASS和ID、长度、内容( Payload)及校检码组成，一条UBX观测数据记录结构如图1所示。

图1 UBX数据包结构

由图1可知，每条记录以十六进制的B5和62开头，第3位是Class，U-Blox 6共有9种Class，第4位是ID。Message ID后是2 Bytes的数据长度，其存储按照低字节序( little endian)存储。每条记录的最后两位是校检码CK_A和CK_B，校检机制为:

校检长度为Class全Payload。

解码时，将读取到的二进制转换为十六进制，如果有两相连数据为B5和62，可判断是一条记录的开头，由Class与ID判断其数据类型，根据相应类型的协议进行解码。每条记录都要进行校检码的校检，校检成功才能说明该条记录是有效的。

2．原始观测数据结构

UBX一个历元的原始观测数据结构见表1。

表1 UBX观测数据结构

即一条观测数据以十六进制的B5、62开始，其Class和ID分别为十六进制的02、10，长度为8+24× numSV，其中numSVn表示本历元的卫星个数。具体内容( Payload)见相应说明书［10］。

三、GPS定位模型

GPS定位主要包括差分模型和非差模型。差分能消除部分误差，减少待估参数个数，而非差模型有利于质量控制，能更方便地对误差进行模型化［11］。下面将介绍伪距单点定位和差分定位的数学模型，以及消参数法的原理。

1．伪距单点定位模型

某历元i、测站k对卫星j的观测方程为

2.1 两组患儿治疗前、后肺功能指标比较 治疗前两组患儿FVC、FEV1、FEV1/FVC水平差异无统计学意义(P>0.05)；治疗后两组患儿FVC、FEV1、FEV1/FVC均高于治疗前，且观察组高于对照组，差异均有统计学意义(P<0.05)。见表1。

式中，Pjk表示伪距观测量; vjk为残差项;( Xj，Yj，Zj)为卫星坐标;( Xk，Yk，Zk)为接收机坐标; δtj、δtk分别为卫星、接收机钟差; Tropjk、Ionoj

k分别为对流层延迟、电离层延迟;εjk为其他误差改正项［12］，包括相对论效应改正、地球自转效应改正等。对式( 1)线性化，组成误差方程［13-15］，由4颗卫星的观测值即可解算测站坐标。

2．伪距差分定位模型

GPS伪距差分系统由一台基准站GPS接收机和一台或多台流动接收机组成，基准站接收机安置在已知点上。由于基准站坐标已知，可计算相应的其他改正项发送给流动站，从而提高流动站的定位精度。若不发送实时改正数，可以事后将基准站与流动站的数据一起处理，采用差分定位的方式计算流动站坐标［16］。

测站k、t对卫星j的站间单差观测方程为

式中，ΔPjk，t为测站k、t对卫星j的伪距观测值之差; Δdj为卫星到两测站距离之差;Δt为接收机钟差k，tk，t之差。可以看出，站间单差消除了卫星钟差项，还能减小卫星轨道误差。此外，当测站距离较近时，大气环境相似，ΔTropjk，t、ΔIonojk，t比较小，能够进一步提高定位精度。

3．消参数法

由观测方程式( 1)或式( 2)，可得第一个历元的法方程为

此时法方程只有坐标项，迭代至收敛即可。

静态解需要将每个历元的法方程叠加求得整体解。由于每个历元最后一次迭代的初值均不一样，法方程叠加时需要将其统一。已知两个历元迭代后的法方程为

式中，N( 1)、N( 2)为最后一次迭代的法方程系数阵;为最后一次迭代的初值; X为坐标真值。将第二个法方程的初值与第一个法方程统一，即

此时，可以将其直接与第一个法方程叠加。将每个历元的法方程都统一到第一个历元的法方程，叠加可求得所有历元的整体解。

四、算例分析

对某实测数据解码，然后进行伪距单点定位和差分定位分析，并分析定位结果。观测数据主要包括基站、静止测站A和运动测站B，测站均位于美国。观测时间为2014-02-05，各测站的观测时段见表2。

表2 各测站观测时段

1．解 码

按照U-Blox 6说明文档的协议规定对观测数据解码，将解码数据以RINEX2．1格式输出，其中一个历元的数据如图2所示。

图2 由U-Blox 6解码出的观测数据

可以看出，观测数据有P1、L1和D1三种类型，本历元共12颗可见卫星。

2．伪距单点定位

由原始数据解码出相应的观测数据文件，包括静态测站和动态测站。对基站和测站A进行伪距静态单点定位，采用前文所述的消参数法，改正项包括地球自转改正和相对论改正。坐标结果见表3。然后以基站为已知点，以其静态单点定位的坐标值为坐标真值，对测站A进行静态伪距差分定位，坐标解见表3。

表3 基站及测站A坐标解算值 m

对测站A分别进行动态伪距单点定位和动态伪距差分定位，以相应的静态坐标解为真值，统计其标准差与中误差，结果见表4。两种方式(单点定位和站间单差)动态定位的坐标时间序列图如图3所示。由表4及图3可知，采用差分定位后点位误差减小约50%，而且点位中误差与标准差很接近，这说明系统性误差也减小了，因此差分定位能显著提高定位精度。这是因为站间单差消除了卫星的钟差项与轨道误差，而且测站距离很近，对流层延迟、电离层延迟基本被消除掉。

表4 测站A动态定位结果 m

图3 测站A的伪距单点定位和差分定位坐标序列

分别采用伪距单点定位和伪距差分的形式，对测站B进行动态定位，其坐标轨迹如图4所示。图中，左侧为坐标水平运动轨迹，右侧为高程轨迹。从图中可以看出，差分后的运动轨迹比动态单点定位轨迹平滑许多，从而进一步验证了差分定位能改善定位精度的结论。

图4 测站B坐标轨迹

五、结束语

本文介绍了U-Blox6接收机的数据格式，给出了解码的相关算法，实现了原始观测数据的解码。针对伪距单点定位和差分定位，介绍了相应的数学模型及静态定位整体解的消参数法。通过原始数据的解码验证了解码算法的正确性，采用解码后的观测数据进行了静态/动态伪距单点定位和差分定位。定位结果显示，与非差单点定位相比，采用站间单差后，动态定位的点位误差减少约50%，且运动轨迹更为平滑，因此站间单差能显著提高定位精度。

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The Decoding of U-Blox 6 and Positioning Test

WANG Jungang，WANG Jiexian，CHEN Junping，YANG Sainan

U-Blox接收机的原始数据以自定义的UBX协议存储，使用时需要将其解码到标准RINEX格式。本文介绍了U-Blox 6接收机原始数据的数据包结构和解码原理，对实测数据成功进行了解码;并介绍了GPS定位的数学模型，对消参数法进行了详细的分析，对解码后的数据进行了静态/动态伪距单点定位和差分定位。定位结果显示，采用站间单差后点位误差减小50%，运动点位轨迹更加平滑，说明站间单差能显著提高定位精度。

GPS原始数据;解码; UBX;单点定位;单差;消参数法

王君刚( 1990—)，男，硕士生，主要研究方向为GNSS定位。E-mail: wangjungang2009@ yeah．net

P228．4

B

0494-0911( 2015) 11-0024-04

王君刚，王解先，陈俊平，等．U-Blox 6接收机解码与定位测试［J］．测绘通报，2015( 11) : 24-27．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0338

2014-11-10