基于BD970 OEM板的精密单点定位功能实现

李涌涛,李建文,魏绒绒,蔡 巍

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院，河南 郑州 450001；2.西安测绘总站，陕西 西安 710054；3.西安航天天绘数据技术有限公司，陕西 西安 710054)

随着全球定位系统的发展，GNSS应用也愈加广泛，尤其在接收机及板型设计上尤为突出。目前市场上的接收机价格相对昂贵，其可分为3种：第一种用于智能交通，定位精度为米级，这种接收机主要以接收GPS单频信号为主，此类接收机技术比较成熟，价格在几百元到几千元不等；第二种是定位精度为分米至厘米级，现主要用于农业、林业、航海、航空等领域，价格几万元左右；第三种定位精度为毫米级水平，主要用于高精度控制网布设、变形监测等精密测量领域，价格十几万元左右[1，3]。

上述分析中，第一种接收机定位结果为米级，由于技术和接收机成本低，仅依靠导航定位系统和简单的接收机就能满足其精度，广大用户综合考虑性价比一般选择使用此类接收机。第三种接收机测量结果准确，由于接收机构造复杂并且开发技术难度高，只有少数专业级测绘用户使用。第二种接收机其定位精度以及接收机实现难度均适中，定位精度能够更好地满足用户需求，是未来导航发展研究的一个热点。随着导航定位系统的不断完善和定位技术的不断成熟，此类接收机将会逐渐替代第一类接收机占据大量市场份额[2]。精密单点定位技术(Precise Point Positioning，PPP)利用精密卫星轨道和钟差改正信息，通过单台双频接收机就可以实现全球范围高精度定位。目前市场上的接收机大多不具备实时PPP功能，一是由于PPP的应用主要基于PC端实现事后解算或采用静态模拟动态的技术模式，在实时性、动态性方面难以保证实际工作中的需求[4]；二是在实时PPP的研究中，科研人员无法将自己的算法植入到接收机内部进行验证；三是实时PPP技术的实现需要依赖外部实时改正信息，而一般机构尚不具备发布实时改正信息的平台。

本文针对以上实际问题，从科研和实际应用角度出发，自主研制软件平台开放的测量型GNSS接收机。综合选用Trimble BD970 OEM板和Raspberry Pi单板计算机搭建嵌入式接收机平台，具备实时精密单点定位功能和标准单点定位功能。该接收机支持算法程序的移植和写入，可作为软件测试平台，检测接收机的各项性能。因此，基于OEM板的测量型GNSS接收机的实现具有极其重要的意义。

1 接收机系统设计

TrimbleBD970 OEM板捕获并跟踪卫星，对接收到的卫星信号经过放大、混频、A/D变换等处理，得到观测数据和广播星历数据，把数据经过TrimbleBD970 OEM板的标准I/O口以串行方式输出。RaspberryPi对BD970 OEM板采集的原始观测数据及广播星历进行解码和存储，根据设定的工作模式进行PVT解算，在LCD液晶屏上显示接收机基本状态信息。Raspberry Pi安装由树莓派官方发布的Debian Linux操作系统，软件设计在Raspberry Pi的Debian Linux系统上完成[5-6]。系统设计如图1所示。

图1 接收机系统设计图

接收机工作流程：

1)信号采集：采用专用测量型天线接收卫星双频载波信号，对信号进行滤波、前置放大处理，经馈线将预处理后的射频信号传输给BD970 OEM板[7]。BD970 OEM板对信号进行混频、A/D转换后，对信号进行捕获、跟踪、锁定、解码等处理得到原始观测数据和广播星历数据，通过BD970 OEM板的以串行方式将实时二进制数据输出；

2)实时数据接收及解码：Raspberry Pi单板计算机对从GNSS OEM板接收到的实时二进制数据流需要解码，获得进行定位解算所需要的观测数据和广播星历。通过无线网络接收iGMAS播发的实时改正数据信息；

3)PPP定位处理：Raspberry Pi单板计算机对BD970 OEM板的实时数据流进行解码，与接收到的iGMAS数据匹配后做PPP解算处理，并根据用户需要将数据以RINEX格式存储在RaspberryPi单板计算机内存上，为事后处理提供数据依据。

2 解码及数据质量分析

BD970 OEM板提供CMR、RTCM、RT27[8]和Binex[9]等多种二进制数据格式，受数据协议保密性的限制，前3种数据格式不能完全解码多系统数据，因此采用Binex二进制数据进行解码。Binex数据格式是由 UNAVCO 社区和部分接收机制造商合作完成的一种用于GNSS 研究的二进制格式标准，具体数据可参考其官方网站相关文档。Binex数据解码流程如图2所示。

图2 Binex实时数据流解码流程图

定位解算中需要考虑多方面因素：接收机本身数据精度、外部获取的数据精度、接收机噪声影响等，数据质量直接影响解算结果精度，因此必须做相应的检验与控制，以此保证SPP与PPP数据处理精度[10]。本文数据为2017-06-24接收机采集的12 h数据，采样率为1 s，基于TEQC和RTKlib软件对数据质量进行评估。

评估结果如表1所示，其中数据利用率为99%，多路径MP1和MP2分别为0.34、0.21，相邻周跳历元为25 940。采用RTKlib对当天的数据处理结果，图3表明接收机收到的卫星在一定时间内连续，其定位跟踪模块较为完善；图4为相应卫星的全天轨迹图，反映该时段内卫星的运行状态及几何分布；图5为卫星DOP值，其中PDOP、VDOP、GDOP、HDOP较小，定位精度高[11]；图6反映接收机卫星的信噪比状况，90%高于35 dB，观测质量较好，其多路径与TEQC分析结果一致；图7为单点定位结果，其N、E方向定位均在2 m以内，U方向5 m以内；图8反映单历元可用卫星数据及Ratio值[12]，分析结果表明：数据质量能够满足高精度数据处理需求。

表1 TEQC数据分析报告

3 PPP实验

利用伪距和载波相位观测值，使用iGMAS提供的实时轨道和钟差产品，采用消电离层组合观测方程， 通过扩展Kalman滤波进行参数(包括接收机位置参数、钟差参数、天顶对流层湿延迟和模糊度参数)最优估计[13]，对各项误差采用模型进行改正，解算策略如表2所示[12]。

图3 卫星出现时段图

图4 卫星轨迹图

图5 卫星DOP值

图6 卫星信噪比、多路径

图7 卫星单点定位结果

图8 单历元可用卫星及Ratio值

误差改正项误差改正模型电离层延迟消电离层组合对流层延迟Saastamoinen模型GMF湿延迟投影函数地球自转效应Sagnac效应接收机天线相位中心Igs08.atx PCV+PCO+windup地球潮汐改正IERS协议相对论效应IERS协议卫星轨道和钟差信息工程大学iGMAS分析中心实时改正产品

选取信息工程大学2017-07-08某实验楼进行实时精密单点定位实验。当日天气晴朗，无遮挡，实验环境良好，实验时间为08：00—11：30，数据采样间隔为1s，采样截止高度角为10°，采用iGMAS提供的实时轨道产品与实时钟差产品，其钟差精度优于1 ns，轨道精度510 cm。将该测站的观测数据当作0速的动态数据进行PPP解算，对其结果进行统计分析，如图9所示。PPP在X、Y、Z3个方向的RMS分别为0.134 m、0.158 m、0.215 m。

图9 实时精密单点定位误差

4 结束语

本文基于Trimble BD970 OEM板搭建接收机试验平台，实现了Binex实时数据流解码，使用TEQC和RTKlib软件对解码后的数据质量进行分析，结果表明接收机平台的数据质量能够满足高精度数据处理需求；采用iGMAS提供的实时钟差产品和实时轨道产品，对实时精密单点定位功能进行验证，实验结果表明基于该平台的实时精密单点定位结果能够实现分米级定位水平，能够满足广大用户对测量型接收机的要求。

致谢：感谢信息工程大学iGMAS分析中心给予的帮助和支持。