摘 要：基于華測(cè)X60 RTK接收機(jī)，針對(duì)Windows開(kāi)發(fā)環(huán)境廣泛使用，采用VC++的MSCOMM控件開(kāi)發(fā)了RTCM數(shù)據(jù)采集及解碼器。本軟件能夠動(dòng)態(tài)顯示RTCM導(dǎo)航電文1、2、3、9等各相關(guān)參數(shù)，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)RTCM二進(jìn)制原始語(yǔ)句及其解碼結(jié)果文件，為下一步研制差分基準(zhǔn)站、DGPS接收機(jī)提供了數(shù)據(jù)源和基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：GPS；RTCM；數(shù)據(jù)采集；解碼
GPS是美國(guó)國(guó)防部的第2代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和GPS信號(hào)接收機(jī)3部分組成，能提供全球覆蓋、全天候、全天時(shí)連續(xù)定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。我國(guó)雖有多個(gè)科研院所從事GPS相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，但其研究對(duì)象主要集中在動(dòng)態(tài)較低的民用領(lǐng)域，而且精度一般不高，在17 m左右[1]。
美國(guó)政府于2000年5月1日取消了SA干擾，此后電離層誤差成為GPS最主要的定位誤差源[2]，對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理是提高GPS處理精度的有效途徑，差分GPS接收機(jī)是消除電離層誤差的有效手段，這是本文的研究背景。
本文基于X60 RTK接收機(jī)，采用VC開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)了RTCM解碼軟件，為下一步進(jìn)行高精度差分定位解算算法研究和DGPS接收機(jī)研制工作提供基礎(chǔ)。
1 RTCM SC-104導(dǎo)航電文簡(jiǎn)介
RTCM SC-104是商用DGPS接收機(jī)的通用數(shù)據(jù)格式，該格式與ICD-GPS-200規(guī)定的GPS導(dǎo)航電文的字格式、奇偶校驗(yàn)規(guī)則相同，不同在于GPS電文中各子幀長(zhǎng)度是固定的，而RTCM SC-104電文長(zhǎng)度是可變的。RTCM電文結(jié)構(gòu)包括2個(gè)字頭，后接n個(gè)數(shù)據(jù)字，每字長(zhǎng)為30 bit，具體格式參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。RTCM SC-104共包括21類(lèi)63種電文。偽距差分電文主要有1、2、3，有時(shí)也用到電文9。
1.1電文1
電文1是RTCM電文中最基本的電文，向用戶(hù)提供偽距改正數(shù)及其變化率，其內(nèi)容格式如表1所示。
其中，S為比例因子，是標(biāo)識(shí)偽距改正數(shù)PRC和偽距改正數(shù)變化率RRC的比例尺度；U表示用戶(hù)測(cè)距誤差，有4種編碼，每種編碼代表不同的用戶(hù)測(cè)距誤差；衛(wèi)星ID 號(hào)指衛(wèi)星的編號(hào)；PRC指?jìng)尉喔恼龜?shù)；RRC指?jìng)尉喔恼龜?shù)變化率，都是用來(lái)修正誤差的，具體含義參見(jiàn)文獻(xiàn)[4-5]。
IOD是改正數(shù)的數(shù)據(jù)齡期，與GPS中IOD意義相同。如RTCM電文IOD與GPS星歷中IOD不相匹配，則不能直接使用該組改正數(shù)，因此IOD是保證差分定位的關(guān)鍵，以確保用戶(hù)使用的導(dǎo)航電文與基準(zhǔn)站使用的導(dǎo)航電文相同。
1.2 電文2
電文2的格式和電文1完全相同, 包含了衛(wèi)星導(dǎo)航參數(shù)的變化所導(dǎo)致的偽距變率及偽距變率的改變量。如果用戶(hù)站未能解譯出新的星歷，而此時(shí)基準(zhǔn)站已采用了新的星歷，則兩站所用的星歷不一樣，此時(shí)基準(zhǔn)站必須同時(shí)播發(fā)電文1和電文 2，防止定位結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。
1.3 電文3
電文3是GPS參考站參數(shù)，用于發(fā)送基準(zhǔn)站在 WGS-84 坐標(biāo)系中的坐標(biāo)信息 ( ECEFX, ECEFY, ECEFZ)，各占32 bit，給定的坐標(biāo)精度至少到cm級(jí)。該項(xiàng)電文由 32×3/ 24 = 4 個(gè)字組成, 按順序發(fā)送基準(zhǔn)站坐標(biāo)的3個(gè)參數(shù)，每個(gè)字最后6位是奇偶校驗(yàn)位。
電文9用于GPS部分衛(wèi)星組差分改正，其格式與電文1完全相同。
2 RTCM電文解碼方案設(shè)計(jì)
2.1 VC++平臺(tái)簡(jiǎn)介
本軟件主要基于VC++平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，電文的接收用到了VC++中的MSCOMM控件。MSCOMM控件提供了2種處理通信的方式：事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢(xún)方式。事件驅(qū)動(dòng)方式相當(dāng)于一般程序設(shè)計(jì)中的中斷方式。當(dāng)串口發(fā)生事件或錯(cuò)誤時(shí)，MSCOMM控件會(huì)產(chǎn)生OnComm事件，用戶(hù)程序可以捕獲該事件進(jìn)行相應(yīng)處理。本文的例子均采用該方式。
2.2 RTCM電文解碼方案[6]
根據(jù)RTCM的編碼規(guī)則設(shè)計(jì)解碼方案，解碼過(guò)程可利用電文字頭中的先導(dǎo)字01100110進(jìn)行同步，主要有如下5個(gè)步驟。
(1)字節(jié)掃描。傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，通常采用“6/8”格式的方式。每8 bit數(shù)據(jù)中僅低6 bit是有效位，第7位為標(biāo)志位“1”，第8位為空格“0”。接收到的數(shù)據(jù)必須先取低6位，然后判斷這低6位是不是在64和127之間，如果不是則丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)。
(2)字節(jié)滾動(dòng)。由于GPS設(shè)備多數(shù)采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化研究所制定的ANSI X3.16和X3.15型標(biāo)準(zhǔn)接口，故連接到計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串口RS-232上的時(shí)候需要進(jìn)行“字節(jié)滾動(dòng)”。
(3)取補(bǔ)碼。當(dāng)前一個(gè)碼字最后一個(gè)比特D30*為1時(shí)，必須對(duì)當(dāng)前這個(gè)字碼的前4個(gè)字節(jié)取補(bǔ)碼；如果D30*為0，則保持不變。奇偶校驗(yàn)位則不必取補(bǔ)碼。
(4)找引導(dǎo)字。尋找RTCM通用電文引導(dǎo)字(01100110或10011001)，進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，通過(guò)同步完成，否則繼續(xù)找引導(dǎo)字。
(5)電文解碼。根據(jù)幀長(zhǎng)度，按相應(yīng)電文格式解碼，主要包括比例因子、用戶(hù)測(cè)距誤差、衛(wèi)星號(hào)、PRC等參數(shù)。
具體解碼流程圖如圖1所示。
3 RTCM數(shù)據(jù)采集及解碼器實(shí)現(xiàn)
3.1 RTCM數(shù)據(jù)采集及解碼器介紹
本系統(tǒng)基于Windows操作系統(tǒng)，利用VC++編程實(shí)現(xiàn)RTCM導(dǎo)航電文解碼，它既能從差分基準(zhǔn)站接收數(shù)據(jù)，又能從數(shù)據(jù)文件讀取數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)和解碼結(jié)果將被顯示及存儲(chǔ)，解碼結(jié)果包括各顆衛(wèi)星所包含的參數(shù)。
3.2 RTCM數(shù)據(jù)采集及解碼器實(shí)現(xiàn)
圖2為數(shù)據(jù)解調(diào)子界面，主要有接收回顯窗和解碼顯示窗2部分，其中接收回顯窗顯示各模塊原始數(shù)據(jù)，解碼顯示窗顯示解碼結(jié)果。
3.3 關(guān)鍵代碼介紹
程序的關(guān)鍵在于對(duì)接收到的差分?jǐn)?shù)據(jù)解碼，根據(jù)2.2節(jié)的解碼方案設(shè)計(jì)，以電文1為例，程序關(guān)鍵代碼如下：
for( i=0;i<N-10;i++) //找引導(dǎo)字
{
int dxj=b[i]*4+(b[i+1]-bitshift2(b[i+1],4))/16;
if(dxj==102||pow(2,8)-1-dxj==102) //找到引導(dǎo)字
{ type=getbit(b[i+1],1,4)*4+getbit(b[i+2],5,6); //電文類(lèi)型
if(bitshift2(b[i+4],1)==1)
//如D30*等于1，則對(duì)后面4個(gè)字節(jié)取補(bǔ)碼
{…….}
else {i=i+5;}
//如果D30*不等于1，則不做任何處理
zt=(b[i]*pow(2,7)+b[i+1]*2+(b[i+2]-bitshift2(b[i+2],5))/32)*0.6; // z計(jì)數(shù)
xuhao=getbit(b[i+2],3,5); //序號(hào)
changdu=getbit(b[i+2],1,2)*8+getbit(b[i+3],4,6); //幀長(zhǎng)
health=getbit(b[i+3],1,3); //健康度
int d1=i+5;
if(type==1||type==62) //如果是電文1
{ int cc=0;
while(1)
//計(jì)算電文1除頭碼之外的長(zhǎng)度cc
{ … }
while(i+5<10+cc-1) //5個(gè)字碼（3顆衛(wèi)星所有參數(shù)）循環(huán)一次
{
…… //判斷是否取補(bǔ)碼，解比例因子、用戶(hù)測(cè)距誤差、衛(wèi)星號(hào)、PRC
k=k+3; //每解完3顆衛(wèi)星的信息便循環(huán)一次
}
} //if type=1
} //if 找到引導(dǎo)字
if (d2==1) break; // 如果到了電文結(jié)尾，則結(jié)束
} //for
4 結(jié)果分析
整個(gè)軟件測(cè)試工作是在華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院的2樓信息技術(shù)研究所進(jìn)行，時(shí)間為2008年4月14號(hào)10:22:32。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于X60差分GPS接收機(jī)進(jìn)行，接收天線安裝在信息學(xué)院樓頂。解碼結(jié)果如表2~表4所示。
將以上誤差數(shù)據(jù)對(duì)自行研制接收機(jī)輸出結(jié)果進(jìn)行修正，結(jié)果如圖3所示。
由圖3中結(jié)果可看出，其海拔高度的定位誤差在1 m內(nèi)，經(jīng)度、緯度定位誤差分別在10-6度和10-7度，比單頻偽距GPS接收機(jī)的定位精度好。通過(guò)利用基準(zhǔn)站進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳送進(jìn)行的定位結(jié)果可以達(dá)到1 m左右定位精度，結(jié)果進(jìn)一步證明了解碼方法及結(jié)果的正確性。
本文基于X60試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了RTCM SC-104導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)采集及解碼器。本軟件再加上其他相關(guān)軟件可進(jìn)行差分基站設(shè)計(jì)，可充分利用PC編程資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作。該算法在自行研制的GPS接收機(jī)上運(yùn)行，已獲得了較好的定位精度，為下一步進(jìn)行實(shí)時(shí)DGPS接收機(jī)研制提供了基礎(chǔ)。
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