2. 精密工程与工业测量国家测绘地理信息局 重点实验室，湖北 武汉 430079；
3. 中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071
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一、引 言
在变形监测领域，GNSS定位技术优点突出，然而监测型GNSS接收机价格较高，如果采用一台主机连接一个天线的模式，建立一个较大型的监测系统，需要很高的成本。为了大幅度降低监测成本，本文针对GNSS天线阵列接收机开展研究，采用商业化的GNSS OEM芯片，自主研制了可以进行静态与实时动态数据与解码的GNSS天线阵列接收机，该接收机最多可以连接8个天线。
GNSS天线阵列接收机通过微处理器来进行电路控制，实现多个天线的切换和对观测数据的采集。图 1为GNSS天线阵列接收机电路设计示意图。
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| 图 1 电路设计示意图 |
根据监测需要，选择了美国天宝公司的BD970 OEM模块作为GNSS天线阵列接收机的数据采集工具。该模块经严格测试，可在各种环境下正常运行，可靠性高，易于集成，不仅支持包括GPS L2C、L5，以及GLONASS L1/L2信号在内的各种卫星信号，而且能够跟踪GIOVE-A和GIOVE-B试验卫星，用于信号评估和测试。图 2为研制的GNSS天线阵列接收机。
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| 图 2 GNSS天线阵列接收机 |
GNSS天线阵列接收机数据采集系统是一个集成远程系统。其中，硬件部分包括GNSS天线阵列接收机、GNSS信号放大器、数据传输设备(如GPRS或CDMA模块、无线局域网等)，以及计算机控制系统；软件部分包括采集系统控制软件、解码软件和数据库管理等。
1. GNSS天线阵列接收机数据采集系统架构根据变形监测的需求，监测点分为基准点和变形点，在变形监测过程中，在基准点上架设传统GNSS接收机，在变形点上安装天线并连接到GNSS天线阵列接收机，根据监测现场的实际情况选择相应的数据传输方法，从而实现监测数据的远程自动采集。系统整体架构如图 3所示。
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| 图 3 GNSS天线阵列接收机数据采集与解码系统架构 |
GNSS天线阵列接收机数据采集系统的主要部分是对静态观测数据进行解码，生成标准RINEX格式文件，便于后续数据处理。本文研制的GNSS天线阵列接收机不仅能够接收GPS卫星信号，还可以接收GLONASS卫星信号。在进行静态测量时，如果只接收GPS卫星信号，则输出RT17格式数据；如果同时接受GLONASS卫星信号，则输出RT27格式数据。两种数据都是二进制格式，而且差别很大，因此静态数据采集模块必须能够智能识别数据格式，并调用相应模块进行解码。
BD970 OEM模块定义了大量的二进制消息数据包，每个包具有特定的功能，二进制消息结构也是严格定义的，每个消息都由开始数据头、信息数据块、校验和及结束标识组成，消息格式的具体定义见表 1。这种定义格式满足异步串行通信的要求，可以很方便地实现GNSS天线阵列接收机和其他设备之间的通信。
| 字节 | 信息 | 说明 |
| 开始数据头 | ||
| 0 | STX(02h) | 开始标识 |
| 1 | STAUS | 接收机状态 |
| 2 | PACKET TYPE | 数据包种类 |
| 3 | LENGTH | 数据包长度 |
| 4-Length 3 | DATA BYTES | 数据信息字节 |
| 信息结束 | ||
| Length+4 | CHECKSUM | 校验和 |
| Length+5 | ETX(03h) | 结束标识 |
系统实时进行数据采集和解码，在数据采集过程中，原始数据采用串口方式进行接收，静态数据接收与解码的流程如图 4所示。
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| 图 4 静态数据解码流程 |
为了能够正常进行静态数据解码，首先要保证静态原始数据的正确接收。为此，笔者编写了专用的串口通信类，并采用多线程思想来独立实现各个接收机的数据采集，互不干扰。打开串口后，端口进行初始化并开始监听，当有数据传输时，触发消息响应函数OnCommunication()来实现原始数据接收，同时该函数自动调用解码模块进行对应接收机的数据解码。串口通信部分设计的主要函数与功能见表 2。
| 函数名 | 函数作用 |
| InitPort() | 初始化串口 |
| StartMonitoring() | 开始监听 |
| StopMonitoring() | 停止监听 |
| RestoreCom() | 释放端口资源 |
| Close() | 关闭串口 |
| ReceiveChar() | 接收字符消息 |
| WriteToPort() | 将数据写到串口 |
如果观测数据是远程传输的，可在计算机上利用网络映射出多个虚拟串口，实现不同测站数据的接收、解码和RINEX文件的生成。
为了保证解码数据的正确性和可靠性，在进行实际解码前，需要对接收到的数据作进一步的检查和校验。只有当校验通过后，才会进行解码，在解码过程中，也会根据数据包信息进行标识性校验，如页码校验、数据标识校验等，只要有一项校验没通过，则舍弃该数据包。在数据信息解码完毕后，也会对解码结果进行检验，若发现异常，则不写入RINEX文件。
在本系统中，根据数据格式不同，静态数据解码分为RT17和RT27两种，但数据接收方法一样，系统会根据数据格式类型智能选择对应函数进行解码。静态解码主要函数见表 3。
| 函数名 | 函数作用 |
| ReadTRIMTSIP() | 读取数据包 |
| Get_cs() | 检验校验和 |
| DecodeEph() | 星历数据包解码 |
| DecodeGpsObs() | 观测数据包解码 |
| GetRAWDATA() | 解码RT17观测数据 |
| GetRT27DATA() | 解码RT27观测数据 |
| WriteRinexObsEpochFile() | 向观测文件写历元数据 |
| WriteRinexNavSatFile() | 向GPS导航文件写数据 |
| WriteGRinexNavSatFile() | 向GLONASS导航文件写数据 |
在观测过程中，系统接收串口消息，通过ReadTRIMTSIP()函数检测数据包的开始标识符，确认同步后开始存入缓冲数组，直至整个数据包被完整接收；然后通过函数进行校验和检验，如果正确则进入解码过程，实现各个测站观测数据的实时解码和存储。
三、数据采集和解码测试系统研制完成后，对系统静态观测数据采集功能进行了多次测试，都能够稳定生成RINEX文件。在此基础上，将本文研制的数据采集与解码模块应用到某尾矿坝的监测中，通过远程传输，在原始数据传输到本地后，为验证采集数据的正确性，除利用本系统的解码模块进行解码外，还采用了某公司专门的数据采集软件进行解码。比较两个系统生成的RINEX文件，发现同一历元的观测值是一样的，说明了本系统静态解码模块的正确性。图 5为该尾矿坝的监测网。
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| 图 5 静态监测网图 |
其中，0973号点为稳定区域的基准点；0976为尾矿坝旁边小山上的变形点；其余3个变形点位于尾矿坝上，构成了一个变形监测网。变形监测网中各个点的初始坐标为WGS-84坐标系下的坐标。
变形监测采用静态测量模块自动进行数据采集，分别按照两种不同的采样率、不同的时段长度(1 h、2 h和6 h)进行了采集，系统均能稳定地接收数据并解码，并生成标准的RINEX文件。选取了3期数据，利用Leica Geo Office软件进行了比对处理，各个点的位移量见表 4。
| mm | ||||
| 点号 | ΔX | ΔY | ΔZ | |
| 第1期 | 0971 | -0.5 | 3.6 | 1.9 |
| 0974 | -1.0 | 5.1 | 2.1 | |
| 0976 | 1.1 | -1.8 | -0.3 | |
| 0978 | -1.6 | 4.3 | -0.6 | |
| 第2期 | 0971 | -1.1 | 2.5 | -0.3 |
| 0974 | 0.1 | -0.8 | -0.3 | |
| 0976 | 0.0 | -0.7 | -1.0 | |
| 0978 | -2.0 | 1.6 | -0.5 | |
| 第3期 | 0971 | 3.3 | -0.8 | -1.8 |
| 0974 | 4.1 | -0.7 | -2.0 | |
| 0976 | 5.4 | 0.5 | 0.3 | |
| 0978 | 0.5 | 2.4 | -2.2 | |
从表 4可以看出，X方向绝对值最大为5.4 mm，Y方向绝对值最大为5.1 mm，Z方向绝对值最大为2.2 mm，与其他监测方法得到的变形量一致。
四、结束语GNSS天线阵列接收机数据采集系统能够大幅度降低GNSS技术应用于变形监测的成本，选择适当的数据传输方法，可以实现GNSS天线阵列数据的远程采集和解码，从而满足远程监测的要求。通过试验与应用，表明GNSS天线阵列接收机数据采集与解码模块得到的数据是准确、可靠的，可广泛应用到大坝、滑坡、尾矿和桥梁等工程的变形监测中。
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