在滑坡、大坝、高层建筑等变形体的位移监测中，全球导航卫星系统(GNSS)具有自动化、全天候、高精度等优点，自20世纪90年代以来，就被应用在各类变形监测中^[1]。然而常用的GNSS接收机和数据处理系统，硬件成本较高，软件开放度低，难以进行扩充改进或二次开发。

GNSS OEM板卡(original equipment manufacturer)是将GNSS接收机的主要部件做成大规模集成电路芯片并集成在一块电路板上，是高精度GNSS终端设备的核心，其成本占到了GNSS终端总成本的60%以上^[2]。被广泛应用的多频多系统GNSS OEM板卡，极大地降低了GNSS接收模块的成本和体积，拓展了高精度GNSS产品的应用领域。由于目前生产的GNSS OEM板卡中的原始数据结构越来越复杂，增加了GNSS OEM板中数据处理的难度。如何全面、准确地对OEM板卡原始数据进行解析和转换，并有效地利用多系统、多频段的观测信息进行高精度位置解算，是当前GNSS OEM板卡数据处理中所面临的问题和挑战^{[3, 4]}。

本文基于国产测量型多频多系统GNSS OEM板卡，针对其复杂的原始数据结构，设计并实现了一套低成本、高精度的板卡数据综合处理系统，包括数据解码、格式转换、基线处理、网平差和坐标转换等模块，并封装至动态链接库中。该系统可用于高精度变形监测等多个领域，大大降低了传统GNSS接收机及其配套处理软件的成本。

1 GNSS OEM板卡

目前，主流的GNSS OEM板卡，如美国Trimble公司的BD系列，瑞士U-blox公司的Ublox系列，加拿大NovAtel的OEM系列等，都支持多个系统多频段的观测信息获取。在国产板卡中，北京和芯星通公司推出的三系统八频UB380 OEM板卡，具备384个信号通道，可同时支持BDS B₁/B₂/B₃+GPS L₁/L₂/L₅+GLONASS L₁/L₂信号的跟踪处理^[5]。本文以国产UB380板卡为基础，设计并实现了多频多系统GNSS OEM板卡的数据处理一体化。

1.1 UB380板卡

UB380板卡通过内部射频模块接收天线信号，将射频信号转换成中频信号，并将中频模拟信号转换为基带芯片所需的数字信号，进而得到原始观测数据和卫星星历等信息^[5]。原始数据格式主要有二进制、ASCII码和RTCM格式等，其中二进制与ASCII码格式一般由板卡自定义。无论是二进制格式还是ASCII码格式数据，都由指定时间间隔的LOG消息段构成。UB380中的LOG信息均由Header(信息头)、Data(数据块)和CRC(检校位)组成，主要观测信息都存在“Data”中，“Header”包含数据区长度和时间信息，CRC部分可对该段LOG信息的完整性与准确性进行检校^[5]。

UB380的参数配置和数据(LOG)输出采用交互指令完成，其中系统配置指令主要针对板卡的启动运行、定位模式、定位参数等进行设置；LOG输出指令主要是对板卡的数据输出内容(如观测数据和星历数据)进行控制。表 1列出了板卡使用的主要指令，LOG消息格式可参考文献[5]。

1.2 多频多系统下的板卡数据处理技术路线

为降低传统监测型GNSS接收机和相应处理软件的成本，实现多频多系统GNSS OEM板卡在高精度变形监测中的应用，本文利用OEM^{[1, 6]}板卡实现了一套低成本变形监测系统，该系统主要由数据解码、基线处理和网平差等模块组成，系统总体技术流程如图 1所示。当采用实时解算模式时，可对解码所得的中间变量直接输入至基线解算模块，并将基线解算值输入网平差模块中，直接得到每个历元的空间坐标，进而避免了读写中间文件消耗的时间，提高了系统运行效率。此外，各模块处理完成后进行的结果检验或质量控制，有效地保证了解算结果的准确性。

2 数据解码与格式转换 2.1 数据获取与解码

数据解码是对由板卡通讯模块获取的不同格式的实时数据流进行解析以获得具体的观测数据和星历数据等，并存储在定义的相关变量中。在板卡数据获取中，鉴于串口通信方便易行，出错率低，本文采用串口获取原始数据^[7]。先由PC机通过串口向板卡发送命令，板卡在接收到正确的命令后作出应答，将相应LOG消息转换为连续的串行数据流通过串口返回至PC机，并打包到磁盘文件。图 2为板卡二进制格式原始数据，其中固定位“AA 44 12”表示每段LOG的起始位置。

在数据解码中，首先对不同格式的原始数据采用对应的函数读取至同一缓存变量，经过CRC检校后写入字符串数据块。

判断数据信息类型，采用不同的结构体变量存储不同类型的LOG信息，其中navigation结构体表示GPS或BDS的星历数据，glo_navigation结构体存储GLONASS的星历信息，ION_UTC用于存储电离层和时间改正信息，obsHead和obsData分别存放观测数据说明及混合观测数据体。在格式转换中，只需要将各结构体变量中的数据按照RINEX标准格式写入文件即可。数据解码流程如图 3所示。

2.2 格式统一

作为GNSS领域中重要的国际通用数据标准格式之一，RINEX格式标准已经广泛应用于各类GNSS数据处理软件中。随着BDS、Galileo系统等全球卫星系统逐步组网完善，OEM板卡观测数据越来越丰富，因此RINEX格式标准也在逐步更新，现已更新至3.03版本(2016)，RINEX 3.0及以上版本开始支持北斗卫星导航系统^[8-10]。考虑到GNSS观测数据格式的统一性需求，和RINEX标准的应用现状，本文采用RINEX 3.02版本作为数据解码和格式统一的依据^[9]。

3 基线处理与网平差 3.1 基线解算

基线解算是GNSS数据处理过程中的重要步骤，本文采用载波相位相对定位模型，通过双差观测模型消除或削弱基准站和流动站之间的共同误差(如卫星钟差、电离层延迟和大气误差等)，以获得站点间的高精度三维向量^[11-13]。

近年来BDS的建设和完善，为多系统组合相对定位提供了可能性。文献表明，在不理想的观测条件下(如卫星截止高度角较高)，相比单一的GPS，GPS/BDS双系统组合能够有效地增强观测卫星的几何分布图形强度，其相对定位性能在连续性、可靠性、和定位精度等方面更有优势^{[11, 13, 14]}。由于GLONASS采用频分多址(FDMA)的调制方式，即不同卫星的载波频率不完全一致，导致GLONASS载波相位模糊度解算更加困难^[13]，因此本文只考虑将GPS和BDS的组合定位作为单基线解算的数学模型，基线处理流程参考文献[13]的算法。

3.2 网平差与坐标转换模块

本文网平差模块基于最小二乘原理，以基线向量为观测值，利用验后方差-协方差阵来确定观测值的权阵，同时引入适当的起算数据，对基线解算结果进行三维平差计算，得到网中各点的空间坐标^[15]，最后利用坐标转换模块得到所需的平面坐标及高程，该模块流程如图 4所示。该模块只需要输入基线处理结果文件(包括基线向量观测值及其协方差阵)和控制点坐标即可进行自动化处理。

根据输入的控制点信息，平差模块可以自动选择对应的求解方法：

(1) 当没有地面控制点或起算数据不足时，按照秩亏自由网平差法进行计算；

(2) 当只有一个控制点时，各点的近似坐标可由控制点根据基线观测量推算得到，按一般间接平差进行求解。

(3) 当存在多个控制点，可构建相应的约束条件，按附有限制条件的间接平差法求解。

为削弱基线向量中的粗差对平差结果的影响，本文采用选权迭代法进行抗差估计，权因子由IGG法确定^[16-21]。利用重构的权阵进行迭代解算，直至前后所得坐标参数估值之差的绝对值小于选定的阈值，停止迭代。进而得到各点空间直角坐标和相应误差，再通过坐标转换可获得最终的测站点大地坐标、高斯平面坐标及高程。

4 多频多系统GNSS OEM板卡工程应用

为进一步验证该多频多系统GNSS OEM板卡形变监测系统的可靠性和适用性，将其应用在某建筑变形体的监测中，基准点和监测点布设如图 5所示。WH01和WH04号点为稳定区域的基准点，WH02号点为某高层建筑楼顶监测点，WH03号点为模拟变形点，其形变可通过装置进行控制。将各测站点的天线信号通过功分器分成两路分别连接至UB380板卡和Trimble NetR9接收机，保证板卡和接收机接收同一位置的观测数据。将NetR9接收的数据在配套软件中的解算结果与本文数据处理系统的结果作比较，以验证该系统的可靠性。

4.1 数据解码及质量分析

利用该系统解码模块对串口通信获取的板卡原始LOG信息(包括二进制和ASCII码格式)进行解析和转换，得到标准RINEX文件。通过与NetR9接收机自带的解码软件所得到的RINEX文件比较，发现两者内容基本一致，并利用同一软件进行单点定位，定位结果差值均在0.2 mm以内，验证了解码结果的正确性。

4.2 解算结果分析

得到各测站导航文件和观测文件，就可以进行基线解算和网平差计算。本文采用单基线单历元的解算模式，即可得到各历元的基线解算结果及其方差-协方差阵，该结果可用于动态实时监测。对于稳定点的静态观测结果，本文取30个历元的固定解平均值作为最终的静态基线向量。采用Trimble公司的TBC软件解算基线并与本文基线解算结果进行对比分析，结果如表 2所示。由表 2可以发现，本文的基线解算模块能够有效、准确地计算出各测站间的基线向量，相比广泛应用的商业数据处理软件，该模块解算精度可达到mm级，满足一般工程测量作业要求。

如表 3~表 5所示，经过网平差模块计算，可得到平差后约束至控制点下的各测站空间直角坐标以及相应基线改正量，同时还可以通过各个环闭合差评估观测质量。表 3中RM_x，RM_y，RM_z为均方根误差，W_x，W_y，W_z为环闭合差分量。表 5中的3个闭合环分别为WH02-WH03-WH01-WH02、WH02-WH04-WH01-WH02、WH03-WH04-WH01-WH03。

对采集的监测数据按每个历元求解基线向量、网平差、坐标转换，即可得到监测点的时序平面位置及高程。若以监测点起始位置为基准，进行约12 h连续观测，可以得到各监测点在北方向、东方向和高程方向的累积形变量，如图 6、图 7所示。

由图 6可以发现，该高层建筑楼顶监测点WH02在监测期间内发生了明显位移，并存在一定沉降，这是由于该处建筑处于施工期，基础不稳定。建筑整体在缓慢向东南方向偏移，最大偏移量约4 cm，同时伴有约1.3 cm的微小沉降，而位移序列中出现的高频抖动现象，分析是由于风振影响和观测噪声共同所致。WH03为对比的模拟变形点，在监测5 h前后利用装置对该点进行缓慢移动，移动量可由游标卡尺测得，其中北方向移动量约2 cm，东方向移动量约1 cm。由图 7可知，模拟移动量与该系统解算结果基本一致。因此，从该建筑形变监测实例的应用结果，本文基于多频多系统GNSS OEM板卡的变形监测系统能够有效实现GNSS数据的实时获取和解算处理，并得到高精度形变信息。

5 结束语

基于多频多系统GNSS OEM板卡的二次开发是近年来的热门方向，本文通过研究多频多系统板卡的原始数据结构及使用方法，以三系统八频的UB380板卡为例，自主设计并实现了集成数据解码、基线解算和网平差等功能的板卡数据综合处理系统。该系统具有高精度、实时、自动化等特点，大幅度降低了采用传统GNSS接收机进行变形监测的成本。最后以某高层建筑形变监测应用为例，验证了该系统的可靠性和适用性。由于该系统在实时监测数据处理中未考虑误差影响，所得的实时位置变化序列可能含有观测噪声和系统误差，后续可对板卡数据中的有关显著误差作进一步处理。