RTKLIB開發(fā)文檔

1、軟件開發(fā)文檔軟件名稱RTKPOST項目組成員王會、劉琦起止日期 2017年 6 月20 日至 2017年 8 月 15 日 目 錄1.項目論證- 1 -1.1目標(biāo)任務(wù)- 1 -1.2項目背景及必要性- 1 -1.3計劃進(jìn)展- 2 -2.需求分析- 3 -2.1軟件描述- 3 -2.2運行環(huán)境及外部接口需求- 3 -3.軟件設(shè)計- 4 -3.1軟件體系結(jié)構(gòu)- 4 -3.2軟件解算流程- 5 -3.3軟件設(shè)計模塊- 6 -3.4軟件功能描述- 7 -3.5全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明- 9 -4.軟件操作說明- 11 -4.1界面介紹- 11 -4.2軟件安裝- 12 -4.3軟件操作- 12 -5.軟件測試

2、- 16 -5.1測試計劃- 16 -5.2測試方法及工具- 16 -5.3測試用例- 16 -5.4測試結(jié)果- 17 -參考文獻(xiàn)- 18 -1. 項目論證1.1 目標(biāo)任務(wù)根據(jù)比賽要求，經(jīng)過小組討論，我們選擇了RTKLIB進(jìn)行二次開發(fā)。RKTLIB是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的標(biāo)準(zhǔn)&精密定位開源程序包，RKTLIB由日本東京海洋大學(xué)的高須知二開發(fā)。RTKLIB主要功能有：（1）支持多個GNSS系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和精密定位算法，包括GPS，GLONASS，Beidou，Galileo，QZSS和SBAS。（2）支持多種GNSS實時和后處理定位模式：單點定位、DGPS/DGNSS,動態(tài)RTK、靜態(tài)RTK、移

3、動基站、PPP。（3）支持多種GNSS標(biāo)準(zhǔn)格式和協(xié)議：RINEX2.10、RINEX2.11、RINEX2.12、RINEX3.00、RINEX3.01、RINEX3.02、RTCM2.3、RTCM3.1、RTCM3.2、BINEX、NTRIP、NMEA0183、SP3、ANTEX1.4、IONEX1.0、NGS PCV、EMS 2.0。（4）支持多種GNSS接收機(jī)專有數(shù)據(jù)協(xié)議格式：NovAtel:OEM4/V/6，OEM3, OEMStar、Superstar II、 Hemisphere、Crescent、ublox:LEA-4T/5T/6T、SkyTraq、JAVAD 、GW10-II/

4、III和NVS。（5）支持外部通信：Serial、TCP/IP、NTRIP、本地日志文件(記錄和播發(fā))和FTP/HTTP。（6）提供許多函數(shù)庫和API（application program interfaces）：衛(wèi)星和導(dǎo)航系統(tǒng)函數(shù)、矩陣和向量函數(shù)，時間和字符串函數(shù)、坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，輸入和輸出函數(shù)、調(diào)試跟蹤函數(shù)、平臺依賴函數(shù)、定位模型、大氣模型、天線模型、地球潮汐模型、大地水準(zhǔn)面模型、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、RINEX函數(shù)、星歷和時鐘函數(shù)、精密星歷和時鐘、接收機(jī)原始數(shù)據(jù)函數(shù)、RTCM函數(shù)，解算函數(shù)、流數(shù)據(jù)輸入和輸出函數(shù)、整周模糊度解算、標(biāo)準(zhǔn)定位、精密定位、后處理定位（解算）。RTKLIB同樣也有一些缺陷，RT

5、KLIB在數(shù)據(jù)預(yù)處理（粗差探測），周跳探測方面的算法有些問題，RTKLIB的源代碼并不支持北斗系統(tǒng)的解算。同時，RTKLIB的框架過于過時，它的GUI是用的早期Borland C+設(shè)計，無法滿足跨平臺需求，基于這些問題，我們小組經(jīng)過討論，決定對這些問題進(jìn)行修復(fù)，改進(jìn)單頻解算算法，同時基于Qt5對GUI層進(jìn)行重新設(shè)計。1.2 項目背景及必要性中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是繼美國GPS、俄羅斯GLONASS之后的第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前北斗系統(tǒng)已具備覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時以及短報文通信服務(wù)能力，預(yù)計2020年建成覆蓋全球的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。目前多數(shù)接收機(jī)并不存在

6、單純的使用GPS進(jìn)行衛(wèi)星定位，而是在支持GPS的基礎(chǔ)上還加入了GLONASS以及北斗系統(tǒng)。接收機(jī)在定位時可以同時使用這兩大衛(wèi)星定位系統(tǒng)，這樣就可以在某個衛(wèi)星定位發(fā)生問題時，使用另外一個系統(tǒng)進(jìn)行定位?；蛘咴谑褂肎PS進(jìn)行定位的同時，再使用GLONASS或者北斗來進(jìn)行輔助，以此來增強定位的速度及準(zhǔn)確率。另外，眾多的個人或行業(yè)應(yīng)用中，定位都成為一種必不可少的基礎(chǔ)功能，個人用戶的社交信息、行程足跡；行業(yè)中的車輛管理、物流監(jiān)控等無不需要衛(wèi)星定位功能。RTK定位是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的一個重要方面，基于GPS的RTK算法已經(jīng)十分成熟，各種商業(yè)軟件的推出也推動了GPS RTK算法的完善和發(fā)展。此外由于北斗導(dǎo)航系

7、統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)有十幾顆可用衛(wèi)星，基于北斗系統(tǒng)的應(yīng)用和研究也已經(jīng)在全國乃至世界范圍內(nèi)展開，所以在研究RTK的算法時，有必要考慮將BDS加入算法中去，基于BDSGPS的RTK定位算法研究及軟件編制顯得十分必要。1.3 計劃進(jìn)展表1.1 計劃進(jìn)展日期說明6月15日明確任務(wù)以及了解整個比賽進(jìn)度安排6月16日至30日在RTKLIB上加入DCB改正7月01日至20日在RTKLIB上加入單頻周跳探測7月21日至8月01日在RTKLIB上加入數(shù)據(jù)預(yù)處理，修正周跳探測、添加載波平滑偽據(jù)、粗差探測7月02日至8月05日在RTKLIB上加入北斗系統(tǒng)，修正RTKLIB一些現(xiàn)存問題8月06日至10日對RTKLIB的GUI進(jìn)

8、行重寫，并在Windows和Ubuntu上進(jìn)行測試8月11日至15日數(shù)據(jù)測試，編寫數(shù)據(jù)精度報告2. 需求分析2.1 軟件描述表2.1 軟件模塊序號功能名稱功能需求標(biāo)識簡要描述01RTK解算rtkpost單頻rtk解算02RTK成圖rtkplot對解算結(jié)果成圖03RTK查看rtkview查看解算結(jié)果04RTK平滑rtksmooth對基準(zhǔn)站進(jìn)行平滑2.2 運行環(huán)境及外部接口需求（1）硬件要求程序硬件要求：1) 具有 Inter I3 處理器且滿足以下要求的計算機(jī)：2) 最低 512 MB 內(nèi)存、最小 1GB 硬盤、鼠標(biāo)、鍵盤（2）軟件要求操作系統(tǒng)：Windows 7 Windows 8 Windo

9、ws 10 Ubuntu 16.04（3）用戶接口1) 采用Qt通用圖形界面，用戶友好。2) 界面具有一致性，界面規(guī)范遵循軟件界面的規(guī)范。3) 提供錯誤信息。4) 遵循國家關(guān)于計算機(jī)方面詞匯的標(biāo)準(zhǔn)，用詞正確、準(zhǔn)確、無歧義。5) 本系統(tǒng)的用戶一般需要通過中斷進(jìn)行操作，進(jìn)行主界面后點擊相應(yīng)的窗口，分別進(jìn)入相對應(yīng)的界面（如，輸入界面、輸出界面）。3. 軟件設(shè)計3.1 軟件體系結(jié)構(gòu)圖3.1 軟件體系結(jié)構(gòu)3.2 軟件解算流程 流程圖中*意味著對RTKLIB原有的模塊進(jìn)行了改進(jìn)或為新增模塊圖3.2 結(jié)算流程圖3.3 軟件設(shè)計模塊軟件主要包括四個模塊：讀取文件、偽距單點定位、數(shù)據(jù)預(yù)處理、RTK定位解算、結(jié)果

10、輸出。（1）讀取文件其中RINEX觀測文件RTKLIB已經(jīng)有現(xiàn)成模塊，但是RTKLIB 2.3.4源碼無法讀取北斗觀測文件，我們在RTKLIB基礎(chǔ)上通過修改頻率優(yōu)先級增加了讀取北斗觀測文件功能。同時，基于比賽廣播星歷數(shù)據(jù)，我們特地針對北斗星歷增加了讀取北斗廣播星歷函數(shù)。（2）偽據(jù)單點定位先進(jìn)行偽據(jù)單點定位，求取平均值作為基站近似坐標(biāo)，同時得到衛(wèi)星坐標(biāo)以及鐘差信息，以便組成雙差觀測方程。（3）數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，我們著重做了一下三個工作：粗差探測、周跳探測、載波平滑偽距。經(jīng)過我們測試，RTKLIB中的周跳探測并不完善，因此我們在解算前再加入一次周跳探測。首先由、相位觀測方程可得到GF組合（

11、消去了與頻率無關(guān)的幾何距離和鐘差等），由于相鄰歷元電離層變化很小，因此可忽略相鄰歷元差后的電離層殘差。同時，在組成MW組合，對MW組合觀測值做歷元差分，以3倍中誤差為限，與GF組合聯(lián)合，通過求解方程組得到精確周跳。RTKLIB中并沒有單頻周跳探測功能，于是我們增加了基于流動站的單頻周跳探測功能。對每個歷元k，衛(wèi)星s，進(jìn)行探測：若數(shù)據(jù)缺失超過閾值，標(biāo)記周跳。若沒有超過，則逐個計算偽距與載波之差：若 則標(biāo)記周跳。在修復(fù)完周跳后，我們進(jìn)行了粗差探測以及載波平滑偽據(jù)。在GPS定位時，利用碼觀測值得到的結(jié)果精度較低，可以利用載波相位的變化來平滑偽據(jù)，從而取出偽距粗差，提高偽據(jù)觀測定位精度。（4）RTK定

12、位解算在解算過程中，我們基于RTKLIB添加了DCB改正。GPS廣播星歷中衛(wèi)星鐘差參數(shù)是由L1P(Y)和L2P(Y)消電離層組合計算得到的，該參數(shù)中含有L1P(Y)和L2P(Y)在衛(wèi)星端的硬件延遲影響。為扣除這一偏差對導(dǎo)航用戶的影響，GPS引入了TGD 參數(shù)扣除。GPS 衛(wèi)星在發(fā)射前都會在地面對衛(wèi)星TGD 參數(shù)進(jìn)行提前標(biāo)定。1999 年4 月后，GPS開始播發(fā)由JPL 基于IGS 基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理得到的TGD 參數(shù)，且每四個月左右更新一次。2005 年起發(fā)射的GPS Block IIR-M 衛(wèi)星在L2 頻率上增加了L2C 民用信號，2010 年起發(fā)射的GPS Block IIF 衛(wèi)星新增了L5

13、頻率以及L5I5、L5Q5 兩種民用信號。與之對應(yīng)，GPS 在L1C/A、L2C、L5I5 及L5Q5 民用信號上相對于L1P(Y)分別定義了一個ISC 參數(shù)，即ISCC/A、ISCL2C、ISCL5I 及ISCL5Q。ISC 參數(shù)本質(zhì)上也是DCB 參數(shù)，其中ISCC/A是L1P(Y)與L1C/A 信號間的頻內(nèi)偏差參數(shù)，ISCL2C、ISCL5I 及ISCL5Q 分別是L1P(Y)與L2C、L5I5、L5Q5 信號間的頻間偏差參數(shù)。TGD 也可以看作是L2P(Y)信號上的ISC 參數(shù)，不過要乘一個與頻率有關(guān)的常數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換?？紤]到廣播的TGD 及ISC 參數(shù)與DCB 參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，GPS

14、單雙頻用戶也可以利用后處理的DCB 參數(shù)改正硬件延遲誤差后進(jìn)行定位。(5)結(jié)果輸出基于RTKLIB增加了衛(wèi)星系統(tǒng)輸出，以及參考框架。最終輸出還包括時間，狀態(tài)，三維坐標(biāo)，精度指標(biāo)等內(nèi)容。3.4 軟件功能描述表3.1 POST模塊功能項解算標(biāo)識POST功能描述對輸入的觀測文件進(jìn)行解算使用角色用戶主要事件流程用戶操作系統(tǒng)響應(yīng)事件單擊Option按鈕設(shè)置解算參數(shù)單擊View按鈕查看解算結(jié)果單擊Plot按鈕繪制波動圖或定軌圖單擊Exec按鈕開始解算單擊Exit按鈕退出前置條件用戶需要設(shè)置Option參數(shù)，以及選擇相應(yīng)文件后置條件生成解算文件（*.pos）接口說明輸入輸出調(diào)用關(guān)系調(diào)用模塊rtkpos.cp

15、p rinex.cpp SatPass.cpp DCPass.cpp被調(diào)用模塊rtkwork.cpp表3.2 View模塊功能項查看標(biāo)識View功能描述對輸入的觀測文件進(jìn)行查看使用角色用戶主要事件流程用戶操作系統(tǒng)響應(yīng)事件單擊Refresh按鈕重新加載解算文件單擊Read按鈕重新選擇解算文件單擊Exit按鈕退出前置條件后置條件接口說明輸入輸出調(diào)用關(guān)系調(diào)用模塊plotwindow.cpp被調(diào)用模塊post表3.3 Plot模塊功能項繪圖標(biāo)識Plot功能描述對輸入的觀測文件進(jìn)行成圖使用角色用戶主要事件流程用戶操作系統(tǒng)響應(yīng)事件單擊Open按鈕選擇解算結(jié)果文件單擊Refresh按鈕重新繪制單擊Posit

16、ion按鈕繪制波動圖單擊Gnd Trk按鈕繪制軌跡圖單擊Save按鈕保存單擊Exit按鈕退出前置條件用戶需要選擇解算結(jié)果，并選擇繪圖類型后置條件接口說明輸入輸出調(diào)用關(guān)系調(diào)用模塊qcustomplot.cpp被調(diào)用模塊rtkwork.cpp表3.4 Option模塊功能項選項標(biāo)識Option功能描述設(shè)置解算策略使用角色用戶主要事件流程用戶操作系統(tǒng)響應(yīng)事件單擊OK按鈕設(shè)置并保存解算參數(shù)單擊Cancel按鈕退出前置條件用戶需要設(shè)置Option參數(shù)，以及選擇相應(yīng)文件后置條件生成解算文件（*.pos）接口說明輸入輸出調(diào)用關(guān)系調(diào)用模塊optiondlg.cpp controlplus.cpp被調(diào)用模塊po

17、st表3.5 Smooth模塊功能項平滑 我們將該功能單獨剝離了出來，可以在bin目錄下直接找到。標(biāo)識Smooth功能描述數(shù)據(jù)預(yù)處理使用角色用戶主要事件流程用戶操作系統(tǒng)響應(yīng)事件前置條件-infile -outfile -dt 后置條件生成平滑后的觀測文件（*.*o）接口說明輸入輸出調(diào)用關(guān)系調(diào)用模塊smoothe.cpp被調(diào)用模塊post3.5 全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明除了RTKLIB原有文件外，我們新增加了5個頭文件：表3.6 新增文件序號頭文件實現(xiàn)文件功能01MathBase.h常用排序函數(shù)，以及統(tǒng)計函數(shù)02SatPass.hSatPass.cpp將觀測數(shù)據(jù)按照衛(wèi)星編號分類存儲,可用于載波平滑偽據(jù)0

18、3Segment.h存儲了SatPass中衛(wèi)星歷元連續(xù)信息，用于探測周跳04DCPass.hDCPass.cppM-W探測周跳，修復(fù)周跳05Stats.h常用數(shù)學(xué)函數(shù)，最大值，最小值，方差等軟件中全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下表所示：表3.7 全局宏定義序號宏定義所屬文件說明01PIrtklib.h圓周率02CLIGHTrtklib.h光在真空中的速度03OMGErtklib.h地球自轉(zhuǎn)角速度04FEQ1rtklib.hGPS L1頻率05FEQ2rtklib.hGPS L2頻率06FEQ1_CMPrtklib.h北斗B1頻率07FEQ2_CMPrtklib.h北斗B2頻率08FEQ3_CMPrtklib.

19、h北斗B3頻率09D2Rrtklib.h度轉(zhuǎn)弧度10R2Drtklib.h弧度轉(zhuǎn)度11WLNWINDOWS*DCPass.cppWL周跳探測滑動窗口寬度12MAXWINDOWSIZE*rtkpos.cpp單頻周跳探測最大滑動窗口寬度 *表明新增宏，開發(fā)過程中我們盡量不在添加新有宏定義，所以開發(fā)過程中我們盡量沿用了原有RTKLIB中的宏定義。同時為了增加代碼兼容性和可讀性，我們沒有增添新的結(jié)構(gòu)體，只對少部分的結(jié)構(gòu)體做了改動。4. 軟件操作說明4.1 界面介紹圖4.1為軟件主界面圖，其中從上到下分別是流動站文件，參考站文件，廣播星歷文件，精密星歷文件，精密種差等IGS文件，DCB DCB文件可以在

20、IGS官網(wǎng)下載：文件以及解算結(jié)果文件。其中參考站文件，基準(zhǔn)站文件和廣播星歷文件為必選，其余的為可選項。針對這次的比賽數(shù)據(jù)，我們特地為北斗廣播文件增設(shè)了一個選擇框，并且在源碼中進(jìn)行了識別。圖4.1 RTKPOST軟件主界面圖主要功能按鈕介紹：執(zhí)行解算：設(shè)置解算參數(shù)：查看解算結(jié)果：繪圖4.2 軟件安裝默認(rèn)我們在bin文件夾下已經(jīng)生成了windows下的exe可執(zhí)行程序，可直接使用，若在Linux下則需要使用qmake對gui文件夾下的重新編譯。4.3 軟件操作以單頻RTK比賽數(shù)據(jù)文件中的20160909-2下的數(shù)據(jù)為例：圖4.2 演示用例1）首先點擊Options按鈕，如圖4.3所示

21、，Settiing1選項卡中，Interval為采樣率，設(shè)置為1s，Elevaton Mask為截止高度角（單位為度）這里設(shè)置為10，Ionosphere Correction 與 Troposphere Correction為電離層與對流層模式，由于只是演示，這里分別選擇Broadcast和Saastamoinen，衛(wèi)星系統(tǒng)選擇GPS和北斗。Setting2選項卡中，F(xiàn)reqiquencies為頻率選擇，雖然流動站為單頻，但是基準(zhǔn)站為雙頻，所以還是選擇L1+2，在解算過程中會程序會自動識別。Integer Ambiguity Res為模糊度固定方式，由于是連續(xù)觀測，這里選擇Fix and H

22、old，MinRatio to Fix Ambiguity為ratio值，默認(rèn)為3，Smooth為是否平滑以及粗差探測，這里選擇ON。對于基準(zhǔn)站坐標(biāo)，這里選擇Average of Single Position，即單點定位平均值，若已知基準(zhǔn)站坐標(biāo)，則可以選擇X/Y/Z-ECEF(m)模式，從而輸入基準(zhǔn)站坐標(biāo)。Output中主要設(shè)置了輸出選項。這里Solution Format輸出坐標(biāo)格式，選擇E/N/U-Baseline，Time Format為時間格式，選擇hh:mm:ss GPST，Latitude/Longitude Format為基準(zhǔn)站坐標(biāo)格式，這里選擇ddd.dddddd，其余的保持

23、默認(rèn)即可。 圖4.3 參數(shù)設(shè)置2）按照如圖4.4所示選擇解算文件。 DCB改正同時需要CLK文件，CLK文件可以在IGS的FTP上下載：圖4.4 解算文件選擇3）上述步驟操作完成后，點擊Execute，進(jìn)行解算，解算完成后，點擊View可以查看解算結(jié)果。圖4.5 查看解算結(jié)果4）在主界面點擊Plot，可以查看繪圖結(jié)果，如圖4.6所示，右下角顯示的是固定率。圖4.5 波動圖5. 軟件測試5.1 測試計劃表5.1 測試計劃測試測試類型負(fù)責(zé)人時間1算法測試小組所有成員08月11日2界面測試小組所有成員08月13日3驗收小組所有成員08月14日5.2 測試方法及工具測試方法：在Visual Studio中編譯改進(jìn)后RTKLIB源碼，測試所有數(shù)據(jù)，同時在Qt中測試界面邏輯。工具：Visual Studio 2013，Qt Creator 4.3 + Qt 5.95.3 測試用例 我們在data文件夾下提供了在IGS的FTP上下載的額外數(shù)據(jù)圖5.1 比賽數(shù)據(jù)5.4 測試結(jié)果 關(guān)于算法的測試報告詳細(xì)信息請查看數(shù)據(jù)處理報告測試用例20160908-2測試日期2017-08-11序號測試項備注衛(wèi)星系統(tǒng)電離層、對流層星歷01GPS雙估廣播星歷由于比賽數(shù)據(jù)中北斗星歷存在問題