基于VB的GPS掩星信号自动采集系统研究

种嘉亮　李长星　王铁永

摘要：为了实时采集GPS掩星信号，利用VB编写串口程序，提取和分析GPS标准协议下语句和字段值，详细分析其中的$GPGGA和$GPGSV语句，通过解析这些语句，在窗口界面上显示一些重要的GPS掩星数据信息，包括基于WSG-84坐标系的位置信息以及卫星编号，仰角，方位角，信噪比和相位等参数，并根据所设定的卫星信号接收的起止角度，通过对卫星实时仰角的判决，实现掩星数据的自动采集。

关键词：GPS掩星；VB；串口通信；自动采集

中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）05-0228-04

Abstract： A method based on Visual Basic language is introduced for capturing real-time GPS occultation data. By picking-up and analyzing GPS sentences， especially the $GPGGA and $GPGSV sentence， some important GPS occultation information is displayed on the screen， such as latitude and longitude coordinates based on WGS-84， Satellite ID， Elevation angle， Azimuth angle， Signal-to-noise ratio， Carrier phase and so on. When the elevation angle is in the angle range set before， the automatic capture of GPS occultation data is achieved.

Key words： GPS occultation； VB； Port communications； Automatic capture

1 背景

GPS系统是目前世界上应用最广泛的卫星定位系统，最初是美国政府为满足其军事部门在全球范围的高精度导航和定位而建立的，它包括卫星星座，地面监控系统和GPS信号接收机三个部分[1]，在定位方面使用的是大地坐标系WSG-84，具有很高的定位精度，经过几十年的不断发展，GPS系统已经应用于生活的各个领域。而GPS掩星技术正是在此基础上应运而生的一门新兴技术，掩星发生时刻 GPS卫星和山基或星载的接收机之间的视向距离被地球所遮掩，卫星信号经过大气层的折射传输达到接收机，其几何关系图如图1所示：

GPS掩星技术正是利用信号传输过程中的弯曲角，根据Abel积分，Snell定理以及相关的几何知识，反演出卫星信号路径上折射率随高度的梯度分布，更进一步根据折射率算出该区域内的水汽分布，温度廓线，气压分布等[2～9]。这些气象信息的意义在于：1）民用上改进了数值天气预报，利于支持气候变化研究，检测和改善大气模式等；2）军事上体现在大气折射场对无线短波通讯的影响，针对高新武器，卫星监控，飞船定位中的应用，以及气象资料在军事战争中的价值。由于该方法具有测量精度高，垂直分辨率高，全球覆盖，全天候，长期稳定等特点，因此具有广阔的应用前景[10]。常规的掩星观测是利用卫星星历文件预报掩星发生时间，在该时间段内手动实现数据采集，由于掩星发生时间零散分布于全天24小时，该方法不便于长期的掩星观测。而本文的内容主要是针对掩星发生时刻卫星信号的自动采集进行研究，为接下来的大气参数的反演奠定基础。

2 GPS数据协议介绍

3 系统设计的思路框图

利用掩星技术反演大气参数中，一般认为GPS卫星仰角有完整的从-2度到+2度时接收到的信号为有效的掩星数据，而一个固定的观测点每天大约能够观测到近百个掩星事件，本系统关键思想就是对接收到的GPS卫星的仰角进行实时判决，如果其在设定的区间内，则视为掩星开始，记录数据，直到本次掩星事件结束，否则跳过，如图2所示：

系统主要功能：1）实时显示接收到的卫星数据，包括接收区的信号信息，接收机的地理位置信息以及卫星的方位信息；2）接收方式的设定，包括手动接收和自动接收，自动接收时设定接收的起止仰角，自动接收设定区的橙色指示灯用于显示自动接收状态；每完成一次掩星事件的数据存储，记录次数加1.

4 算法实现

4.1 MSComm控件

本采集系统使用的GPS接收机为天宝BD970型号，接收机与计算机之间采用的是RS-232的串口数据传输，而计算机则是通过MSComm串口通信控件[12]接收来自接收机的GPS语句。该控件的设置如下：MSCommPort=1，表示使用计算机的串口1；Settings=“115200，N，8，1”表示串口通信协议为波特率115200bps，8个数据位，无奇偶校验，1个停止位；Rthrehold=1000，表示接收缓冲区没收到1000个字符就使MSComm控件产生OnComm事件。OnComm（）事件代码如下：

4.2 核心算法

本系统的核心算法是GPS语句串的提取与分离，以及卫星仰角的判决。除了$GPGGA和$GPGSV语句外，现有的接收机的输出语句包含了卫星号，仰角，方位角，信噪比和相位等信息。每个语句串都是以“$$”开头的字符串，而接收机的原始数据表示为十六进制ASCII码，即“$”表示为十六进制的ASCII码是数字“24”。 因此必须先把以“$$”开头的语句串提取出来，分离其中的卫星号，仰角等信息，在屏幕上显示出来：

5 结束语

本文介绍了基于天宝BD970型号接收机的GPS掩星信号自动采集系统，通过对大量的GPS语句进行提取和分离的处理，在窗口显示GPS掩星技术所需的仰角，信噪比和相位等信息，并根据对仰角的实时判决，实现数据的自动记录。实验表明，该系统能够很好地完成数据自动采集的任务，这将为今后的GPS掩星技术的研究提供支撑。

参考文献：

[1] 丁金才. GPS气象学及其应用[M]. 北京： 气象出版社， 2009.

[2] 曹云昌， 胡雄， 符养， 等. 山基和地基GPS联合探测大气折射廓线的试验研究[J]. 高技术通讯， 2008， 8（8）.

[3] G.A.Hajj， L.C.Lee， X.Pi. COSMIC GPS Ionospheric Sensing and Space Weather， Tao， 11.

[4] 胡雄， 曾桢， 张训械， 等. 大气GPS掩星观测反演方法[J]. 地球物理学报， 2005， 48（4）： 768-774.

[5] 宮晓艳， 胡雄， 吴小成， 等. 大气掩星反演误差特性初步分析[J]. 地球物理学报， 2007， 50（4）： 1017-1029.

[6] Anthes， R.A.， C.Rocken， Y.Kuo， Applications of COSMIC to Meteorology and Climate. Terrestrial Atmospheric and Oceanic Science， 2000， 11（1）： 115-156.

[7] 吴小成， 胡雄， 张训械， 等. 电离层GPS 掩星观测改正TEC反演方法[J]. 地球物理学报， 2006， 49（2）： 25-31.

[8] 蒋虎， 王小亚， 余金培， 等. GPS无线电掩星技术监测地球大气关键技术[J]. GNSS World of China， 2008（5）.

[9] 周义炎， 吴云， 乔学军， 等. GPS掩星技术与电离层反演[J]. 大地测量与地球动力学， 2005.

[10] 严豪建，符养，洪振杰， 等. 天基GPS气象学与反演技术[M]. 北京： 中国科学技术出版社， 2006.

[11] 秦正田. GIS /GSM /GPS 信息处理技术及其应用研究[D]. 上海： 上海海运学院， 2002.

[12] 黄淼云， 张学忠， 王福成. Visual Basic控件应用编程实例教程[M]. 北京： 北京希望电子出版社， 2002.