室內(nèi)定位信息傳輸電文格式研究

張昀超，周明濤，甄 杰

(中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

1 引言

在室外定位領(lǐng)域，基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的位置服務(wù)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，與位置信息相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸格式標(biāo)準(zhǔn)，如：美國國家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association，NMEA)的NMEA 0183協(xié)議，國際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會(huì)(Radio Technical Commission for Maritime services，RTCM)第104專業(yè)委員會(huì)(Special Committee 104，SC-104)的RTCM SC-104協(xié)議，已經(jīng)得到社會(huì)的廣泛采用。然而據(jù)統(tǒng)計(jì)，人們每天平均85%的時(shí)間在室內(nèi)活動(dòng)，當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活各領(lǐng)域?qū)τ诖笮唾徫镏行?、醫(yī)院、機(jī)場、礦山等復(fù)雜室內(nèi)及地下空間與位置信息相關(guān)的商業(yè)信息服務(wù)，安全管理，應(yīng)急響應(yīng)等需求日益迫切，室內(nèi)定位正在成為位置服務(wù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于室外導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)受建筑物的遮擋，無法在室內(nèi)空間進(jìn)行定位，必須尋找適用于室內(nèi)的導(dǎo)航定位方法。目前基于無線電信號(hào)的室內(nèi)定位技術(shù)主要有無線保真(wireless fidelity，WiFi)，超寬帶(ultra-wideband，UWB)，紅外，藍(lán)牙，超聲波，射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)和小區(qū)識(shí)別碼(Cell，Cell-ID)等，但是由于無線電信號(hào)在室內(nèi)的多徑及非視距傳播(non line of sight，NLOS)遮擋效應(yīng)，信號(hào)衰減嚴(yán)重，使其定位精度及覆蓋范圍受到很大限制?；谖T導(dǎo)等終端集成定位傳感器的室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)研究正在逐漸深入。國外的室內(nèi)位置服務(wù)系統(tǒng)解決方案主要有蘋果公司基于藍(lán)牙4.0的iBeacon解決方案，高通公司基于Gimbal傳感器和基于WiFi的RTT解決方案等。三星、索尼、高通等19家通信企業(yè)組成了全球室內(nèi)定位聯(lián)盟(In-Location Alliance)，致力于提供“高精準(zhǔn)、低功耗、可移動(dòng)性、易部署性以及使用性”的室內(nèi)定位裝置和解決方案，相關(guān)國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在制定中。國內(nèi)百度、高德、四維、智慧圖等公司也在研發(fā)基于WiFi、藍(lán)牙的室內(nèi)定位產(chǎn)品。

由于室內(nèi)定位技術(shù)是一個(gè)剛剛興起的熱點(diǎn)技術(shù)，而且室內(nèi)定位環(huán)境的復(fù)雜性，室內(nèi)無線定位信號(hào)及定位傳感器功能的局限性，目前還沒有一種室內(nèi)定位技術(shù)能夠像室外衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)那樣一統(tǒng)天下，在今后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)都可能是多種室內(nèi)定位技術(shù)手段并存或者進(jìn)行組合定位的局面。室內(nèi)定位目前尚未形成完整技術(shù)體系，相關(guān)的室內(nèi)位置信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，急需進(jìn)行相關(guān)的研究與探索。

2 位置信息相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

NMEA 0183和RTCM SC-104是目前室外GNSS導(dǎo)航定位領(lǐng)域國際通用的數(shù)據(jù)傳輸格式，二者因使用目的不同，編碼方式及適用場合完全不同。NMEA 0183通常用于導(dǎo)航設(shè)備終端，以美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼(American standard code for information interchange，ASCII)碼字符形式直接輸出定位結(jié)果，便于使用者查看。RTCM SC-104則用于傳輸二進(jìn)制形式的基準(zhǔn)站坐標(biāo)，原始觀測數(shù)據(jù)、差分改正值等相關(guān)差分信息，傳輸?shù)男畔⒅饕糜诓罘秩蛐l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(differential global navigation satellite systems，DGNSS)的高精度定位解算，并不直接輸出定位結(jié)果。高精度定位終端通過DGNSS解算出的高精度定位結(jié)果仍然需要通過NMEA 0183進(jìn)行終端顯示與輸出。天寶(Trimble)、諾瓦泰(NovAtel)等公司還有各自制定的專用DGNSS數(shù)據(jù)格式，如Trimble 的CMR(compact measurement record)等，這些專用格式彼此互不兼容。此外，需要特別說明的是Ntrip(networked transport of RTCM via internet protocol)是通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行RTCM SC-104差分?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議。它不是一個(gè)位置信息電文格式標(biāo)準(zhǔn)，而是為了RTCM差分電文信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸制定的專用網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

2.1 NMEA 0183協(xié)議

NMEA 0183協(xié)議最初是美國國家海洋電子協(xié)會(huì)為全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)[1]。它是一套定義GNSS接收機(jī)定位輸出的標(biāo)準(zhǔn)信息，有幾種不同的格式，每種都是獨(dú)立相關(guān)的ASCII格式，逗點(diǎn)隔開數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流長度從30-100字符不等，通常以每秒間隔選擇輸出，最常用的格式為“GGA”，它包含了定位時(shí)間、緯度、經(jīng)度、高度、定位所用的衛(wèi)星數(shù)、精度衰減因子(dilution of precision，DOP)值、差分狀態(tài)和校正時(shí)段等，其他的有速度、跟蹤、日期等。該協(xié)議采用ASCII碼，其串行通信默認(rèn)參數(shù)為：波特率=4 800 bps，數(shù)據(jù)位=8 bits，開始位=1 bit，停止位=1 bit，無奇偶校驗(yàn)。幀格式形如：$aaccc，ddd，ddd，…，ddd*hh。

表1 NMEA 0183數(shù)據(jù)格式

NMEA 0183協(xié)議定義的語句非常多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。

NMEA 0183協(xié)議是目前GPS接收機(jī)上使用最廣泛的協(xié)議，大多數(shù)常見的GPS接收機(jī)、GPS數(shù)據(jù)處理軟件、導(dǎo)航軟件都遵守或者至少兼容這個(gè)協(xié)議。

2.2 RTCM SC-104差分電文格式標(biāo)準(zhǔn)

RTCM SC-104差分電文格式標(biāo)準(zhǔn)是國際海事無線電技術(shù)委員會(huì)第104專業(yè)委員會(huì)制定的全球通用DGNSS電文格式協(xié)議[2]。它用于在解算中心、基準(zhǔn)站和用戶站之間傳輸二進(jìn)制差分?jǐn)?shù)據(jù)。RTCM SC-104陸續(xù)公布了多種差分?jǐn)?shù)據(jù)格式，V2.0僅用于差分全球定位系統(tǒng)(differential global positioning system，DGPS)；V2.1添加了載波相位數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法(real-time kinematic，RTK)修正數(shù)據(jù)；V2.2包括了俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)數(shù)據(jù)和相關(guān)信息；V2.3增加天線數(shù)據(jù)類型和地址解析協(xié)議(address resolution protocol，ARP)信息；V3.0增加了用于傳輸網(wǎng)絡(luò)差分改正數(shù)的電文，支持網(wǎng)絡(luò)RTK。目前最新公布版本為V3.2(2013-02-01)，V2.3和V3.0是現(xiàn)在使用最廣的版本。RTCM SC-104 V3.0典型電文格式如下：

表2 RTCM SC-104電文格式

RTCM SC-104引導(dǎo)字為D3，是一個(gè)固定的8比特位序列。接著的6個(gè)比特位是保留的，設(shè)置成0。移動(dòng)用戶接收機(jī)應(yīng)該忽略這些比特并且不能認(rèn)為它們總是被設(shè)置為0。可變長度電文是實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容，根據(jù)內(nèi)容不同長度會(huì)有所變化，但不超過1023個(gè)字節(jié)。如果數(shù)據(jù)鏈接需要短電文以保持一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流，那么可變長度數(shù)據(jù)電文應(yīng)該被設(shè)置為0，提供一個(gè)長度為48位的填充電文。24位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(cyclic redundancy check，CRC)提供針對(duì)突發(fā)性錯(cuò)誤的保護(hù)，可以檢測出所有的單個(gè)位錯(cuò)、幾乎所有的雙個(gè)位錯(cuò)，傳輸可靠性很高。CRC對(duì)連續(xù)字節(jié)的操作開始于引導(dǎo)字，直到可變長度電文域的結(jié)尾。

RTCM SC-104包含多種信息類型，主要有觀測類型，基準(zhǔn)坐標(biāo)類型，網(wǎng)絡(luò)RTK改正類型及其它輔助類型。其中觀測類型根據(jù)傳輸衛(wèi)星系統(tǒng)可分為GPS和GLONASS[3-4]，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容又可分為單L1，L1+L2等多種類型，RTCM SC-104協(xié)議文件中給出了幾種信息類型組合，用戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的組合。

3 NMEA 0183協(xié)議和RTCM SC-104協(xié)議分析

3.1 兩種協(xié)議數(shù)據(jù)格式對(duì)比

表3 數(shù)據(jù)格式對(duì)比

因?yàn)橛?jì)算機(jī)的設(shè)備端口需要提供ASCII碼字符進(jìn)行顯示，所以NMEA 0183協(xié)議直接輸出ASCII格式的定位數(shù)據(jù)，使用戶直接通過顯示或接收端口就可以看到直觀的定位結(jié)果。它具有編碼結(jié)構(gòu)簡單，可讀性好等優(yōu)點(diǎn)，適于信息量小的文本數(shù)據(jù)傳輸。NMEA 0183協(xié)議已成為所有的GPS接收機(jī)最通用的定位數(shù)據(jù)輸出格式。但是因?yàn)檩敵龅拿總€(gè)字符和數(shù)字都用8位的ASCII碼表示，并且沒有進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)壓縮編碼，其數(shù)據(jù)生成量較大，傳輸效率低，不適合大數(shù)據(jù)量的傳輸。如果網(wǎng)絡(luò)RTK的原始觀測數(shù)據(jù)通過NMEA 0183方式傳輸，產(chǎn)生的傳輸數(shù)據(jù)量將是RTCM SC-104的5倍以上，這將大大降低數(shù)據(jù)傳輸效率和實(shí)時(shí)性。

相對(duì)于NMEA 0183，RTCM SC-104使用了壓縮二進(jìn)制格式，網(wǎng)絡(luò)傳輸更為有效。以使用頻度最高的原始觀測值輸出為例，電文編碼在保證必要精度的前提下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了最大范圍的壓縮，如：L1偽距原始觀測值用24位表示，既滿足精度，又減少了數(shù)據(jù)的使用量。其它L1載波相位，L2偽距和L2載波相位都分別用自身與L1偽距原始觀測值的差值表示，這樣分別只用20位，8位，20位就足夠了，極大壓縮了數(shù)據(jù)的生成量。基準(zhǔn)站天線基準(zhǔn)點(diǎn)中的XYZ坐標(biāo)值也分別采用38位表示，相對(duì)與計(jì)算機(jī)中常用的雙精度64位節(jié)省接近一半的數(shù)據(jù)使用量。特別是在多星系統(tǒng)[3-6]下，壓縮的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式能減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，在野外網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差的情況下，低的數(shù)據(jù)速率對(duì)提高連續(xù)工作時(shí)間，增加電臺(tái)之間的傳輸距離頗有益處，同時(shí)減少傳輸時(shí)間也提高了定位實(shí)時(shí)性。目前微處理器的運(yùn)算能力能夠很好地解決編碼復(fù)雜性問題。

NMEA 0183由于可直接輸出定位信息，兼容性好，基本上所有的GNSS接收機(jī)都能輸出NMEA 0183格式的數(shù)據(jù)，適用于導(dǎo)航設(shè)備的最終定位結(jié)果輸出。而RTCM SC-104使用了壓縮的二進(jìn)制格式，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)短小而復(fù)雜，效率高，可以傳輸較大數(shù)據(jù)量以及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，目前只有需要差分定位的高精度GNSS接收機(jī)才支持該格式，適用于高精度定位領(lǐng)域。

3.2 兩種數(shù)據(jù)傳輸格式在網(wǎng)絡(luò)RTK中的應(yīng)用

圖1 網(wǎng)絡(luò)RTK數(shù)據(jù)傳輸格式及流程

如圖1所示[7-9]，基準(zhǔn)站通過網(wǎng)絡(luò)傳輸RTCM SC-104格式的原始數(shù)據(jù)到解算中心，當(dāng)有移動(dòng)站請(qǐng)求RTK服務(wù)時(shí)，先對(duì)用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證，通過后會(huì)等待用戶用NMEA 0183格式發(fā)送的概略坐標(biāo)，解算中心根據(jù)收到的概略坐標(biāo)，選擇合適的基準(zhǔn)站(3個(gè)左右)，虛擬出一個(gè)坐標(biāo)位于用戶站附近的基準(zhǔn)站，通常RTK的誤差隨著移動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的距離增加而增加，一個(gè)移動(dòng)站附近的基準(zhǔn)站能最大限度的提高RTK精度。解算中心持續(xù)發(fā)送虛擬基準(zhǔn)站坐標(biāo)位置和解算后基于此坐標(biāo)的原始觀測值到移動(dòng)站，收到數(shù)據(jù)的移動(dòng)站可以用常規(guī)RTK方式進(jìn)行數(shù)據(jù)改正和解算，最終以NMEA 0183格式輸出精密的位置坐標(biāo)。

4 室內(nèi)定位信息傳輸方式

目前室內(nèi)定位技術(shù)尚不完善，由室內(nèi)定位傳感器與WiFi等無線信號(hào)融合的多源組合導(dǎo)航定位技術(shù)是未來室內(nèi)定位主要研究方向之一。除了移動(dòng)端基于各種集成定位傳感器及無線定位信號(hào)的自定位外，集成于移動(dòng)端的微慣性陀螺等各種輔助定位傳感器、WiFi等產(chǎn)生大量與定位相關(guān)的原始觀測數(shù)據(jù)，傳輸給系統(tǒng)位置服務(wù)中心進(jìn)行處理和解算，可獲得比移動(dòng)端自定位更高精度的室內(nèi)定位結(jié)果。室內(nèi)定位傳感器輸出的大量原始觀測數(shù)據(jù)可參考RTCM SC-104傳輸格式進(jìn)行傳輸，最終的室內(nèi)定位結(jié)果輸出可參考NMEA 0183。根據(jù)室內(nèi)定位方法的不同，傳輸數(shù)據(jù)的不同，可適當(dāng)對(duì)上述定位傳輸協(xié)議進(jìn)行修改和自定義擴(kuò)充。

表4以傳輸某基準(zhǔn)站觀測到的GPS 12顆衛(wèi)星的L1，L2偽距、載波相位原始觀測值為例，對(duì)比了類似NMEA 0183格式，某二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸格式及RTCM SC-104 3.0格式的產(chǎn)生數(shù)據(jù)量大小(注：1字節(jié)(Byte)=8位(bits))。

從表4 可以看出，12顆衛(wèi)星L1，L2 原始觀測數(shù)據(jù)分別通過RTCM SC-104電文格式傳輸、某二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸、仿NMEA 0183 ASCII碼傳輸，數(shù)據(jù)傳輸效率比是5∶2.5∶1?？梢?，相比NMEA 0183格式，RTCM協(xié)議傳輸效率高5倍?？梢妼?duì)大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)信息傳輸必須考慮數(shù)據(jù)編碼效率。

表4 三種數(shù)據(jù)傳輸格式對(duì)比

5 結(jié)束語

本文對(duì)通用的室外衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比，對(duì)傳輸大量原始觀測數(shù)據(jù)的幾種電文格式進(jìn)行了對(duì)比，提出了室內(nèi)定位數(shù)據(jù)傳輸格式的構(gòu)想，并指出編碼效率是大數(shù)據(jù)量信息傳輸必須考慮的因素。

[1] NMEA 0183，NMEA 0183 Standard for Interfacing Marine Electronic Devices，Version 3.01 [S].

[2] RTCM 10403.1(RTCM Paper 177-2006-SC104-STD)，RTCM standard 10403.1 for differential GNSS[S].

[3] SJ/T 11417-2010，GPS接口控制文件[S].

[4] SJ/T 11418-2010，GLONASS接口控制文件[S].

[5] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范(1.0 版)[EB/OL].(2013-12-01)[2014-08-12].http：//www.beidou.gov.cn/attach/2013/12/26/20131226fe8b20aad5f34091a6f8a84b08b1c4b1.pdf.

[6] The European Union.Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)ICD信號(hào)接口控制文件 Galileo OS SIS ICD(Open Service Signal-In-Space Interface Control)[EB/OL].(2010-09-01)[2014-08-12].http：//ec.europa.eu/enterprise/policies/satnav/galileo/files/galileo-os-sis-icd-issue1-revision1_en.pdf.

[7] CH/T 2008-2005，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范[S].

[8] GB/T 19391-2003，全球定位系統(tǒng)(GPS)術(shù)語及定義[S].

[9] 導(dǎo)航與位置服務(wù)科技專項(xiàng)總體專家組，地球觀測與導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ш街黝}專家組.XH/T 1101-2013，羲和系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范GNSS基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸格式(1.0 版)[EB/OL].(2013-09-01)[2014-08-12].http：//www.nrscc.gov.cn/nrscc/upload/2013/2d04bb66ee5c40b2b228310ee883d73a1380438729921.pdf.