新一代國際標(biāo)準(zhǔn)RTCM V3.2及其應(yīng)用

陳 振，王 權(quán)，秘金鐘，谷守周，方書山，向常淦

(1.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；2.四川省第一測繪工程院，四川 成都 610100)

1 引言

差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(differential global navigation satellite system，DGNSS)由基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和流動站(用戶)三部分組成[1]。由DGNSS定位原理可知，基準(zhǔn)站形成差分改正信息，并利用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將差分改正信息發(fā)送給流動站用戶[2]。其中數(shù)據(jù)傳輸格式是數(shù)據(jù)通訊鏈的重要環(huán)節(jié)，差分定位的精度與差分改正信息的更新速率、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性密切相關(guān)，因此，要求數(shù)據(jù)通訊鏈傳輸快速、準(zhǔn)確、可靠[3]。

國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(radio technical commission for martine services，RTCM)是一種普遍采用的數(shù)據(jù)傳輸格式，它是由國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會提出的，用于制定在差分全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)和實時動態(tài)操作時使用的標(biāo)準(zhǔn)。

為滿足全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的發(fā)展趨勢，RTCM先后經(jīng)歷多次格式的改進(jìn)，目前應(yīng)用最普遍的是RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式，但為適應(yīng)歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)和我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)等新系統(tǒng)的發(fā)展、已有系統(tǒng)的改造升級(如新L2C和L5信號)以及地區(qū)性廣域差分增強系統(tǒng)(satellite-based augmentation systems，SBAS)的應(yīng)用，RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式應(yīng)運而生，本文就是對RTCM V3.1和RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行對比，淺析V3.2版本中更新的內(nèi)容和格式，討論RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的未來應(yīng)用情況。

2 RTCM發(fā)展歷程

國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會于1983年11月為全球推廣運用差分全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)業(yè)務(wù)設(shè)立了RTCM 104專門委員會(RTCM special committee NO.104，RTCM SC-104)，用于論證提供差分GPS業(yè)務(wù)的各種方法，并制定各種數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，RTCM標(biāo)準(zhǔn)格式共經(jīng)歷三個版本，即第一版、第二版和第三版[4]。

2.1 RTCM第一版

RTCM SC-104專門委員會于1985年公布了RTCM V1.0標(biāo)準(zhǔn)格式的建議文件，該版本主要描述了GPS系統(tǒng)差分信息。在早期差分GPS系統(tǒng)應(yīng)用和服務(wù)方面發(fā)揮了重要作用。。

2.2 RTCM第二版

RTCM V2.0標(biāo)準(zhǔn)格式于1990年1月頒布，該版本提高了差分改正數(shù)的抗差性，增大了可用信息量，差分定位精度由V1.0版本的8～10m提高到了5m，通?？蛇_(dá)到2～3m；但該版本的協(xié)議主要用于導(dǎo)航服務(wù)，只有偽距差分信息，沒有載波相位信息。

為了適應(yīng)載波相位差分GPS的需要，RTCM SC-104專門委員會于1994年公布了RTCM V2.1標(biāo)準(zhǔn)格式，其基本數(shù)據(jù)格式未變，增加了幾個支撐實時動態(tài)差分定位(real-time kinematic，RTK)的新信息，即信息18～21。

在1998年又公布了RTCM V2.2標(biāo)準(zhǔn)格式，它增加了支持俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)的差分導(dǎo)航信息，同時在相應(yīng)的信息中增加了區(qū)分GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星的標(biāo)志。

2001年又發(fā)布了RTCM V2.3標(biāo)準(zhǔn)格式，定義了信息23和24(天線參考類型)，它的實時動態(tài)定位精度優(yōu)于5 cm[5]。

2.3 RTCM第三版

RTCM V3.0標(biāo)準(zhǔn)格式于2004年公布，該版本提供了包括偽距和載波相位觀測值、天線參數(shù)和輔助系統(tǒng)參數(shù)這些用于支持GPS和GLONASS RTK作業(yè)的信息。

2006年10月公布了RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式，該版本新增了GPS網(wǎng)絡(luò)差分改正信息、GPS星歷信息、GLONASS星歷信息、用于提供文本信息的統(tǒng)一編碼信息以及為經(jīng)營商預(yù)留的用于為特殊用途提供專有服務(wù)的一系列信息類型[6]。RTCM V3.1主要是應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)RTK環(huán)境中，是一種更高效、簡潔且容易適用于新環(huán)境的數(shù)據(jù)格式，已經(jīng)通過了可靠性與實用性測試，出現(xiàn)新的內(nèi)容只需要修改保留位信息而不會影響已經(jīng)定義了的數(shù)據(jù)字段，因此有很強的實用性[7]。

針對RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式，RTCM SC-104專門委員會又提出了五次修正案，改進(jìn)了信息描述，增加了專有信息、網(wǎng)絡(luò)RTK殘差信息、真實參考站的位置信息(用于虛擬參考站Virtual Reference Station，VRS)、接收機與天線描述信息、處理四分之一周相位切換、GPS與GLONASS FKP技術(shù)、GLONASS主輔站技術(shù)(master auxiliary concept，MAC)、狀態(tài)空間差分(state space representation，SSR)信息等。

2013年2月公布了最新版本RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式，新定義了多信號信息(multiple signal message，MSM)和GLONASS偏差信息；同年7月提出了修正案RTCM V3.2.A.1，新增了BDS MSM和Galileo F/NAV衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)。

3 RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的更新

為了適應(yīng)新系統(tǒng)(尤其是BDS與Galileo)的發(fā)展、已有系統(tǒng)的改造升級(如新L2C和L5信號)以及地區(qū)性廣域差分增強系統(tǒng)的應(yīng)用，在RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了必要的擴展，得到了最新的RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式，主要包括幀結(jié)構(gòu)、信息類型、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)字段和信息。

3.1 幀結(jié)構(gòu)

RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的幀結(jié)構(gòu)與RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式相同，每幀數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的幀結(jié)構(gòu)

3.2 信息類型的更新

信息類型規(guī)定了每幀數(shù)據(jù)可變長度的數(shù)據(jù)信息，是RTCM協(xié)議傳輸各種信息的載體，所以信息類型的更新是版本更新的最主要部分，RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式相對于RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式的修訂和修正案總結(jié)如表2所示。

第三版中的信息類型根據(jù)用途被劃分為不同的信息組，為有效實現(xiàn)特定服務(wù)，服務(wù)商需要發(fā)送組中的幾種信息類型。RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式中已定義信息組包括觀測數(shù)據(jù)、測站坐標(biāo)、天線描述、網(wǎng)絡(luò)RTK改正、輔助觀測信息和專有信息，新版本不僅在已定義的信息組中補充新的信息類型，同時也定義了新的信息組(接收機與天線描述、轉(zhuǎn)換參數(shù)和狀態(tài)空間差分參數(shù))，新版本中各信息組新定義的內(nèi)容如表3所示。

表2 RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的修訂(3.x)和修正案(A.x)總結(jié)

表3 信息組更新

RTCM V3.1與V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式都支持GPS、GLONASS以及GPS/GLONASS組合RTK服務(wù)，在V3.1版本基礎(chǔ)上只能支持7種RTK服務(wù)水平(如表4所示)，V3.2版本通過定義新信息類型，能夠支持20種服務(wù)，其中前6種服務(wù)完全得到繼承，將單一的精密GPS網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)(V3.1版本中第7種服務(wù))擴展成6種網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，同時還實現(xiàn)3種狀態(tài)空間差分(SSR)服務(wù)，1種碼差分操作服務(wù)、2種不同精度操作服務(wù)和2種不同精度數(shù)據(jù)改正服務(wù)，服務(wù)商可以按照需求提供基本或者完整的服務(wù)[8]。

表4 RTCM V3.1與V3.2版本支持RTK服務(wù)對比

3.3 數(shù)據(jù)字段的更新

數(shù)據(jù)字段是信息的重要組成部分，每條信息是由若干數(shù)據(jù)字段按一定格式排列而成，數(shù)據(jù)字段規(guī)定數(shù)據(jù)字段的范圍、分辨率和數(shù)據(jù)類型。

RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式共定義了142個數(shù)據(jù)字段(Data Field，簡稱DF)，V3.2版本在原有基礎(chǔ)上新定義了285個數(shù)據(jù)字段，總量達(dá)到427個，定義新數(shù)據(jù)字段的目的是滿足描述新信息內(nèi)容的要求。新定義數(shù)據(jù)字段主要用于表示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)RTK殘差、狀態(tài)空間差分、GLONASS網(wǎng)絡(luò)RTK改正、FKP網(wǎng)絡(luò)RTK改正、多信號信息和GLONASS偏差信息等。

3.4 數(shù)據(jù)類型的更新

數(shù)據(jù)類型規(guī)定數(shù)據(jù)的范圍，包括位字段、八位字符、補碼整數(shù)、無符號整數(shù)、符號數(shù)值整數(shù)和統(tǒng)一碼UTF-8編碼共六種形式的數(shù)據(jù)類型。

RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式共定義了39種數(shù)據(jù)類型，RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式中增加定義了長度為8、9、10、15、19、25、26、27、34和35比特的補碼整型，2、9、14、26、35和36比特的無符號整型，其他數(shù)據(jù)類型未進(jìn)行修改，從而使數(shù)據(jù)類型達(dá)到55種。定義新數(shù)據(jù)類型是為了描述新定義的數(shù)據(jù)字段，隨著新數(shù)據(jù)字段數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)類型可能會繼續(xù)增加。

3.5 信息的更新

新定義信息類型的數(shù)量較多，在此以多信號信息和真實參考站信息類型為例進(jìn)行說明，其它信息類型的定義方式與以上兩種基本相似。

3.5.1 多信號信息組

多信號信息是為不同衛(wèi)星系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)提供通用傳輸格式而定義的，可以分解成壓縮信息和完整信息(類似于信息類型1003和1004，或者1011和1012)[9]。由于未來將有更多導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)被設(shè)計使用，新的多信號信息將會被定義，信息類型1070～1229正是為多信號信息預(yù)留的。在RTCM V3.2版本中定義了GPS、GLONASS、Galileo和BDS多信號信息，這些信息具有相似的信息類型，如表5所示。

表5 各系統(tǒng)多信號信息類型

注：N=0(GNSS特指GPS)；N=1(GNSS特指GLONASS)；N=2(GNSS特指Galileo)；N=3(GNSS特指BDS)。

多信號信息類型共定義7種，受篇幅所限，對多信號信息類型的比特結(jié)構(gòu)不再贅述，可參考RTCM V3.2協(xié)議。

各種導(dǎo)航定位系統(tǒng)的多信號信息具有相同的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部模塊排列順序也基本相同，如表6所示。

表6 多信號信息內(nèi)容和各模塊排列順序

所有數(shù)據(jù)字段不是根據(jù)衛(wèi)星或信號來分組的，而是根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分組。具體就是，如果在一個衛(wèi)星數(shù)據(jù)模塊中被傳送的數(shù)據(jù)字段不止一個，就將所有可利用衛(wèi)星的第一個數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行打包，緊接著是第二個，以此類推。相似的，如果傳送的信號數(shù)據(jù)字段不止一個，那就將各可利用衛(wèi)星與信號組合進(jìn)行打包，緊接著是第二個數(shù)據(jù)字段，也對應(yīng)于各可利用衛(wèi)星和信號。這種打包的方式就是“內(nèi)部循環(huán)”。

對于多信號信息的不同類型，RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式定義了相同的信息頭格式，如表7所示。

表7 多信號信息各信息類型(MSM1—MSM7)信息頭的內(nèi)容

衛(wèi)星信息的發(fā)送是有條件的，只有當(dāng)衛(wèi)星標(biāo)記(DF394)對應(yīng)值為1時，該衛(wèi)星的衛(wèi)星信息才會在MSM中發(fā)送。因此，如果衛(wèi)星標(biāo)記設(shè)為1，每個數(shù)據(jù)字段將重復(fù)Nsat次(利用了內(nèi)部循環(huán))，循環(huán)數(shù)據(jù)的順序?qū)?yīng)于衛(wèi)星標(biāo)記中的順序，Nsat指衛(wèi)星數(shù)量。多信號信息各信息類型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)內(nèi)容分別如表8、表9和表10所示。

表8 多信號信息類型MSM1/MSM2/MSM3的衛(wèi)星數(shù)據(jù)內(nèi)容

表9 多信號信息類型MSM4/MSM6的衛(wèi)星數(shù)據(jù)內(nèi)容

表10 多信號信息類型MSM5/MSM7的衛(wèi)星數(shù)據(jù)內(nèi)容

信號信息的發(fā)送也是有條件的，只有當(dāng)單元格標(biāo)記(DF396)對應(yīng)值為1時，該信號與衛(wèi)星組合的信號信息才會在MSM中發(fā)送。因此，如果單元格標(biāo)記設(shè)為1，每個數(shù)據(jù)字段將重復(fù)Ncell次(利用了內(nèi)部循環(huán))，循環(huán)數(shù)據(jù)的順序?qū)?yīng)于單元格標(biāo)記中的順序，Ncell指信號數(shù)據(jù)模塊的數(shù)量。多信號信息各信息類型的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容如表11至17所示。

表11 多信號信息類型MSM1的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表12 多信號信息類型MSM2的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表13 多信號信息類型MSM3的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表14 多信號信息類型MSM4的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表15 多信號信息類型MSM5的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表16 多信號信息類型MSM6的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表17 多信號信息類型MSM7的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

多信號信息是以某一物理歷元來發(fā)送，因此，采用多信息指示符(DF393)來表示該歷元是否結(jié)束(該指示符適用于各種GNSS系統(tǒng))。當(dāng)在某一物理歷元和某一參考站ID后還有同一種或另一種GNSS系統(tǒng)多信號信息存在時，該指示符被設(shè)為1。為有效利用該指示符，解碼軟件應(yīng)當(dāng)了解該數(shù)據(jù)流中所有可能發(fā)送的GNSS信息類型。然而，未來更多導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多信號信息將會被定義，裂解所有GNSS信息類型不太現(xiàn)實。由信息頭結(jié)構(gòu)可知，在MTxxx1、MTxxx2、MTxxx3、MTxxx4、MTxxx5、MTxxx6、MTxxx7信息中第55個字符代表MSM多信息指示符，這能確保解碼軟件在不了解新導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多信號信息的內(nèi)容和格式的情況下得到歷元結(jié)束信息。

3.5.2 真實參考站坐標(biāo)信息

新定義的真實參考站坐標(biāo)信息類型1032的內(nèi)容如表18所示。

表18 真實參考站坐標(biāo)信息類型1032的內(nèi)容

下面是一個信息類型1032(真實參考站坐標(biāo)信息)的十六進(jìn)制例子：

D3 00 14 40 80 03 7D 30 02 98 0E DE EF D2 D2

F5 8A B0 94 19 86 F3 30 36 0B 98

此條信息代表的參數(shù)是：

虛擬參考站ID：03

真實參考站ID:2003

真實參考站天線參考點地固系X坐標(biāo)：1 114 104.599 9 m

真實參考站天線參考點地固系Y坐標(biāo)：-4 850 729.710 8 m

真實參考站天線參考點地固系Z坐標(biāo)：3 975 521.464 3 m

4 RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的未來應(yīng)用

新版本的內(nèi)容大體可分為RTK、網(wǎng)絡(luò)RTK、

狀態(tài)空間差分SSR、輔助GNSS技術(shù)等協(xié)議，這些功能主要應(yīng)用于GNSS高精度實時定位領(lǐng)域，符合RTCM SC-104標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的主流方向。在未來應(yīng)用上，RTCM協(xié)議應(yīng)該會將實現(xiàn)區(qū)域增強系統(tǒng)格式的修訂作為首要目標(biāo)。

RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的制定，彌補了此前版本中網(wǎng)絡(luò)RTK信息的不足，定義了包含GPS、GLONASS、Galileo和BDS的多信號信息組(MSM)，增加Galileo和BDS信息，同時伴隨著選擇可用性政策的撤消，使得支持RTK服務(wù)的帶寬顯著降低，支持現(xiàn)在所有的服務(wù)并減少了數(shù)據(jù)傳載量，拓寬了RTCM的應(yīng)用領(lǐng)域，目前已被廣泛應(yīng)用于海運、內(nèi)陸交通、工程施工、國土規(guī)劃、大地測量等各個領(lǐng)域來傳輸差分GNSS數(shù)據(jù)[10]。RTCM標(biāo)準(zhǔn)格式已成為衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域芯片制造商、板卡集成商、整機制造商、應(yīng)用服務(wù)提供商、以及用戶等在設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)加工、應(yīng)用推廣等產(chǎn)業(yè)鏈中必須遵守的關(guān)鍵協(xié)議之一，雖然是推薦標(biāo)準(zhǔn)，但卻是事實上的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

RTCM第三版本通過對一個參考站或一個參考站網(wǎng)絡(luò)的描述，定義了支持GPS和GLONASS系統(tǒng)操作的信息格式和技術(shù)手段。新版本顧全了開發(fā)中的新系統(tǒng)(尤其是BDS和Galileo)的應(yīng)用、已有系統(tǒng)的完善(如新L2C、L5信號)和星基增強系統(tǒng)的使用，這些更新是為了滿足當(dāng)前和未來差分GNSS技術(shù)的需求，使傳輸?shù)男畔⒏雍啙崒嵱?，更好的為在航海、航空、地面交通和科研工作中的?yīng)用打下基礎(chǔ)，尤其是BDS系統(tǒng)相關(guān)協(xié)議的制定將會為北斗在國內(nèi)外GNSS高精度差分定位領(lǐng)域的應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)支撐，從而提供完整、獨立、兼容的服務(wù)。

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