DGNSS數(shù)據(jù)傳輸格式RTCM3.2的介紹及解碼研究

于曉東,呂志偉,王兵浩,于合理,閆建巧

(信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

DGNSS數(shù)據(jù)傳輸格式RTCM3.2的介紹及解碼研究

于曉東,呂志偉,王兵浩,于合理,閆建巧

(信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

摘要：傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK中數(shù)據(jù)中心和流動(dòng)站的數(shù)據(jù)傳輸一般采用RTCM SC-104格式,而數(shù)據(jù)中心和參考站之間一般采用接收機(jī)廠商自定義的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)格式。為了滿足新一代網(wǎng)絡(luò)RTK多系統(tǒng),多信息類型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸,RTCM委員會(huì)專門推出了最新的RTCM 10403.2數(shù)據(jù)格式。本文詳細(xì)介紹了最新版的RTCM3.2電文特點(diǎn),新增的MSM電文,編、解碼方式以及對(duì)BDS系統(tǒng)的支持。給出了MSM電文組的解碼流程,通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼實(shí)驗(yàn),證明了算法的正確性和可靠性。

關(guān)鍵詞：DGNSS;RTCM3.2;MSM;解碼;北斗

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.009

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：號(hào)： 1008-9268(2015)03-0037-05

收稿日期：2015-01-06

作者簡(jiǎn)介

Abstract:The standard of RTCM SC-104 has been widely used in transmitting the data between analysis center and mobile stations. However, the traditional communication between analysis center and reference stations usually use the self-defining standard made by the GNSS receiver producer. The least version RTCM3.2 was made to support the DGNSS data transmission. This paper introduced the message type, the added MSM, the main information packaged in the message, and the part related to the BDS. A practical coding and decoding method of converting GNSS observation data between binary data was proposed. The method is proved to be correct and effective.

0引言

隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的發(fā)展、美國(guó)GPS的現(xiàn)代化、以及俄羅斯的GLONASS和歐盟的GALILEO的蓬勃發(fā)展,差分GNSS得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。為了滿足這些系統(tǒng)的高精度差分定位以及增強(qiáng)服務(wù)的需求,國(guó)際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會(huì)(RTCM)第104專業(yè)委員會(huì)推出了一系列的差分導(dǎo)航全球衛(wèi)星系統(tǒng)(DGNSS)數(shù)據(jù)通用格式。

自上世紀(jì)九十年代推出RTCM2.X以來,RTCM格式目前已被廣泛用于測(cè)繪、施工、運(yùn)輸、規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域來傳輸差分GNSS數(shù)據(jù)。但在使用中發(fā)現(xiàn),RTCM2.X在一些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上存在明顯的缺陷,例如在檢驗(yàn)位的設(shè)置上對(duì)帶寬造成了很大的浪費(fèi),并且檢校碼之間不獨(dú)立,給解碼造成了一定困難[2-3]。為了克服RTCM2.X的這些缺陷,RTCM委員會(huì)2006推出了RTCM3.0格式。同時(shí)為了滿足日益增多的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及多頻的需求,2013年又推出了RTCM3.2(RTCM standard 10403.2 differential GNSS Services-Version 3)[2]。

RTCM 3.2的制定和修正,不僅彌補(bǔ)了之前版本中的缺陷,還增加和擴(kuò)展了多種網(wǎng)絡(luò)RTK信息,定義了包含GPS、GLONASS、GALILEO 和BDS的多信號(hào)信息組(MSM),拓寬了RTCM 的應(yīng)用領(lǐng)域。尤其值得強(qiáng)調(diào)的是MSM電文組可以對(duì)北斗系統(tǒng)提供支持,這對(duì)北斗的高精度差分定位服務(wù)有著重要的意義[4]。但是由于RTCM3.2標(biāo)準(zhǔn)公布的時(shí)間較短,支持此標(biāo)準(zhǔn)的接收機(jī)較少,對(duì)編碼、解碼流程研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。因此本文重點(diǎn)對(duì)RTCM3.2格式中新增的MSM電文組進(jìn)行研究,并對(duì)MSM進(jìn)行了解碼程序設(shè)計(jì),采用實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1RTCM 3.2的電文內(nèi)容

1.1　RTCM3.X數(shù)據(jù)內(nèi)容

RTCM3.X標(biāo)準(zhǔn)包含應(yīng)用層、表示層、傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層以及物理層。對(duì)于編碼、解碼最重要的是表示層和傳輸層[2,5]。表示層對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做出了詳細(xì)的定義,包含數(shù)據(jù)字段、消息類型等。傳輸層定義了傳輸?shù)膮f(xié)議,校驗(yàn)方式等。

RTCM3.X為了達(dá)到較高的傳輸完整率,一條標(biāo)準(zhǔn)的電文由一個(gè)固定的引導(dǎo)字、保留字、一個(gè)消息的長(zhǎng)度定義,一條消息和一個(gè)24 bits的周期冗余檢校組成,具體的消息結(jié)構(gòu)框架如表1所示。

聯(lián)系人： 于曉東 E-mail: yuxiaodong5@qq.com

表1　Version 3的電文框架結(jié)構(gòu)

1.2　RTCM3.2新增MSM電文組內(nèi)容

為了滿足日益增多的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及多頻的需求,RTCM3.2在保留了之前版本各電文定義外,又引入了多信號(hào)電文組(MSM)。MSM電文組不僅能支持原有格式中包含的DGNSS/RTK的信息,還能實(shí)時(shí)傳輸、保存基于網(wǎng)絡(luò)的RINEX格式觀測(cè)值。表2示出了RTCM3.2中的各MSM電文組的用途,其中MSM6和MSM7分別與MSM4和MSM5中包含的電文內(nèi)容是相同的,只是MSM6和MSM7包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容精度更高,可以為更高精度的應(yīng)用而服務(wù)。

表2　RTCM3.2中的MSM電文組的用途

MSM電文組由于其通用性更好,便于編碼、解碼,未來將是實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾绞?。然而由于它是最新提出的一種電文類型,相關(guān)介紹文獻(xiàn)也較少,因此下面對(duì)MSM電文組進(jìn)行介紹。

MSM電文組由三部分組成,分別為電文頭(Message Header),衛(wèi)星數(shù)據(jù)(Satellite Data)和信號(hào)數(shù)據(jù)(Signal Data)。

1.2.1電文頭

各MSM電文組的電文頭是相同的,包含了該條消息的基本情況,通過解碼電文頭,可以得到消息類型,參考站信息,各觀測(cè)值信息,電文長(zhǎng)度等。表3示出了各MSM電文組的消息頭的詳細(xì)內(nèi)容定義。

表3　各MSM電文組的消息頭包含內(nèi)容

表3中uint3表示該數(shù)據(jù)字段是占二進(jìn)制位3位的無符號(hào)整型,范圍大小是0～7。uint(3)表示三個(gè)獨(dú)立標(biāo)志位。int15表示該數(shù)據(jù)字段是占二進(jìn)制位15位的整型,范圍大小是±16 383。

1.2.2衛(wèi)星數(shù)據(jù)

衛(wèi)星數(shù)據(jù)描述了衛(wèi)星到測(cè)站概率距離的信息,排列順序按照電文頭中定義的衛(wèi)星標(biāo)志組。不同MSM電文組包含的信息不同,以支持網(wǎng)絡(luò)RTK中所需觀測(cè)值信息的最常用的MSM4電文為例,介紹電文的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的組成,如表4所示。

表4　MSM4中的衛(wèi)星數(shù)據(jù)

1.2.3信號(hào)數(shù)據(jù)

MSM電文組的信號(hào)數(shù)據(jù)是以Cell為單位進(jìn)行排列,它的排列順序根據(jù)GNSS Cell標(biāo)志組(Masks)來排列的。GNSS Cell標(biāo)志組是一個(gè)存放衛(wèi)星編號(hào)及頻率編號(hào)的二維數(shù)組。它的第一行存放的是衛(wèi)星標(biāo)志組中第一顆觀測(cè)衛(wèi)星各信號(hào)的標(biāo)志,以此類推。因此它的大小Ncell是由衛(wèi)星和信號(hào)的個(gè)數(shù)來決定的,Ncell=Nsat×Nsig,其中Nsat是衛(wèi)星個(gè)數(shù),Nsig是信號(hào)個(gè)數(shù)。

MSM的信號(hào)數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)的電文類型,傳統(tǒng)電文采用以衛(wèi)星為單位,每顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同,重復(fù)Nsat次。MSM采用同一數(shù)據(jù)字段重復(fù)Ncell次,采用每個(gè)數(shù)據(jù)字段內(nèi)部循環(huán)的方式來存放數(shù)據(jù)[6]。

信號(hào)數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)是按數(shù)據(jù)字段類型排列,第一部分是存放所有衛(wèi)星、所有信號(hào)的偽距,排列順序是按照電文頭中Cell Mask定義的衛(wèi)星號(hào)、信號(hào)順序排列,重復(fù)Ncell次。剩下的載波值、半周模糊度標(biāo)志位、信噪比以此類推。

MSM4的信號(hào)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5　MSM4中的信號(hào)數(shù)據(jù)

1.3　RTCM3.2對(duì)BDS的支持

RTCM 3.2的制定和修正,不僅彌補(bǔ)了之前版本中的缺陷,還增加和擴(kuò)展了多種網(wǎng)絡(luò)RTK信息,定義了多個(gè)系統(tǒng)的多信號(hào)電文組(MSM)[6]。

2013年7月有機(jī)構(gòu)提出了BDS差分電文的提案,為MSM電文組。目前RTCM3.2中對(duì)BDS定義的MSM電文組為1121-1127,僅能支持個(gè)別應(yīng)用,不支持SSR、ABDS等應(yīng)用。2014年,為了提出能支持多種位置服務(wù)功能的差分電文格式,武漢導(dǎo)航與位置服務(wù)工業(yè)技術(shù)研究院在中國(guó)海事局的支持下,向RTCM委員會(huì)提交了BDS RTCM-

10403.2差分電文,并被順利接受,進(jìn)入討論環(huán)節(jié)[4,6]。如果提案能夠通過,RTCM將針對(duì)BDS推出類似GPS的各種差分電文格式,有利于完善北斗的高精度差分增強(qiáng)服務(wù)。

2MSM電文組的解碼程序設(shè)計(jì)

根據(jù)前文介紹的RTCM3.2電文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及編碼方式,對(duì)RTCM3.2的解碼流程進(jìn)行了設(shè)計(jì),如圖1所示。

圖1　RTCM3.2的解碼流程

對(duì)于傳統(tǒng)的電文類型如1004,1005等研究較多,對(duì)于包含MSM4電文組的1074,1084等電文類型研究較少,在此重點(diǎn)給出了包含MSM4電文組的GPS1074的具體解碼流程,如圖2所示.

圖2　MSM4電文組解碼流程

在MSM4電文解碼過程中,有以下幾點(diǎn)需要注意:

1) 衛(wèi)星數(shù)據(jù)由兩個(gè)數(shù)據(jù)字段組成,第一部分為Nms, 表示的是信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)傳播時(shí)間除以1 ms后得到的整數(shù)部分。第二部分為RoughRange,表示的是信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)傳播時(shí)間除以1 ms后保留十位的小數(shù)部分。通過這兩個(gè)值就可以恢復(fù)偽距的概略值。偽距概略值R為

R[i]= (Nms+RoughRange/2-10)×C/1000，

其中,C為光速，單位m/s.

2) 信號(hào)數(shù)據(jù)中的偽距和載波值存放的都是小數(shù)部分,以偽距Pr為例,Pr中存放的是偽距小于2-10(光速×0.001) 的部分,真實(shí)的偽距P要通過和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中的偽距概略值相結(jié)合來計(jì)算:

P[i]=Pr[i]×2-24+R[i].

3) 半周模糊度表示的是接收機(jī)是否因內(nèi)部原因造成載波發(fā)生了半周的周跳。如果該標(biāo)識(shí)設(shè)為1,表示發(fā)生了周跳,數(shù)據(jù)處理軟件應(yīng)加以處理。

4) 結(jié)束標(biāo)識(shí)Sync表征該電文組是否是當(dāng)前歷元的最后一組電文。如果該標(biāo)志位值為1,表示當(dāng)前歷元的電文組還沒有結(jié)束;如果值為0,表示可以結(jié)束當(dāng)前歷元的解碼流程。

3實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文給出的解碼流程的正確性,以華測(cè)N71接收機(jī)2014年某天產(chǎn)生的RTCM數(shù)據(jù)為例對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)中華測(cè)N71接收機(jī)同時(shí)保存的RINEX格式觀測(cè)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行比對(duì)。通過比較兩者的關(guān)系來驗(yàn)證算法的正確性.

圖3示出了包含GPS觀測(cè)值信息MSM4的1074電文。

圖3　1074原始電文

表6示出了對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼后得到的數(shù)據(jù)信息。將解碼的數(shù)據(jù)與接收機(jī)保存的RINEX文件進(jìn)行了對(duì)比,得出了一致的結(jié)果,驗(yàn)證了算法的正確性。

表6　解碼后的1074數(shù)據(jù)信息

圖4示出了包含GLONASS觀測(cè)值信息3M4的1084電文。由于MSM電文組就是為了多系統(tǒng)多信號(hào)的數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)的,所以不同系統(tǒng)之間的解碼流程是一致的,采用和GPS相同解碼流程,同樣可以得到正確的結(jié)果。

圖4　1084原始電文

表7示出了GLONASS 1084電文解碼解碼之后的結(jié)果。同樣與保存的觀測(cè)文件對(duì)比,結(jié)果相同。

表7　解碼后的1084數(shù)據(jù)信息

通過對(duì)實(shí)測(cè)包含GPS觀測(cè)值的1074電文和包含GLONASS觀測(cè)值的1084電文進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明了解碼算法的正確性。同時(shí)也證明了MSM電文組在傳輸多系統(tǒng)多信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)的通用性。

4結(jié)束語

本文介紹了RTCM3.2的電文內(nèi)容、特點(diǎn),重點(diǎn)介紹了與之前版本相比增加的MSM電文組,以及對(duì)BDS系統(tǒng)的支持情況等。根據(jù)協(xié)議內(nèi)容,設(shè)計(jì)了電文的解碼流程。并通過對(duì)華測(cè)N71接收機(jī)實(shí)時(shí)傳輸?shù)腉PS和GLONASS RTCM數(shù)據(jù)分別進(jìn)行解碼實(shí)驗(yàn),得出了正確的解碼結(jié)果,驗(yàn)證了算法的正確性和可靠性。

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于曉東(1990-),男,碩士生,主要從事網(wǎng)絡(luò)RTK相關(guān)算法的研究。

呂志偉(1974-),男,副教授,主要從事衛(wèi)星精密定位方向的研究。

王兵浩(1989-),男,碩士生,主要從事網(wǎng)絡(luò)RTK、GNSS融合相對(duì)定位相關(guān)方面研究。

The Introduction of DGNSS Data Communication Format

RTCM3.2 and the Decoding Research on It

YU Xiaodong,Lü Zhiwei,WANG Binghao,YU Heli,YAN Jianqiao

(CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineering

University,Zhengzhou450001,China)

Key words: DGNSS; RTCM3.2; MSM; decoding; BDS