关于北斗加入RTCM国际标准的总体研究

2014-08-21吴海玲李作虎

全球定位系统 2014年1期

吴海玲，李作虎，刘晖

(1.北京跟踪与通信技术研究所，北京，100094；2．武汉大学，湖北武汉 430072；3.武汉导航与位置服务工业技术研究院，湖北武汉 430072)

0 引言

RTCM标准是根据美国海事无线电技术委员会第104特别委员会的建议制定的关于差分改正信息传输的数据格式标准，以代替原来GPS接收机生产商自行设计的专用格式。其最初版本于1985年制定，主要用于海上的差分服务，但是目前已被用于海运、内陆交通、工程施工、国土规划、大地测量等各个应用领域来传输差分GNSS数据。RTCM标准已成为卫星导航定位领域芯片制造商、板卡集成商、整机制造商、应用服务提供商以及用户等在设计研发、生产加工、应用推广等产业链中必须遵守的关键协议之一，虽然是推荐标准，但却是事实上的产业标准。

相关报告表明卫星导航差分及数据处理领域全球年产值2015年达到800亿美元左右。在实时定位领域内，RTCM标准是确保能够达到定位精度需求的核心部分，制造商生产的参考站和流动站等产品需要遵守这一协议，在此协议支持下，用户才能接收不同服务商、不同导航系统的差分信息，实现具体应用；芯片、板卡和整机制造商才能生产可以相互兼容、配套使用的产品；服务提供商才能建设兼容不同制造商产品、服务接口统一、可容纳大量用户的基础设施和应用系统。

1 RTCM组织及工作程序

1.1 美国海事无线电技术委员会(RTCM)简介

美国海事无线电技术委员会(RTCM)是一个国际非营利性科学、专业和教育组织，成立于1947年，开始时作为美国政府咨询委员会，后发展为从事技术标准研究的独立组织，其成员由非政府组织和政府机构组成。 RTCM参与了国际海事组织(IMO)、国际电工委员会(IEC)、国际标准化组织(ISO)、欧洲电信标准协会(ETSI)、国际罗兰协会(ILA)等多个机构或组织的标准研究与制修订工作，与国际电信联盟(ITU)、国际航道组织(IHO)、国际航海协会(IALA)、美国国家海洋电子协会(NMEA)等机构或组织保持紧密联系，已逐渐发展成为在航海和陆地导航、无线电技术等方面具有重要影响力的标准制修订和技术研究机构。 RTCM目前有超过130个组织成员，主要由无线电导航通信设备的制造商、系统解决商、标准制修订机构、船主、教育学术界、销售服务商等组成，下设多个专业委员会(SC)。专业委员会由RTCM成员组成，负责相关领域内的标准制修订工作。专业委员会设主席和秘书岗位，主席由会员内知名专家担任，由RTCM成员提名并经RTCM主席批准。所有RTCM成员均有资格以信件(Email)和与会方式参加所有专业委员会的活动。目前RTCM组织中的专业委员会及其研究方向如表1所示。

表1 RTCM组织中的专业委员会及其研究方向

在各专业委员会下，会针对不同技术专题设立多个工作组(WG)开展研究。RTCM成员可申请成立或加入WG，各WG也设立主席和副主席(或秘书)，由专业委员会成员推选，并向专业委员会主席负责。 RTCM各专业委员会提供的文件和报告通常形成RTCM推荐标准。专业委员会以RTCM推荐规范形式输出的文档已被广泛地接受，RTCM各专业委员会定期更新这些推荐规范，以适应不断变化的技术现状。RTCM各专业委员会主导开发的标准如表2所示。

表2 RTCM组织所制订的标准概况

RTCM采取年度会员制，每年需要交纳一定的会费，目前注册一个成员需约1 750美元，由此获得对提案和标准草案讨论和投票表决权，会员主要面向企业和机构。

1.2 RTCM第104专业委员会及其工作程序

RTCM组织中与卫星导航相关的是第104专业委员会(以下简称专业委员会)，负责差分全球导航卫星系统(DGNSS)相关推荐标准的制定以及RINEX标准的制修订工作(2011年以后)。每个专业委员会下设多个工作组(Working Group)。其中，第104专业委员会下设RTK network、Galileo、GLONASS、RINEX、BDS(2013年9月份成立)等工作组。

第104专业委员会每年召开三次会议，一般分别在年初1月、5月和9月份召开，会议地点不固定。基本的工作机制如下：

提案提交：任何成员都可以提交提案，但必须以工作组名义，即要想提交关于BDS差分电文的提案，就必须先成立BDS工作组；在提案提交前最好在工作组和特别委员会中得到充分讨论，方可确保提案顺利通过；专业委员会接受提案后即可进入讨论环节。

提案讨论：通常是以邮件的形式进行，还有每年三次会议的形式充分讨论。

提案表决：委员会按照每个正式成员一票，超过半数则通过；投票可以采取网络投票和现场投票两种方式，均有效；会议一般性的提案，例如成立工作组和设立专题等，由专业委员会主席现场征求专家意见，决定通过与否。

标准发布：提案表决通过后，委员会会根据修订意见，对版本进行升级，形成修订稿(每年可能提出2～3次修订稿)，并正式发布实施。一般每两年升级一次版本。成员从提出提案到加入修订稿，大概需要半年到一年的时间。

2 RTCM SC-104标准研究现状

2.1 国外研究情况

2.1.1 RTCM标准发展情况

RTCM第104专业委员会负责制修订的差分GNSS系列标准发展情况，详见表3所示。

表3 RTCM SC-104差分GNSS标准发展情况

2.1.2 2.3版本功能简单，正在升级，资源有限

2.3版本内容包括伪距差分(DGNSS)和载波相位差分(RTK)协议，主要应用于陆地参考站网(CORS)和单基站差分等厘米级高精度差分服务，以及海事沿海差分台站(RBN-DGPS)米级差分导航服务，作为差分基础标准在RTCM SC-104系列标准中应用最为广泛。其中厘米级差分服务主要基于双频高精度测量型接收机，米级差分导航服务主要基于单频伪距导航接收机。目前，市面上销售的测量型接收机必须支持2.3版本。

目前，2.3版本是以GPS为核心的，有条件支持GLONASS，但均不包含北斗和Galileo系统的差分电文。2.3版本电文容量为64条，目前占用了38条电文(含保留电文6条)，各系统使用情况如表4所示。

表4 RTCM 2.3版本电文使用情况

目前，Galileo、BDS、QZSS都在积极争取有限的剩余电文资源。若按照RTCM 10402.3的设计思路，其64条电文设计容量根本无法全部满足上述系统对低速率差分电文的应用需求。为此，委员会已经在2.3版本的基础上进行了电文资源优化整合，停用或即将停用17条涉及伪距差分、载波相位、信标台信息的差分电文，增加了4条通用差分电文，以支持多系统多频率的伪距差分和载波相位差分电文，形成了RTCM 10402.4版本，目前处于征求意见阶段。2.4版本对于Galileo、BDS以及QZSS进入RTCM标准是一个非常关键的机会。2.4版本(征求意见稿)电文使用情况如表5所示。

表5 RTCM 10402.4版本(征求意见稿)中电文使用情况

2.1.3 3.2版本功能多样，发展潮流，资源丰富

主要内容包括RTK、网络RTK、状态空间差分SSR、辅助GNSS技术(AGNSS)等协议，主要应用于GNSS高精度实时定位领域，是RTCM SC-104标准发展的主流方向。

3.2版本于2013年2月1日正式发布，并于7月12日推出修订版本。最新修订版本同时完全支持GPS和GLONASS(不支持GLONASS K系列卫星CDMA信号)，部分支持Galileo系统，但仅在多频率多信号电文组(MSM)中为北斗制订了10条电文。北斗在四大全球卫星导航系统中电文数量最少，且未定义BDS的坐标系统，在绝大多数应用中无法独立工作，另外也不支持网络RTK、SSR以及ABDS等具有发展潜力的高附加值应用。

3.2版本标准电文容量为4 096条，目前已经占用了1 310条电文(含保留电文1112条)，具体使用情况如表6所示。

表6 3.2版本电文使用情况

2.2 国内研究现状

国内主要由原电子部卫星导航标准专项(2004年8月)基于RTCM SC-104 V2.3制订了行业标准《卫星导航差分格式》(S05009-T)，并于2012年6月颁布实施，该标准未考虑北斗。此外，交通运输部基于RTCM SC-104 V2.3制订了《差分全球导航卫星系统(DGNSS)技术要求》(GB/T 17424-2009)，也未考虑北斗。我国从事高精度芯片板卡研发、软件开发和系统集成的部分高校企业，如武汉大学、上海司南、南方测绘、中海达等公司已认识到差分标准的重要性，并基于3.2版本提出了自主定义的RTCM BDS电文标准。由于电文格式不符合RTCM SC-104电文规范，申请的电文资源已被占用、专业委员会无专门针对BDS电文制修订的工作组等因素，中国企业于2013年5月份向专业委员会提交的BDS修订提案未被接受。

2013年9月16日到17日，RTCM SC-104专业委员会2013年度第三次会议在美国纳什维尔(Nashville)举行。本次会议中国机构(企业)代表团成功参会，提出北斗加入RTCM SC-104框架并得到支持，并且委员会一致同意成立BDS工作组，负责BDS相关标准的制修订工作，并推荐由韩绍伟博士作为工作组主席。

总体来说，国内相关院校和企业已经具备制修订BDS相关差分电文和RINEX等标准的基础和能力，但缺乏统一的协调与组织机制，力量分散，大多仅关注某一领域内的差分应用(如只关注高精度RTK，不考虑SSR等)，在国际RTCM标准讨论中处于劣势。

3 北斗加入RTCM的必要性和迫切性分析

尽快加入RTCM组织，参与RTCM差分协议修订讨论，对于北斗尽快进入RTCM标准、抢占GNSS信息资源、推动北斗产品走向世界、促进我国卫星导航产业发展具有重要意义：

1) 参与国际标准工作，确保北斗系统的独立开放。

由于RTCM组织成立之初是作为美国政府顾问委员会，目前由美国企业主导，为保护GPS的利益，一直限制RTCM对GLONASS、Galileo等多卫星导航系统的支持(如在2.3版本中多处电文支持GLONASS，却又规定电文时间为GPS时)，限制了电文对非GPS导航系统的独立操作能力。不仅如此，由于RTCM面向企业和机构，任何企业和机构都可以提交关于BDS的标准草案，存在恶意设计BDS电文使其无法独立工作的风险。为此，只有中国企业(机构)积极主动尽快加入RTCM相关标准工作，参与BDS电文的制修订工作，争取并确保BDS在高精度差分应用领域中的独立性，才符合北斗系统“独立、开放”的发展思路，真正保证北斗系统的发展利益。

2) 参与信息资源竞争，争取国际标准制订话语权。

RTCM差分标准由有限条表达不同含义的电文组成，2.3版本设计了64条电文，3.2版本设计了4 096条电文，是一种典型的信息资源。目前，2.3版本仅有26条电文未定义，其余均已被GPS、GLONASS以及国外高精度企业所占据，北斗在争取有限资源时将面临Galileo、QZSS等系统的竞争；3.2版本虽然已定义的电文仅有198条(供企业和机构使用的专用电文96条)，但北斗系统将面临Galileo、QZSS、IRNSS、SBAS等各种全球或区域导航增强系统的竞争，且国内北斗企业和研究机构也将面临与国际知名GNSS企业和机构同台竞争专用电文资源的局面。另外，目前3.2版本中的国外企业或机构提出的BDS电文并不能支持网络RTK及SSR应用，意味着我们不能依靠国外技术力量实现RTCM对北斗的完全支持，且国外企业或机构所提出的北斗差分电文并不一定符合已公布的北斗ICD，甚至有可能有意限制在具体应用中独立使用北斗，且基本未考虑北斗全球系统的未来发展需求。加入RTCM组织，尽早提交自主制订的BDS差分电文草案并力争通过，对于抢占GNSS国际信息资源，提升我国在国际GNSS标准制定中的话语权，推动北斗全球应用是十分迫切和重要的。

3)参与国际产业竞争，推动北斗产品走向世界，促进我国卫星导航产业发展。

国际高技术应用竞争本质上是标准的竞争，标准与产业发展密切相关。由于缺乏在RTCM标准组织中的话语权，且信息严重不对称，一是导致我国卫星导航企业只能尾随已经颁布的国际标准，在新技术跟踪上严重落后于国外企业，导致我国卫星导航相关产品的更新严重落后于国际企业，使得我国卫星导航产品国际竞争力不足。二是我国导航企业的创新技术成果不能及时通过国际标准进行推广应用，使得国产卫星导航产品也只能在国内销售和应用，将严重制约我国卫星导航产业的国际化发展。目前，市面上销售的BDS高精度OEM板卡都采用了自己定义的2.3版本电文，但未得到国际RTCM组织认可，无法在国际上推广使用，国内部分企业在美国推广BDS三频测量接收机时已经遇到了类似问题。尽快加入RTCM标准制修订工作，实现BDS在RTCM框架下的独立运行，是北斗进入全球卫星导航应用产业链、成为全球独立运行的四大导航系统之一的重要条件。