DGNSS数据传输格式RTCM3.2的介绍及解码研究

于晓东,吕志伟,王兵浩,于合理,闫建巧

(信息工程大学导航与空天目标工程学院，河南 郑州 450001)

DGNSS数据传输格式RTCM3.2的介绍及解码研究

于晓东,吕志伟,王兵浩,于合理,闫建巧

(信息工程大学导航与空天目标工程学院，河南 郑州 450001)

摘要：传统的网络RTK中数据中心和流动站的数据传输一般采用RTCM SC-104格式,而数据中心和参考站之间一般采用接收机厂商自定义的实时数据格式。为了满足新一代网络RTK多系统,多信息类型的实时数据传输,RTCM委员会专门推出了最新的RTCM 10403.2数据格式。本文详细介绍了最新版的RTCM3.2电文特点,新增的MSM电文,编、解码方式以及对BDS系统的支持。给出了MSM电文组的解码流程,通过对实时数据进行解码实验,证明了算法的正确性和可靠性。

关键词：DGNSS;RTCM3.2;MSM;解码;北斗

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.009

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：号： 1008-9268(2015)03-0037-05

收稿日期：2015-01-06

作者简介

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

随着我国北斗卫星导航系统(BDS)的发展、美国GPS的现代化、以及俄罗斯的GLONASS和欧盟的GALILEO的蓬勃发展,差分GNSS得到了越来越广泛的应用[1]。为了满足这些系统的高精度差分定位以及增强服务的需求,国际海运事业无线电技术委员会(RTCM)第104专业委员会推出了一系列的差分导航全球卫星系统(DGNSS)数据通用格式。

自上世纪九十年代推出RTCM2.X以来,RTCM格式目前已被广泛用于测绘、施工、运输、规划等多个领域来传输差分GNSS数据。但在使用中发现,RTCM2.X在一些结构的设计上存在明显的缺陷,例如在检验位的设置上对带宽造成了很大的浪费,并且检校码之间不独立,给解码造成了一定困难[2-3]。为了克服RTCM2.X的这些缺陷,RTCM委员会2006推出了RTCM3.0格式。同时为了满足日益增多的卫星导航系统以及多频的需求,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,不仅弥补了之前版本中的缺陷,还增加和扩展了多种网络RTK信息,定义了包含GPS、GLONASS、GALILEO 和BDS的多信号信息组(MSM),拓宽了RTCM 的应用领域。尤其值得强调的是MSM电文组可以对北斗系统提供支持,这对北斗的高精度差分定位服务有着重要的意义[4]。但是由于RTCM3.2标准公布的时间较短,支持此标准的接收机较少,对编码、解码流程研究的相关文献较少。因此本文重点对RTCM3.2格式中新增的MSM电文组进行研究,并对MSM进行了解码程序设计,采用实测实验数据进行验证。

1RTCM 3.2的电文内容

1.1　RTCM3.X数据内容

RTCM3.X标准包含应用层、表示层、传输层、数据链路层以及物理层。对于编码、解码最重要的是表示层和传输层[2,5]。表示层对整个数据结构做出了详细的定义,包含数据字段、消息类型等。传输层定义了传输的协议,校验方式等。

RTCM3.X为了达到较高的传输完整率,一条标准的电文由一个固定的引导字、保留字、一个消息的长度定义,一条消息和一个24 bits的周期冗余检校组成,具体的消息结构框架如表1所示。

联系人： 于晓东 E-mail: yuxiaodong5@qq.com

表1　Version 3的电文框架结构

1.2　RTCM3.2新增MSM电文组内容

为了满足日益增多的卫星导航系统以及多频的需求,RTCM3.2在保留了之前版本各电文定义外,又引入了多信号电文组(MSM)。MSM电文组不仅能支持原有格式中包含的DGNSS/RTK的信息,还能实时传输、保存基于网络的RINEX格式观测值。表2示出了RTCM3.2中的各MSM电文组的用途,其中MSM6和MSM7分别与MSM4和MSM5中包含的电文内容是相同的,只是MSM6和MSM7包含的数据内容精度更高,可以为更高精度的应用而服务。

表2　RTCM3.2中的MSM电文组的用途

MSM电文组由于其通用性更好,便于编码、解码,未来将是实时GNSS数据传输的重要方式。然而由于它是最新提出的一种电文类型,相关介绍文献也较少,因此下面对MSM电文组进行介绍。

MSM电文组由三部分组成,分别为电文头(Message Header),卫星数据(Satellite Data)和信号数据(Signal Data)。

1.2.1电文头

各MSM电文组的电文头是相同的,包含了该条消息的基本情况,通过解码电文头,可以得到消息类型,参考站信息,各观测值信息,电文长度等。表3示出了各MSM电文组的消息头的详细内容定义。

表3　各MSM电文组的消息头包含内容

表3中uint3表示该数据字段是占二进制位3位的无符号整型,范围大小是0～7。uint(3)表示三个独立标志位。int15表示该数据字段是占二进制位15位的整型,范围大小是±16 383。

1.2.2卫星数据

卫星数据描述了卫星到测站概率距离的信息,排列顺序按照电文头中定义的卫星标志组。不同MSM电文组包含的信息不同,以支持网络RTK中所需观测值信息的最常用的MSM4电文为例,介绍电文的卫星数据的组成,如表4所示。

表4　MSM4中的卫星数据

1.2.3信号数据

MSM电文组的信号数据是以Cell为单位进行排列,它的排列顺序根据GNSS Cell标志组(Masks)来排列的。GNSS Cell标志组是一个存放卫星编号及频率编号的二维数组。它的第一行存放的是卫星标志组中第一颗观测卫星各信号的标志,以此类推。因此它的大小Ncell是由卫星和信号的个数来决定的,Ncell=Nsat×Nsig,其中Nsat是卫星个数,Nsig是信号个数。

MSM的信号数据不同于传统的电文类型,传统电文采用以卫星为单位,每颗卫星的数据结构相同,重复Nsat次。MSM采用同一数据字段重复Ncell次,采用每个数据字段内部循环的方式来存放数据[6]。

信号数据中数据是按数据字段类型排列,第一部分是存放所有卫星、所有信号的伪距,排列顺序是按照电文头中Cell Mask定义的卫星号、信号顺序排列,重复Ncell次。剩下的载波值、半周模糊度标志位、信噪比以此类推。

MSM4的信号数据如表5所示。

表5　MSM4中的信号数据

1.3　RTCM3.2对BDS的支持

RTCM 3.2的制定和修正,不仅弥补了之前版本中的缺陷,还增加和扩展了多种网络RTK信息,定义了多个系统的多信号电文组(MSM)[6]。

2013年7月有机构提出了BDS差分电文的提案,为MSM电文组。目前RTCM3.2中对BDS定义的MSM电文组为1121-1127,仅能支持个别应用,不支持SSR、ABDS等应用。2014年,为了提出能支持多种位置服务功能的差分电文格式,武汉导航与位置服务工业技术研究院在中国海事局的支持下,向RTCM委员会提交了BDS RTCM-

10403.2差分电文,并被顺利接受,进入讨论环节[4,6]。如果提案能够通过,RTCM将针对BDS推出类似GPS的各种差分电文格式,有利于完善北斗的高精度差分增强服务。

2MSM电文组的解码程序设计

根据前文介绍的RTCM3.2电文的数据结构及编码方式,对RTCM3.2的解码流程进行了设计,如图1所示。

图1　RTCM3.2的解码流程

对于传统的电文类型如1004,1005等研究较多,对于包含MSM4电文组的1074,1084等电文类型研究较少,在此重点给出了包含MSM4电文组的GPS1074的具体解码流程,如图2所示.

图2　MSM4电文组解码流程

在MSM4电文解码过程中,有以下几点需要注意:

1) 卫星数据由两个数据字段组成,第一部分为Nms, 表示的是信号从卫星到接收机传播时间除以1 ms后得到的整数部分。第二部分为RoughRange,表示的是信号从卫星到接收机传播时间除以1 ms后保留十位的小数部分。通过这两个值就可以恢复伪距的概略值。伪距概略值R为

R[i]= (Nms+RoughRange/2-10)×C/1000，

其中,C为光速，单位m/s.

2) 信号数据中的伪距和载波值存放的都是小数部分,以伪距Pr为例,Pr中存放的是伪距小于2-10(光速×0.001) 的部分,真实的伪距P要通过和卫星数据中的伪距概略值相结合来计算:

P[i]=Pr[i]×2-24+R[i].

3) 半周模糊度表示的是接收机是否因内部原因造成载波发生了半周的周跳。如果该标识设为1,表示发生了周跳,数据处理软件应加以处理。

4) 结束标识Sync表征该电文组是否是当前历元的最后一组电文。如果该标志位值为1,表示当前历元的电文组还没有结束;如果值为0,表示可以结束当前历元的解码流程。

3实验分析

为了验证本文给出的解码流程的正确性,以华测N71接收机2014年某天产生的RTCM数据为例对算法进行了验证。试验中华测N71接收机同时保存的RINEX格式观测数据文件进行比对。通过比较两者的关系来验证算法的正确性.

图3示出了包含GPS观测值信息MSM4的1074电文。

图3　1074原始电文

表6示出了对实测数据进行解码后得到的数据信息。将解码的数据与接收机保存的RINEX文件进行了对比,得出了一致的结果,验证了算法的正确性。

表6　解码后的1074数据信息

图4示出了包含GLONASS观测值信息3M4的1084电文。由于MSM电文组就是为了多系统多信号的数据所设计的,所以不同系统之间的解码流程是一致的,采用和GPS相同解码流程,同样可以得到正确的结果。

图4　1084原始电文

表7示出了GLONASS 1084电文解码解码之后的结果。同样与保存的观测文件对比,结果相同。

表7　解码后的1084数据信息

通过对实测包含GPS观测值的1074电文和包含GLONASS观测值的1084电文进行实验验证,证明了解码算法的正确性。同时也证明了MSM电文组在传输多系统多信号数据时的通用性。

4结束语

本文介绍了RTCM3.2的电文内容、特点,重点介绍了与之前版本相比增加的MSM电文组,以及对BDS系统的支持情况等。根据协议内容,设计了电文的解码流程。并通过对华测N71接收机实时传输的GPS和GLONASS RTCM数据分别进行解码实验,得出了正确的解码结果,验证了算法的正确性和可靠性。

参考文献

[1]宁津生.全球导航卫星系统发展综述[J].导航定位学报，2013,1(1):3-8.

[2] RTCM.RTCM special committee no.104. RTCMstandard 10403.2 for differential GNSS[S]. Arlington: Radio Technical Commission for Maritime Services,2013.

[3]史小雨,程鹏飞,蔡艳辉,等.差分GPS 数据通信格式RTCM 3.1及其解码算法的实现[J].测绘通报,2012(6):4-6.

[4]吴海玲,李作虎,刘晖.关于北斗加入RTCM国际标准的总体研究[J].全球定位系统,2014,39(1):27-33.

[5]朱静然,潘树国,孔丽珍.DGPS 数据格式RTCM3.1介绍及编解码方法[C]//第四届中国卫星导航学术年会电子文集,2013.

[6]陈振,王权,秘金钟,等.新一代国际标准RTCM V3.2及其应用[J].导航定位学报,2014,2(4):87-93.

于晓东(1990-),男,硕士生,主要从事网络RTK相关算法的研究。

吕志伟(1974-),男,副教授,主要从事卫星精密定位方向的研究。

王兵浩(1989-),男,硕士生,主要从事网络RTK、GNSS融合相对定位相关方面研究。

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