北斗地基增强系统数据通信综述

刘天恒,陈明剑,张树为,周润杨,李滢

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院,河南 郑州 450001; 2.北斗导航应用技术协同创新,河南 郑州 450001)



北斗地基增强系统数据通信综述

刘天恒1,2,陈明剑1,2,张树为1,2,周润杨1,2,李滢1,2

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院,河南 郑州 450001; 2.北斗导航应用技术协同创新,河南 郑州 450001)

数据通信是实现北斗地基增强系统高精度导航、定位不可或缺的部分,在系统中起着关键作用。首先探讨了北斗地基增强系统参考站与数据中心进行数据通信所用到的TCP/IP和RS232接入模式,其次,针对用户与数据中心的数据通信,分析了NMEA0183信息、NRTIP协议和RTCM数据,并阐述了RTCM3.2较以前版本的改进内容。

北斗地基增强系统;TCP/IP协议;NMEA0183;NTRIP协议;RTCM

0 引言

北斗卫星导航系统是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,能够为已覆盖的亚太地区提供定位、导航、授时和短报文通信服务。全球卫星导航系统在航空航天、气象预报、环境监测、测绘、车辆监管等领域得到广泛应用,但有时系统的定位精度、可用性、完备性和可靠性难以满足用户的需求。北斗地基增强系统作为提升卫星导航系统服务质量的高效、可靠手段,是卫星导航领域的重要发展方向[1]。北斗地基增强系统具有定位精度高、完备性好、可提供多元化服务等优点,基于“全国一张网”的目标,当前全国各省市都在如火如荼地建设北斗地基增强系统[2]。

北斗地基增强系统由参考站网、数据处理与控制中心、网络通信系统和用户设备四部分组成,如图1所示。

1) 参考站主要功能是采集卫星数据、传输数据、存储数据等;

2) 数据中心主要功能是数据处理、网络管理、远程监控、用户管理等;

3) 网络通信系统主要负责参考站、数据中心和用户设备之间的数据传输、通信;

4) 用户设备主要功能是采集、存储卫星数据和利用RTCM或CMR等数据提高自身定位精度。

在北斗地基增强系统运行中,数据通信起着关键作用,参考站网、数据中心和用户设备之间的连接都依靠网络通信。系统服务的连续性、可靠性关键在于各部分间的数据通信是否畅通、有效、安全、可靠,并且要求其具有大容量、高速率、低误码率的数据传输能力[3]。

在北斗地基增强系统数据通信中,参考站将原始观测数据通过SDH专线实时传输至数据中心,数据中心实时处理各参考站数据。用户设备将自身的NMEA0183数据通过3G、GPRS或其他无线网络通信技术发送至数据中心,数据中心生成用户的RTCM、CMR或其他差分改正信息,并根据NTRIP协议通过3G等无线网络通信技术发送至用户设备。数据通信流程如图2所示。因此,在数据传输通信服务中,又分为两类通信方式:参考站-数据中心和数据中心-用户设备。本文首先介绍了参考站-数据中心数据通信所用到的TCP/IP和RS232两种接入模式。其次,针对数据中心-用户设备的数据通信,分析了传输数据的通信技术,并对传输的NMEA0183信息、NRTIP协议和RTCM数据进行了介绍,阐述了RTCM3.2较以前版本的改进内容。最后总结了数据通信在地基增强系统中的重要性。

1 参考站-数据中心通信

由于参考站传输到数据中心的数据,要求其传输时延小于500 ms,误码率小于10-8,可靠性大于99%,以及基于安全性的考虑,故采用同步数字体系(SDH)专线通信。在参考站端要求通信宽带不低于64 kbps,数据中心端不低于N*64kbps(N为参考站数量),最低为2 Mbps[4].参考站与数据中心的通信,常采用Internet网络(TCP/IP接入)、多串口卡(RS232接入)或两者混合接入模式将原始数据传送至数据中心。

1.1 TCP/IP接入模式

在TCP/IP接入模式下,参考站与数据中心采用Internet网络通信时,以TCP/IP协议为基础。数据中心对应每个参考站都有相应的IP端口,参考站根据此端口向数据中心发送请求,数据中心会接收连接并开始向参考站发送数据。同时,数据中心需要实时开放并监听此端口,以保障 CORS 系统通信链路的畅通与连续[5]。这种模式下参考站与数据中心的网络配置结构如图3所示。

1.2 RS232接入模式

在RS232接入模式入下,参考站与数据中心均配置调制解调器,接收机原始观测数据通过RS232线发送到参考站的调制解调器,数据中心的调制解调器通过SDH专线接收数据并传输至多串口卡,然后通过多串口卡将各参考站的数据传输至数据中心。这种模式下参考站与数据中心的网络配置结构[5]如图4所示。

2 数据中心-用户设备通信

用户设备通常由GNSS接收机、移动电话或PDA组成。用户设备获取自身NMEA0183信息,通过3G等技术发送到数据中心。然后数据中心针对用户的NMEA0183信息生成差分改正信息,并根据数据中心与用户设备的网络传输通信协议(NTRIP协议)通过3G等技术发送到用户设备。

数据中心与用户设备的数据交互主要依靠3G或GPRS技术。GPRS即通用分组无线服务技术,它通过利用GSM网络中未使用的时分多址(TDMA)信道,提供中速的数据传递[6]。其最佳状态下理论最大传输速率为171.2 kbps.随着移动通信技术的发展,目前使用较多的是3G.3G下行理论峰值可达3.6 Mbps,上行理论峰值可达384 kbps,而且3G相对于GPRS覆盖范围广,因此得到了广泛普及。但在实际应用中,移动通信技术是一个制约北斗地基增强系统发展的重要因素。笔者在进行网络RTK测试时发现,即使使用3G通信,当用户处于高速运动状态时,信号在不同的移动基站间切换,以及信号通过多点反射到达用户设备,整周模糊度需要更长的时间来固定,有时甚至中断。因此,移动通信技术在北斗地基增强系统中至关重要。

2.1 NMEA0183协议

NMEA0183是定义GNSS接收机输出信息的协议,也是使用最广泛的协议,大多数GNSS接收机、数据处理软件都兼容此协议。NMEA0183的串口通信协议是:1个起始位,1个停止位,8个数据位,无奇偶检校位,缺省波特率为4 800。NMEA0183格式的关键字含义如表1所示。

表1 NMEA0183关键字定义

随着卫星系统的增加,每个系统的报文头都不一样,GP代表GPS,BD代表北斗卫星,GL代表GLONASS,GN代表多系统的卫星。对于GNSS接收机,常用到语句如表2所示。

用户设备向数据中心发送的NMEA0183中的＄XXGGA语句,数据中心根据＄XXGGA中的用户概略位置,生成差分信息。＄XXGGA主要包含了时间、经纬度、定位质量、海拔高度、高程异常等信息。标准格式为

＄XXGGA<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh

其中每个字段的含义和取值范围如表3所示。

表2 NMEA0183常用语句

表3 $XXGGA各字段含义和取值范围

其中,<6>:卫星系统状态,各数字含义为0:未定位;1:单点定位;2:差分定位;3:PPS解;4:RTK固定解;5:RTK浮点解;6估计值;7:手动输入模式;8:模拟模式。

2.2 NTRIP协议

NTRIP协议是基于HTTP协议进行差分数据传输的应用层协议[7]。因此,数据流的传输要靠TCP链接来实现。所有的RTK数据格式(RTCM、CMR、CMR+、NCT等)都能被传输,NTRIP协议还支持BINEX、SP3、RINEX、RAW、SAPOS-Adv等数据格式。NTRIP由NtripCaster(处理中心)、NtripServer(服务器端)和NtripClient(客户端)三部分组成。NTRIP系统的原理如图5所示,流程如下:

1) NtripClient将自身挂载点(MountPoint)发送给NtripCaster;

2) NtripCaster对收到请求信息进行认证。认证成功,NtripCaster记录NtripClient 的IP地址,并发送NtripCaster中的源表信息(SourceTable)到NtripClient;

3) NtripClient收到源表信息后,选择合适的挂载点,再向NtripCaster发送请求;

4) NtripCaster收到请求,并根据NtripClient的挂载点为其选择符合要求的NtripServer,NtripServer要求NtripSource生成相应的差分信息;

5) NtripCaster将相应的差分信息发送给NtripClient,以实现NtripClient所需的服务。

NTRIP是一个应用层协议,用户通过互联网连接到数据中心。北斗地基增强系统采用NTRIP协议有以下优点:

1) NTRIP是一个公开的、非私有的协议,所有的程序、软件只要按照NTRIP协议的规定,便可以进行数据传输;

2) NTRIP协议不仅适用差分数据的传输,也支持其他GNSS产品数据;

3) 在安全性方面,数据提供商和用户之间不直接通信,减少了数据中心服务器被攻击的可能性,同时数据流也不易被本地防火墙或代理服务器所屏蔽[8];

4) 用户需要使用用户名和密码才能登录到数据中心,方便实现对用户权限的管理;

5) NTRIP 协议支持多用户同时访问数据中心,数据中心可以为用户提供多种数据流服务。

2.3 RTCM数据

数据中心计算出用户的差分信息后,需要对差分信息进行编码,然后形成二进制数据流,按照NTRIP协议发送到用户设备。在所有的GNSS差分改正数据中RTCM数据是最常用的。RTCM数据是由国际海运事业无线电技术委员会(RTCM)设立的SC-104专门委员会制定的,由一系列二进制编码数据流组成。目前最新版本的RTCM数据是2013年发布的RTCM3.2标准格式。RTCM3.2采用了OSI(Open System Interconnection)模型进行定义,包含应用层、表达层、传输层、数据链路层以及物理层,其中表达层和传输层对编码、解码最重要。表达层定义了差分的具体协议和电文格式[9],其数据架构包括数据字段和消息类型。RTCM3.2具体的信息类型如表4所示。

表4 RTCM3.2信息类型[10]

组名信息内容电文类型状态空间差分参数GPS轨道改正1057GPS时钟改正1058GPS码偏差1059GPS轨道与时钟组合1060GPS用户测距精度(URA)1061GPS高频时钟改正1062GLONASS轨道改正1063GLONASS时钟改正1064GLONASS码偏差1065GLONASS轨道与时钟组合1066GLONASS用户测距精度(URA)1067GLONASS高频时钟改正1068专有信息/4001-4087

传输层定义了发送或接收RTCM3.2的信息框架结构,这一层主要是为了用户对数据进行解码,其框架结构如表5所示。引导字即数据头,是固定的,用于判断二进制数据流起始位置;保留字未被定义,设为“000000”;消息长度是指可变长度数据信息的具体字节数,用于截取信息内容;CRC校验用于判断接收数据是否正确。

表5 RTCM3.2信息框架结构

RTCM3.2较之前的版本,增加了多种网络RTK信息,提出了多信号电文组(MSM),包括BDS和Galileo电文。但是在多信号电文组中只为北斗制定了10条电文,由于未定义BDS坐标系统,使得北斗在大多数应用中无法独立工作[11]。因此,我国需要积极参与制定RTCM标准,争取将BDS更多信息加入RTCM,这对于北斗在全球化发展有着十分重要的意义。

3 结束语

在北斗地基增强系统中主要是参考站与数据中心、数据中心与用户之间的数据通信。参考站采集的原始观测数据根据Internet网络或多串口卡通过SDH专线传输至数据中心,用户与数据中心采用3G等技术实现数据交互。所有数据传输的关键在于数据流的实时性、高效性、安全性、可靠性,可以说数据通信是北斗地基增强系统的神经系统,保证各子系统连接畅通无阻,是整个系统的重要组成部分。随着国家级和省级的北斗地基增强系统陆续建成,北斗地基增强系统将会在气象监测、精密位置授时、地球物理、GNSS卫星精确定轨、智能交通等领域发挥更大作用。

[1] 闫建巧,陈明剑,汪威,等.基于地基增强系统的增强PPP技术[J.全球定位系统,2016,41(2):50-54,59.

[2] 刘天恒,陈明剑,尹子明,汪威,闫建巧. 基于北斗地基增强系统RTD精度分析[C]//第七届中国卫星导航学术年会,2016.

[3] 吴俐民,洪涛,丁仁军.VPN技术在昆明市GPS参考站系统中的应用研究[J].城市勘测,2008(2):43-45.

[4] 邓琳,李广侠,田世伟,等. GNSS/CORS无线通信技术研究[C]//第二届中国卫星导航学术年会,2011.

[5] 颜琳. 北斗/GPS双模CORS网研制与测试技术研究[D].上海:上海交通大学,2013.

[6] 卞欢欢.微地震信号的无线数据采集与网络化传输[D].北京:北京信息科技大学,2014.

[7] 徐建民.GPS CORS系统中NTRIP传输技术的应用研究[J].现代测绘,2008,31(5):22-23.

[8] 杨汀. 网络RTK定位精度影响因子与GNSS数据网络传输研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2010.

[9] 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,2013.

[10] RTCM. RTCM special committee no.104. RTCM-standard 10403.2 for differential GNSS[S].2006.

[11] 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.

The Data Communication Based on Beidou GBAS

LIU Tianheng,CHEN Mingjian,ZHANG Shuwei,ZHOU Runyang,LI Ying

(1.CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China;2.BeiDouNavigationTechnologyCollaborativeInformationCenter,Zhengzhou450001,China)

Data communication is an indispensable part of improving the navigation accuracy and positioning accuracy of the Beidou GBAS, and plays a key role in the system. Based on the Beidou GBAS, the paper gives a brief introduction to the system, and discusses the TCP/IP and RS232 mode used by the reference station and the data center for data communication. For the user and data center, the paper analysis of the NMEA0183 information, NRTIP and RTCM data, describes the improvement of RTCM3.2 over the previous version. Finally, the paper summaries the role of data communication in Beidou GBAS, and prospects the application foreground.

BDS GBAS; TCP/IP; NMEA0183; NTRIP; RTCM

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.013

2016-11-08

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0065-06

刘天恒 (1990-),男,硕士生,主要研究方向为地基增强系统RTD技术研究。

陈明剑 (1976-),男,教授,主要研究方向为斗地基增强系统建设及其应用。

张树为 (1989-),男,硕士生,主要研究方向为GNSS精密单点定位相关技术。

联系人: 刘天恒E-mail:liutianheng137@163.com