GNSS差分協(xié)議校驗方法的比較

申麗麗，郭際明，王 磊，向 巍

（武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢 430079）

GNSS差分協(xié)議校驗方法的比較

申麗麗，郭際明，王 磊，向 巍

（武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢 430079）

詳細(xì)的比較了4種常見的差分協(xié)議所用到的校驗方法的異同,其中RTCM 2.3采用的是奇偶校驗的方法，RTCM 3.0采用的是循環(huán)冗余檢驗方法，而CMR和CMR+采用的則是數(shù)據(jù)塊之和模256這樣的方法。通過算例以及理論分析，從校驗方法的編碼效率、容錯率等方面對其進行比較分析。

RTCM；CMR；奇偶校驗；循環(huán)冗余校驗

近年來，隨著城市的快速發(fā)展，我國近20個省市相繼建立了連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS系統(tǒng)）。CORS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心在接收到基準(zhǔn)站和流動站發(fā)送過來的數(shù)據(jù)之后，生成RTCM/CMR的數(shù)據(jù)流，并播發(fā)給用戶。流動站與基準(zhǔn)站以及控制中心之間的通訊數(shù)據(jù)鏈在系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性作用，因為數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)欠裼行Э煽繘Q定了系統(tǒng)是否有效可靠，而差分協(xié)議是數(shù)據(jù)鏈中很重要的一部分。決定數(shù)據(jù)傳輸效率、檢錯率的一個決定性因素就是數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中的校驗方法，一個好的校驗方法能夠在傳輸?shù)倪^程中充分利用帶寬傳輸數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)出錯的情況下檢測出來，并加以改正。本文正是針對目前常用的 GNSS差分改正信息的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的校驗方法進行比較分析。

1 常見的差分電文格式校驗方法

隨著差分GPS的不斷發(fā)展，國際不同的組織制定了多種標(biāo)準(zhǔn)差分協(xié)議，常用的差分協(xié)議主要包括RTCM差分協(xié)議和CMR差分協(xié)議。RTCM差分協(xié)議是由國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會成立的SC-104委員會制定的，目前經(jīng)常應(yīng)用的有RTCM 2.3、RTCM 3.0兩個版本。RTCM 2.3使用的校驗方法是奇偶校驗方法，而RTCM 3.0使用的是循環(huán)冗余校驗方法。CMR差分協(xié)議是由Trimble公司制定的專門用于RTK的差分協(xié)議，它適用于低帶寬的通訊鏈的情況，目前經(jīng)常應(yīng)用的有CMR和CMR+兩個版本，而它們的校驗方法相同。

1.1 RTCM 2.3差分電文格式校驗方法

RTCM 2.3采用奇偶檢驗的方法，但是它不是單純的奇偶校驗，這與很多文章中提到的關(guān)于RTCM 2.3的奇偶校驗是普通的奇偶校驗是不一樣的，它遵從（32，26）漢明碼檢錯準(zhǔn)則，漢明校驗矩陣為 H，校驗公式為：S6×1=H6×24⊕M24×1，式中 M 24×1為電文中每個字碼的前24位信息位，如下所示[1]。

其中，d1，d2，d3，…，d24是原始的數(shù)據(jù)信息；D*29，D*30是前一個字的最后兩位；D25，…，D30是計算的奇偶校驗位；D1，D2，…，D29,D30是最終發(fā)送的信息。表示模2和，或者異或運算。

為了滿足信息位（24 bit）的要求，將（32，26）漢明碼縮短，去掉兩位信息位構(gòu)成（30，24）縮短碼。這種縮短碼的糾錯能力和最小距離與原碼相同。這種校驗方法的原理是在一組代碼中采用幾位校驗位，使每一位信息都參加幾組不同成員的奇偶校驗。若某一位信息出錯，則會引起有關(guān)的幾組奇偶校驗結(jié)果都出錯。于是，根據(jù)哪些組出錯，就可以確定出錯信息的位置，從而進行自動糾正。RTCM 2.3電文中，每30bits最后6bits都是奇偶校驗位，后面的6位是根據(jù)前面的24位以及上一個字的最后兩位得到的。首先獲得上一電文中的最后兩位D*29，D*30，然后如果D*30為1則1-24位取補碼，為0則不變，根據(jù)得到的24位數(shù)據(jù)以及 D*29，D*30代入到表1中進行計算，如果計算的結(jié)果與數(shù)據(jù)中的校驗碼相同，則通過校驗，否則，校驗沒有通過，數(shù)據(jù)出錯。校驗流程如圖1所示。

圖1 奇偶校驗流程圖

1.2 RTCM 3.0差分電文格式校驗方法

迫于Trimble公司已經(jīng)制定了CMR這一壓縮格式的壓力，RTCM SC-104委員會制定了RTCM 3.0版本的數(shù)據(jù)協(xié)議。RTCM 3.0采用的是24位循環(huán)冗余校驗（CRC）規(guī)則，是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯校驗碼，它與之前的奇偶校驗有很大不同。它是利用線性編碼理論，在發(fā)送端根據(jù)要傳送的 k位信息碼，以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個24位的校驗碼，并附在信息碼后面作為校驗碼一個發(fā)送出去。而在接收端則根據(jù)信息碼和校驗碼之間的規(guī)則進行校驗，以確定得到的是否是所需要的信息碼。在代數(shù)編碼理論中，將一個碼序列表示成一個多項式的形式，碼序列中各碼元當(dāng)作多項式的系數(shù)。例如110010表示為

CRC校驗的信息字段是從導(dǎo)言開始到可變長度信息字段結(jié)束，標(biāo)準(zhǔn)給定的生成多項式為

p(x)是簡單不可約分的多項式

設(shè)m(x)為k位信息字段所組成的二進多項式，m (x)的最高冪次為 k-1。發(fā)送方以 g(x)去除 m(x)x24（即對應(yīng)的信息碼序列左移24位）,得到余式r(x)，把此余式的系數(shù)作為CRC校驗碼附加到信息碼后面，就得到了一個能被g(x)整除的碼多項式C(x)。即式中，q(x)為商式。解碼時，將C(x)除以g(x)，余數(shù)為0則證明這段信息有效，否則為無效。

1.3 CMR、CMR+電文格式校驗方法

CMR、CMR+差分協(xié)議是Trimble公司制定的專門為網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。主要是針對RTCM格式的碼發(fā)送率必須高于4800b/s這一不足之處而制定的，CMR、CMR+的碼發(fā)送率只有RTCM的一半，即2400 b/s。

CMR+是對CMR的改進，CMR、CMR+的校驗方法相同。CMR和CMR+的校驗非常簡單，它只負(fù)責(zé)一部分校驗，在數(shù)據(jù)鏈層會提供足夠的差錯檢驗來保證信息的正確性。這部分的校驗只是把 Status、Type、Length以及DataBlock部分每個字節(jié)的和模256，如果結(jié)果為0則通過檢驗，否則不通過。

2 GNSS差分信息電文格式校驗方法算例驗證

筆者編程實現(xiàn)了對RTCM 2.3、RTCM 3.0以及CMR+的編碼以及解碼，用來比較各種校驗方法的區(qū)別。筆者通過實驗分別獲取了采用 3種差分?jǐn)?shù)據(jù)格式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如下所示：

以上 3段電文傳遞的信息是相同的，即同一個虛擬參考站在地心地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)X,Y,Z。

RTCM 2.3采用Type3和Type22這兩幀數(shù)據(jù)傳遞這一個坐標(biāo)，在RTCM 2.3中Type3表示的是虛擬參考站的地心地固坐標(biāo)，精確到小數(shù)點后厘米，而Type22則是表示坐標(biāo)的厘米以后的尾數(shù)，精確到 1/256 cm。RTCM 3.0僅用了一個字段，即1005字段來傳遞，它用38bits來表示一個坐標(biāo)，精確到0.1mm。CMR+采用三個子頁，即1,2,3子頁來表示，用34bits來表示一個坐標(biāo)，精確到1mm。

在上述的數(shù)據(jù)例子中，RTCM 2.3完整的表示VRS的坐標(biāo)共需要55字節(jié)，前30個字節(jié)為 Type3，后25字節(jié)為 Type22，每四個字節(jié)校驗一次，即第5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55字節(jié)用于校驗，校驗位占11字節(jié);RTCM 3.0表示 VRS坐標(biāo)共需要25字節(jié)，固定的校驗碼長度為 24 bits，跟隨在信息位之后，本例中第23,24,25字節(jié)用于校驗，校驗位僅占了3字節(jié)；而 CMR+表示同樣的信息需要48字節(jié)，每16字節(jié)為一個子頁，每頁的倒數(shù)第二個字節(jié)為校驗位，即第15,31,47字節(jié)用于校驗，校驗位總長度為3字節(jié)。

3 GNSS差分信息電文格式校驗方法的比較

根據(jù)編碼原則，k+r=n，k為信息碼，r為校驗碼，n為發(fā)送的碼組，信道的傳輸效率即編碼效率 R=k/n，則RTCM 2.3的編碼效率R1為80%，RTCM 3.0的1005字段的編碼效率R2為88%，而CMR+的編碼效率為R3為93.75%。所以從編碼效率上看，R3>R2>R1，即CMR+的編碼效率最高，RTCM 3.0次之，RTCM 2.3最低。

RTCM 2.3采用的校驗方法符合漢明碼檢錯準(zhǔn)則，它的各個校驗位并不是獨立存在的，但是當(dāng)特定信息位同時改變時，此時校驗可能會通過，而數(shù)據(jù)卻是錯誤的，比如用自編程序驗證當(dāng)信息位第5、10、15、24位同時改變時，奇偶校驗通過。但是出現(xiàn)這樣錯誤的概率為百萬分之一，所以奇偶檢驗還是可以滿足應(yīng)用的要求。

RTCM 3.0采用的CRC校驗固定了校驗碼的長度為24位，它既能檢測出每個字的1位誤碼，也能檢測出2位誤碼，還可以100%的檢測出所有奇數(shù)個隨機錯誤和長度小于等于24位的突發(fā)錯誤，當(dāng)突發(fā)錯誤的長度b大于24時，未能檢測率為224（b>25bits）或者為223（b=25 bits）。RTCM 3.0比RTCM 2.3節(jié)省帶寬，編碼效率至少高了 8%，而且校驗方法的容錯率明顯高于RTCM 2.3，所以RTCM 3.0比RTCM 2.3更能滿足應(yīng)用要求。

CMR、CMR+采用的校驗方法相對簡單，只要Data Block位改變之后每個字節(jié)之和是256的整數(shù)倍，那么校驗就可以通過。它可以檢測出 1位誤碼，檢錯率不高，所以需要數(shù)據(jù)鏈提供額外的、足夠的數(shù)據(jù)差錯檢驗機制，以確保接收到的信息內(nèi)容是有效的。

用戶在實際應(yīng)用時，可以根據(jù)不同的要求采用不同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，總體來說，RTCM 3.0與RTCM 2.3相比，無論從數(shù)據(jù)傳輸效率、編碼效率以及容錯率方面都要好，而CMR、CMR+在數(shù)據(jù)傳輸效率上比RTCM高，但是它們的容錯率沒有RTCM好，所以可以根據(jù)帶寬以及數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞決定使用哪種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

[1] GPS Navstar.Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification,2nd Edition[S].

[2] Rtcm Special Committee No104.Rtcm Recommended Standards for Differential Gnss Service,Version 2.3[S].

[3] Rtcm Special Committee No104.Rtcm Recommended Standards for Differential Gnss Service,Version 3.0[S].

[4] Trimble Navigation.Compact Data Transmission Standard for High-Precision GPS,Revision 2.0[S].

[5] Trimble Navigation.Improvements in the Compact Measurement Record Format,Revision 2.0[S].

[6] 周翔,周俐麟.用C#實CRC校驗[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2004(4):41-43

[7] 倪維楨，高鴻翔.數(shù)據(jù)通信原理[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，1995

[8] 張九宴.GPS差分協(xié)議及基準(zhǔn)站算法研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2003

Comparison of Parity A lgorithms for Differential GNSSData Transm ission Standards

by Shen Lili

This paper com pared the differences in the 4 common standard's parity algorithm.RTCM 2.3 took the Parity Check as parity algorithm,and RTCM 3.0 took the QualComm CRC algorithm as parity algorithm,while CMR and CMRPlus used the sum of data b locks to mode 256 as parity algorithm. The author analyzed parity algorithm s from coding efficiency and fault-tolerance efficiency by exam p les and theory analysis.

RTCM,CMR,parity check,qualcomm CRC a lgorithm（Page:82）

P228.42

B

1672-4623(2011)01-0082-03

2010-07-14

項目來源：國家863計劃資助項目 (2008AA127308)。

申麗麗，碩士，研究方向為大地測量學(xué)與測量工程。