室內定位信息傳輸電文格式研究

張昀超，周明濤，甄 杰

(中國測繪科學研究院，北京 100830)

1 引言

在室外定位領域，基于全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)的位置服務已廣泛應用于各行各業，與位置信息相關的數據傳輸格式標準，如：美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association，NMEA)的NMEA 0183協議，國際海運事業無線電技術委員會(Radio Technical Commission for Maritime services，RTCM)第104專業委員會(Special Committee 104，SC-104)的RTCM SC-104協議，已經得到社會的廣泛采用。然而據統計，人們每天平均85%的時間在室內活動，當前社會經濟生活各領域對于大型購物中心、醫院、機場、礦山等復雜室內及地下空間與位置信息相關的商業信息服務，安全管理，應急響應等需求日益迫切，室內定位正在成為位置服務領域的研究熱點。由于室外導航衛星信號受建筑物的遮擋，無法在室內空間進行定位，必須尋找適用于室內的導航定位方法。目前基于無線電信號的室內定位技術主要有無線保真(wireless fidelity，WiFi)，超寬帶(ultra-wideband，UWB)，紅外，藍牙，超聲波，射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術和小區識別碼(Cell，Cell-ID)等，但是由于無線電信號在室內的多徑及非視距傳播(non line of sight，NLOS)遮擋效應，信號衰減嚴重，使其定位精度及覆蓋范圍受到很大限制。基于微慣導等終端集成定位傳感器的室內導航定位技術研究正在逐漸深入。國外的室內位置服務系統解決方案主要有蘋果公司基于藍牙4.0的iBeacon解決方案，高通公司基于Gimbal傳感器和基于WiFi的RTT解決方案等。三星、索尼、高通等19家通信企業組成了全球室內定位聯盟(In-Location Alliance)，致力于提供“高精準、低功耗、可移動性、易部署性以及使用性”的室內定位裝置和解決方案，相關國際技術標準正在制定中。國內百度、高德、四維、智慧圖等公司也在研發基于WiFi、藍牙的室內定位產品。

由于室內定位技術是一個剛剛興起的熱點技術，而且室內定位環境的復雜性，室內無線定位信號及定位傳感器功能的局限性，目前還沒有一種室內定位技術能夠像室外衛星導航定位技術那樣一統天下，在今后相當長時間內都可能是多種室內定位技術手段并存或者進行組合定位的局面。室內定位目前尚未形成完整技術體系，相關的室內位置信息傳輸標準尚未建立，急需進行相關的研究與探索。

2 位置信息相關協議標準

NMEA 0183和RTCM SC-104是目前室外GNSS導航定位領域國際通用的數據傳輸格式，二者因使用目的不同，編碼方式及適用場合完全不同。NMEA 0183通常用于導航設備終端，以美國信息交換標準代碼(American standard code for information interchange，ASCII)碼字符形式直接輸出定位結果，便于使用者查看。RTCM SC-104則用于傳輸二進制形式的基準站坐標，原始觀測數據、差分改正值等相關差分信息，傳輸的信息主要用于差分全球衛星導航系統(differential global navigation satellite systems，DGNSS)的高精度定位解算，并不直接輸出定位結果。高精度定位終端通過DGNSS解算出的高精度定位結果仍然需要通過NMEA 0183進行終端顯示與輸出。天寶(Trimble)、諾瓦泰(NovAtel)等公司還有各自制定的專用DGNSS數據格式，如Trimble 的CMR(compact measurement record)等，這些專用格式彼此互不兼容。此外，需要特別說明的是Ntrip(networked transport of RTCM via internet protocol)是通過互聯網進行RTCM SC-104差分數據網絡傳輸的應用層協議。它不是一個位置信息電文格式標準，而是為了RTCM差分電文信息在網絡上傳輸制定的專用網絡傳輸協議。

2.1 NMEA 0183協議

NMEA 0183協議最初是美國國家海洋電子協會為全球定位系統(global positioning system，GPS)海用電子設備制定的標準[1]。它是一套定義GNSS接收機定位輸出的標準信息，有幾種不同的格式，每種都是獨立相關的ASCII格式，逗點隔開數據流，數據流長度從30-100字符不等，通常以每秒間隔選擇輸出，最常用的格式為“GGA”，它包含了定位時間、緯度、經度、高度、定位所用的衛星數、精度衰減因子(dilution of precision，DOP)值、差分狀態和校正時段等，其他的有速度、跟蹤、日期等。該協議采用ASCII碼，其串行通信默認參數為：波特率=4 800 bps，數據位=8 bits，開始位=1 bit，停止位=1 bit，無奇偶校驗。幀格式形如：$aaccc，ddd，ddd，…，ddd*hh。

表1 NMEA 0183數據格式

NMEA 0183協議定義的語句非常多，但是常用的或者說兼容性最廣的語句只有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。

NMEA 0183協議是目前GPS接收機上使用最廣泛的協議，大多數常見的GPS接收機、GPS數據處理軟件、導航軟件都遵守或者至少兼容這個協議。

2.2 RTCM SC-104差分電文格式標準

RTCM SC-104差分電文格式標準是國際海事無線電技術委員會第104專業委員會制定的全球通用DGNSS電文格式協議[2]。它用于在解算中心、基準站和用戶站之間傳輸二進制差分數據。RTCM SC-104陸續公布了多種差分數據格式，V2.0僅用于差分全球定位系統(differential global positioning system，DGPS)；V2.1添加了載波相位數據和實時動態差分法(real-time kinematic，RTK)修正數據；V2.2包括了俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)數據和相關信息；V2.3增加天線數據類型和地址解析協議(address resolution protocol，ARP)信息；V3.0增加了用于傳輸網絡差分改正數的電文，支持網絡RTK。目前最新公布版本為V3.2(2013-02-01)，V2.3和V3.0是現在使用最廣的版本。RTCM SC-104 V3.0典型電文格式如下：

表2 RTCM SC-104電文格式

RTCM SC-104引導字為D3，是一個固定的8比特位序列。接著的6個比特位是保留的，設置成0。移動用戶接收機應該忽略這些比特并且不能認為它們總是被設置為0。可變長度電文是實際傳輸數據的內容，根據內容不同長度會有所變化，但不超過1023個字節。如果數據鏈接需要短電文以保持一個連續的數據流，那么可變長度數據電文應該被設置為0，提供一個長度為48位的填充電文。24位的循環冗余校驗碼(cyclic redundancy check，CRC)提供針對突發性錯誤的保護，可以檢測出所有的單個位錯、幾乎所有的雙個位錯，傳輸可靠性很高。CRC對連續字節的操作開始于引導字，直到可變長度電文域的結尾。

RTCM SC-104包含多種信息類型，主要有觀測類型，基準坐標類型，網絡RTK改正類型及其它輔助類型。其中觀測類型根據傳輸衛星系統可分為GPS和GLONASS[3-4]，根據傳輸數據內容又可分為單L1，L1+L2等多種類型，RTCM SC-104協議文件中給出了幾種信息類型組合，用戶可根據實際需求選擇合適的組合。

3 NMEA 0183協議和RTCM SC-104協議分析

3.1 兩種協議數據格式對比

表3 數據格式對比

因為計算機的設備端口需要提供ASCII碼字符進行顯示，所以NMEA 0183協議直接輸出ASCII格式的定位數據，使用戶直接通過顯示或接收端口就可以看到直觀的定位結果。它具有編碼結構簡單，可讀性好等優點，適于信息量小的文本數據傳輸。NMEA 0183協議已成為所有的GPS接收機最通用的定位數據輸出格式。但是因為輸出的每個字符和數字都用8位的ASCII碼表示，并且沒有進行有效的數據壓縮編碼，其數據生成量較大，傳輸效率低，不適合大數據量的傳輸。如果網絡RTK的原始觀測數據通過NMEA 0183方式傳輸，產生的傳輸數據量將是RTCM SC-104的5倍以上，這將大大降低數據傳輸效率和實時性。

相對于NMEA 0183，RTCM SC-104使用了壓縮二進制格式，網絡傳輸更為有效。以使用頻度最高的原始觀測值輸出為例，電文編碼在保證必要精度的前提下對數據進行了最大范圍的壓縮，如：L1偽距原始觀測值用24位表示，既滿足精度，又減少了數據的使用量。其它L1載波相位，L2偽距和L2載波相位都分別用自身與L1偽距原始觀測值的差值表示，這樣分別只用20位，8位，20位就足夠了，極大壓縮了數據的生成量。基準站天線基準點中的XYZ坐標值也分別采用38位表示，相對與計算機中常用的雙精度64位節省接近一半的數據使用量。特別是在多星系統[3-6]下，壓縮的二進制數據格式能減輕網絡負擔，在野外網絡環境差的情況下，低的數據速率對提高連續工作時間，增加電臺之間的傳輸距離頗有益處，同時減少傳輸時間也提高了定位實時性。目前微處理器的運算能力能夠很好地解決編碼復雜性問題。

NMEA 0183由于可直接輸出定位信息，兼容性好，基本上所有的GNSS接收機都能輸出NMEA 0183格式的數據，適用于導航設備的最終定位結果輸出。而RTCM SC-104使用了壓縮的二進制格式，數據結構短小而復雜，效率高，可以傳輸較大數據量以及進行網絡傳輸，目前只有需要差分定位的高精度GNSS接收機才支持該格式，適用于高精度定位領域。

3.2 兩種數據傳輸格式在網絡RTK中的應用

圖1 網絡RTK數據傳輸格式及流程

如圖1所示[7-9]，基準站通過網絡傳輸RTCM SC-104格式的原始數據到解算中心，當有移動站請求RTK服務時，先對用戶進行身份驗證，通過后會等待用戶用NMEA 0183格式發送的概略坐標，解算中心根據收到的概略坐標，選擇合適的基準站(3個左右)，虛擬出一個坐標位于用戶站附近的基準站，通常RTK的誤差隨著移動站與基準站之間的距離增加而增加，一個移動站附近的基準站能最大限度的提高RTK精度。解算中心持續發送虛擬基準站坐標位置和解算后基于此坐標的原始觀測值到移動站，收到數據的移動站可以用常規RTK方式進行數據改正和解算，最終以NMEA 0183格式輸出精密的位置坐標。

4 室內定位信息傳輸方式

目前室內定位技術尚不完善，由室內定位傳感器與WiFi等無線信號融合的多源組合導航定位技術是未來室內定位主要研究方向之一。除了移動端基于各種集成定位傳感器及無線定位信號的自定位外，集成于移動端的微慣性陀螺等各種輔助定位傳感器、WiFi等產生大量與定位相關的原始觀測數據，傳輸給系統位置服務中心進行處理和解算，可獲得比移動端自定位更高精度的室內定位結果。室內定位傳感器輸出的大量原始觀測數據可參考RTCM SC-104傳輸格式進行傳輸，最終的室內定位結果輸出可參考NMEA 0183。根據室內定位方法的不同，傳輸數據的不同，可適當對上述定位傳輸協議進行修改和自定義擴充。

表4以傳輸某基準站觀測到的GPS 12顆衛星的L1，L2偽距、載波相位原始觀測值為例，對比了類似NMEA 0183格式，某二進制數據傳輸格式及RTCM SC-104 3.0格式的產生數據量大小(注：1字節(Byte)=8位(bits))。

從表4 可以看出，12顆衛星L1，L2 原始觀測數據分別通過RTCM SC-104電文格式傳輸、某二進制數據傳輸、仿NMEA 0183 ASCII碼傳輸，數據傳輸效率比是5∶2.5∶1。可見，相比NMEA 0183格式，RTCM協議傳輸效率高5倍。可見對大數據量的實時信息傳輸必須考慮數據編碼效率。

表4 三種數據傳輸格式對比

5 結束語

本文對通用的室外衛星定位數據傳輸協議進行了總結和對比，對傳輸大量原始觀測數據的幾種電文格式進行了對比，提出了室內定位數據傳輸格式的構想，并指出編碼效率是大數據量信息傳輸必須考慮的因素。

[1] NMEA 0183，NMEA 0183 Standard for Interfacing Marine Electronic Devices，Version 3.01 [S].

[2] RTCM 10403.1(RTCM Paper 177-2006-SC104-STD)，RTCM standard 10403.1 for differential GNSS[S].

[3] SJ/T 11417-2010，GPS接口控制文件[S].

[4] SJ/T 11418-2010，GLONASS接口控制文件[S].

[5] 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統公開服務性能規范(1.0 版)[EB/OL].(2013-12-01)[2014-08-12].http：//www.beidou.gov.cn/attach/2013/12/26/20131226fe8b20aad5f34091a6f8a84b08b1c4b1.pdf.

[6] The European Union.Galileo衛星導航系統ICD信號接口控制文件 Galileo OS SIS ICD(Open Service Signal-In-Space Interface Control)[EB/OL].(2010-09-01)[2014-08-12].http：//ec.europa.eu/enterprise/policies/satnav/galileo/files/galileo-os-sis-icd-issue1-revision1_en.pdf.

[7] CH/T 2008-2005，全球導航衛星系統連續運行參考站網建設規范[S].

[8] GB/T 19391-2003，全球定位系統(GPS)術語及定義[S].

[9] 導航與位置服務科技專項總體專家組，地球觀測與導航技術領域導航主題專家組.XH/T 1101-2013，羲和系統技術規范GNSS基準站實時數據傳輸格式(1.0 版)[EB/OL].(2013-09-01)[2014-08-12].http：//www.nrscc.gov.cn/nrscc/upload/2013/2d04bb66ee5c40b2b228310ee883d73a1380438729921.pdf.