新一代國際標(biāo)準(zhǔn)RTCM V3.2及其應(yīng)用

陳 振，王 權(quán)，秘金鐘，谷守周，方書山，向常淦

(1.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830；2.四川省第一測繪工程院，四川 成都 610100)

1 引言

差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(differential global navigation satellite system，DGNSS)由基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈和流動(dòng)站(用戶)三部分組成[1]。由DGNSS定位原理可知，基準(zhǔn)站形成差分改正信息，并利用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將差分改正信息發(fā)送給流動(dòng)站用戶[2]。其中數(shù)據(jù)傳輸格式是數(shù)據(jù)通訊鏈的重要環(huán)節(jié)，差分定位的精度與差分改正信息的更新速率、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性密切相關(guān)，因此，要求數(shù)據(jù)通訊鏈傳輸快速、準(zhǔn)確、可靠[3]。

國際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(radio technical commission for martine services，RTCM)是一種普遍采用的數(shù)據(jù)傳輸格式，它是由國際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會(huì)提出的，用于制定在差分全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)操作時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)。

為滿足全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的發(fā)展趨勢，RTCM先后經(jīng)歷多次格式的改進(jìn)，目前應(yīng)用最普遍的是RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式，但為適應(yīng)歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)和我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)等新系統(tǒng)的發(fā)展、已有系統(tǒng)的改造升級(如新L2C和L5信號)以及地區(qū)性廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)(satellite-based augmentation systems，SBAS)的應(yīng)用，RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式應(yīng)運(yùn)而生，本文就是對RTCM V3.1和RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行對比，淺析V3.2版本中更新的內(nèi)容和格式，討論RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的未來應(yīng)用情況。

2 RTCM發(fā)展歷程

國際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會(huì)于1983年11月為全球推廣運(yùn)用差分全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)業(yè)務(wù)設(shè)立了RTCM 104專門委員會(huì)(RTCM special committee NO.104，RTCM SC-104)，用于論證提供差分GPS業(yè)務(wù)的各種方法，并制定各種數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，RTCM標(biāo)準(zhǔn)格式共經(jīng)歷三個(gè)版本，即第一版、第二版和第三版[4]。

2.1 RTCM第一版

RTCM SC-104專門委員會(huì)于1985年公布了RTCM V1.0標(biāo)準(zhǔn)格式的建議文件，該版本主要描述了GPS系統(tǒng)差分信息。在早期差分GPS系統(tǒng)應(yīng)用和服務(wù)方面發(fā)揮了重要作用。。

2.2 RTCM第二版

RTCM V2.0標(biāo)準(zhǔn)格式于1990年1月頒布，該版本提高了差分改正數(shù)的抗差性，增大了可用信息量，差分定位精度由V1.0版本的8～10m提高到了5m，通常可達(dá)到2～3m；但該版本的協(xié)議主要用于導(dǎo)航服務(wù)，只有偽距差分信息，沒有載波相位信息。

為了適應(yīng)載波相位差分GPS的需要，RTCM SC-104專門委員會(huì)于1994年公布了RTCM V2.1標(biāo)準(zhǔn)格式，其基本數(shù)據(jù)格式未變，增加了幾個(gè)支撐實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位(real-time kinematic，RTK)的新信息，即信息18～21。

在1998年又公布了RTCM V2.2標(biāo)準(zhǔn)格式，它增加了支持俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)的差分導(dǎo)航信息，同時(shí)在相應(yīng)的信息中增加了區(qū)分GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星的標(biāo)志。

2001年又發(fā)布了RTCM V2.3標(biāo)準(zhǔn)格式，定義了信息23和24(天線參考類型)，它的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位精度優(yōu)于5 cm[5]。

2.3 RTCM第三版

RTCM V3.0標(biāo)準(zhǔn)格式于2004年公布，該版本提供了包括偽距和載波相位觀測值、天線參數(shù)和輔助系統(tǒng)參數(shù)這些用于支持GPS和GLONASS RTK作業(yè)的信息。

2006年10月公布了RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式，該版本新增了GPS網(wǎng)絡(luò)差分改正信息、GPS星歷信息、GLONASS星歷信息、用于提供文本信息的統(tǒng)一編碼信息以及為經(jīng)營商預(yù)留的用于為特殊用途提供專有服務(wù)的一系列信息類型[6]。RTCM V3.1主要是應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)RTK環(huán)境中，是一種更高效、簡潔且容易適用于新環(huán)境的數(shù)據(jù)格式，已經(jīng)通過了可靠性與實(shí)用性測試，出現(xiàn)新的內(nèi)容只需要修改保留位信息而不會(huì)影響已經(jīng)定義了的數(shù)據(jù)字段，因此有很強(qiáng)的實(shí)用性[7]。

針對RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式，RTCM SC-104專門委員會(huì)又提出了五次修正案，改進(jìn)了信息描述，增加了專有信息、網(wǎng)絡(luò)RTK殘差信息、真實(shí)參考站的位置信息(用于虛擬參考站Virtual Reference Station，VRS)、接收機(jī)與天線描述信息、處理四分之一周相位切換、GPS與GLONASS FKP技術(shù)、GLONASS主輔站技術(shù)(master auxiliary concept，MAC)、狀態(tài)空間差分(state space representation，SSR)信息等。

2013年2月公布了最新版本RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式，新定義了多信號信息(multiple signal message，MSM)和GLONASS偏差信息；同年7月提出了修正案RTCM V3.2.A.1，新增了BDS MSM和Galileo F/NAV衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)。

3 RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的更新

為了適應(yīng)新系統(tǒng)(尤其是BDS與Galileo)的發(fā)展、已有系統(tǒng)的改造升級(如新L2C和L5信號)以及地區(qū)性廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用，在RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了必要的擴(kuò)展，得到了最新的RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式，主要包括幀結(jié)構(gòu)、信息類型、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)字段和信息。

3.1 幀結(jié)構(gòu)

RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的幀結(jié)構(gòu)與RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式相同，每幀數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的幀結(jié)構(gòu)

3.2 信息類型的更新

信息類型規(guī)定了每幀數(shù)據(jù)可變長度的數(shù)據(jù)信息，是RTCM協(xié)議傳輸各種信息的載體，所以信息類型的更新是版本更新的最主要部分，RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式相對于RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式的修訂和修正案總結(jié)如表2所示。

第三版中的信息類型根據(jù)用途被劃分為不同的信息組，為有效實(shí)現(xiàn)特定服務(wù)，服務(wù)商需要發(fā)送組中的幾種信息類型。RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式中已定義信息組包括觀測數(shù)據(jù)、測站坐標(biāo)、天線描述、網(wǎng)絡(luò)RTK改正、輔助觀測信息和專有信息，新版本不僅在已定義的信息組中補(bǔ)充新的信息類型，同時(shí)也定義了新的信息組(接收機(jī)與天線描述、轉(zhuǎn)換參數(shù)和狀態(tài)空間差分參數(shù))，新版本中各信息組新定義的內(nèi)容如表3所示。

表2 RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的修訂(3.x)和修正案(A.x)總結(jié)

表3 信息組更新

RTCM V3.1與V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式都支持GPS、GLONASS以及GPS/GLONASS組合RTK服務(wù)，在V3.1版本基礎(chǔ)上只能支持7種RTK服務(wù)水平(如表4所示)，V3.2版本通過定義新信息類型，能夠支持20種服務(wù)，其中前6種服務(wù)完全得到繼承，將單一的精密GPS網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)(V3.1版本中第7種服務(wù))擴(kuò)展成6種網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)3種狀態(tài)空間差分(SSR)服務(wù)，1種碼差分操作服務(wù)、2種不同精度操作服務(wù)和2種不同精度數(shù)據(jù)改正服務(wù)，服務(wù)商可以按照需求提供基本或者完整的服務(wù)[8]。

表4 RTCM V3.1與V3.2版本支持RTK服務(wù)對比

3.3 數(shù)據(jù)字段的更新

數(shù)據(jù)字段是信息的重要組成部分，每條信息是由若干數(shù)據(jù)字段按一定格式排列而成，數(shù)據(jù)字段規(guī)定數(shù)據(jù)字段的范圍、分辨率和數(shù)據(jù)類型。

RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式共定義了142個(gè)數(shù)據(jù)字段(Data Field，簡稱DF)，V3.2版本在原有基礎(chǔ)上新定義了285個(gè)數(shù)據(jù)字段，總量達(dá)到427個(gè)，定義新數(shù)據(jù)字段的目的是滿足描述新信息內(nèi)容的要求。新定義數(shù)據(jù)字段主要用于表示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)RTK殘差、狀態(tài)空間差分、GLONASS網(wǎng)絡(luò)RTK改正、FKP網(wǎng)絡(luò)RTK改正、多信號信息和GLONASS偏差信息等。

3.4 數(shù)據(jù)類型的更新

數(shù)據(jù)類型規(guī)定數(shù)據(jù)的范圍，包括位字段、八位字符、補(bǔ)碼整數(shù)、無符號整數(shù)、符號數(shù)值整數(shù)和統(tǒng)一碼UTF-8編碼共六種形式的數(shù)據(jù)類型。

RTCM V3.1標(biāo)準(zhǔn)格式共定義了39種數(shù)據(jù)類型，RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式中增加定義了長度為8、9、10、15、19、25、26、27、34和35比特的補(bǔ)碼整型，2、9、14、26、35和36比特的無符號整型，其他數(shù)據(jù)類型未進(jìn)行修改，從而使數(shù)據(jù)類型達(dá)到55種。定義新數(shù)據(jù)類型是為了描述新定義的數(shù)據(jù)字段，隨著新數(shù)據(jù)字段數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)類型可能會(huì)繼續(xù)增加。

3.5 信息的更新

新定義信息類型的數(shù)量較多，在此以多信號信息和真實(shí)參考站信息類型為例進(jìn)行說明，其它信息類型的定義方式與以上兩種基本相似。

3.5.1 多信號信息組

多信號信息是為不同衛(wèi)星系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)提供通用傳輸格式而定義的，可以分解成壓縮信息和完整信息(類似于信息類型1003和1004，或者1011和1012)[9]。由于未來將有更多導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)被設(shè)計(jì)使用，新的多信號信息將會(huì)被定義，信息類型1070～1229正是為多信號信息預(yù)留的。在RTCM V3.2版本中定義了GPS、GLONASS、Galileo和BDS多信號信息，這些信息具有相似的信息類型，如表5所示。

表5 各系統(tǒng)多信號信息類型

注：N=0(GNSS特指GPS)；N=1(GNSS特指GLONASS)；N=2(GNSS特指Galileo)；N=3(GNSS特指BDS)。

多信號信息類型共定義7種，受篇幅所限，對多信號信息類型的比特結(jié)構(gòu)不再贅述，可參考RTCM V3.2協(xié)議。

各種導(dǎo)航定位系統(tǒng)的多信號信息具有相同的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部模塊排列順序也基本相同，如表6所示。

表6 多信號信息內(nèi)容和各模塊排列順序

所有數(shù)據(jù)字段不是根據(jù)衛(wèi)星或信號來分組的，而是根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分組。具體就是，如果在一個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)模塊中被傳送的數(shù)據(jù)字段不止一個(gè)，就將所有可利用衛(wèi)星的第一個(gè)數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行打包，緊接著是第二個(gè)，以此類推。相似的，如果傳送的信號數(shù)據(jù)字段不止一個(gè)，那就將各可利用衛(wèi)星與信號組合進(jìn)行打包，緊接著是第二個(gè)數(shù)據(jù)字段，也對應(yīng)于各可利用衛(wèi)星和信號。這種打包的方式就是“內(nèi)部循環(huán)”。

對于多信號信息的不同類型，RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式定義了相同的信息頭格式，如表7所示。

表7 多信號信息各信息類型(MSM1—MSM7)信息頭的內(nèi)容

衛(wèi)星信息的發(fā)送是有條件的，只有當(dāng)衛(wèi)星標(biāo)記(DF394)對應(yīng)值為1時(shí)，該衛(wèi)星的衛(wèi)星信息才會(huì)在MSM中發(fā)送。因此，如果衛(wèi)星標(biāo)記設(shè)為1，每個(gè)數(shù)據(jù)字段將重復(fù)Nsat次(利用了內(nèi)部循環(huán))，循環(huán)數(shù)據(jù)的順序?qū)?yīng)于衛(wèi)星標(biāo)記中的順序，Nsat指衛(wèi)星數(shù)量。多信號信息各信息類型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)內(nèi)容分別如表8、表9和表10所示。

表8 多信號信息類型MSM1/MSM2/MSM3的衛(wèi)星數(shù)據(jù)內(nèi)容

表9 多信號信息類型MSM4/MSM6的衛(wèi)星數(shù)據(jù)內(nèi)容

表10 多信號信息類型MSM5/MSM7的衛(wèi)星數(shù)據(jù)內(nèi)容

信號信息的發(fā)送也是有條件的，只有當(dāng)單元格標(biāo)記(DF396)對應(yīng)值為1時(shí)，該信號與衛(wèi)星組合的信號信息才會(huì)在MSM中發(fā)送。因此，如果單元格標(biāo)記設(shè)為1，每個(gè)數(shù)據(jù)字段將重復(fù)Ncell次(利用了內(nèi)部循環(huán))，循環(huán)數(shù)據(jù)的順序?qū)?yīng)于單元格標(biāo)記中的順序，Ncell指信號數(shù)據(jù)模塊的數(shù)量。多信號信息各信息類型的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容如表11至17所示。

表11 多信號信息類型MSM1的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表12 多信號信息類型MSM2的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表13 多信號信息類型MSM3的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表14 多信號信息類型MSM4的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表15 多信號信息類型MSM5的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表16 多信號信息類型MSM6的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

表17 多信號信息類型MSM7的信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

多信號信息是以某一物理歷元來發(fā)送，因此，采用多信息指示符(DF393)來表示該歷元是否結(jié)束(該指示符適用于各種GNSS系統(tǒng))。當(dāng)在某一物理歷元和某一參考站ID后還有同一種或另一種GNSS系統(tǒng)多信號信息存在時(shí)，該指示符被設(shè)為1。為有效利用該指示符，解碼軟件應(yīng)當(dāng)了解該數(shù)據(jù)流中所有可能發(fā)送的GNSS信息類型。然而，未來更多導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多信號信息將會(huì)被定義，裂解所有GNSS信息類型不太現(xiàn)實(shí)。由信息頭結(jié)構(gòu)可知，在MTxxx1、MTxxx2、MTxxx3、MTxxx4、MTxxx5、MTxxx6、MTxxx7信息中第55個(gè)字符代表MSM多信息指示符，這能確保解碼軟件在不了解新導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多信號信息的內(nèi)容和格式的情況下得到歷元結(jié)束信息。

3.5.2 真實(shí)參考站坐標(biāo)信息

新定義的真實(shí)參考站坐標(biāo)信息類型1032的內(nèi)容如表18所示。

表18 真實(shí)參考站坐標(biāo)信息類型1032的內(nèi)容

下面是一個(gè)信息類型1032(真實(shí)參考站坐標(biāo)信息)的十六進(jìn)制例子：

D3 00 14 40 80 03 7D 30 02 98 0E DE EF D2 D2

F5 8A B0 94 19 86 F3 30 36 0B 98

此條信息代表的參數(shù)是：

虛擬參考站ID：03

真實(shí)參考站ID:2003

真實(shí)參考站天線參考點(diǎn)地固系X坐標(biāo)：1 114 104.599 9 m

真實(shí)參考站天線參考點(diǎn)地固系Y坐標(biāo)：-4 850 729.710 8 m

真實(shí)參考站天線參考點(diǎn)地固系Z坐標(biāo)：3 975 521.464 3 m

4 RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的未來應(yīng)用

新版本的內(nèi)容大體可分為RTK、網(wǎng)絡(luò)RTK、

狀態(tài)空間差分SSR、輔助GNSS技術(shù)等協(xié)議，這些功能主要應(yīng)用于GNSS高精度實(shí)時(shí)定位領(lǐng)域，符合RTCM SC-104標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的主流方向。在未來應(yīng)用上，RTCM協(xié)議應(yīng)該會(huì)將實(shí)現(xiàn)區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)格式的修訂作為首要目標(biāo)。

RTCM V3.2標(biāo)準(zhǔn)格式的制定，彌補(bǔ)了此前版本中網(wǎng)絡(luò)RTK信息的不足，定義了包含GPS、GLONASS、Galileo和BDS的多信號信息組(MSM)，增加Galileo和BDS信息，同時(shí)伴隨著選擇可用性政策的撤消，使得支持RTK服務(wù)的帶寬顯著降低，支持現(xiàn)在所有的服務(wù)并減少了數(shù)據(jù)傳載量，拓寬了RTCM的應(yīng)用領(lǐng)域，目前已被廣泛應(yīng)用于海運(yùn)、內(nèi)陸交通、工程施工、國土規(guī)劃、大地測量等各個(gè)領(lǐng)域來傳輸差分GNSS數(shù)據(jù)[10]。RTCM標(biāo)準(zhǔn)格式已成為衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域芯片制造商、板卡集成商、整機(jī)制造商、應(yīng)用服務(wù)提供商、以及用戶等在設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)加工、應(yīng)用推廣等產(chǎn)業(yè)鏈中必須遵守的關(guān)鍵協(xié)議之一，雖然是推薦標(biāo)準(zhǔn)，但卻是事實(shí)上的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

RTCM第三版本通過對一個(gè)參考站或一個(gè)參考站網(wǎng)絡(luò)的描述，定義了支持GPS和GLONASS系統(tǒng)操作的信息格式和技術(shù)手段。新版本顧全了開發(fā)中的新系統(tǒng)(尤其是BDS和Galileo)的應(yīng)用、已有系統(tǒng)的完善(如新L2C、L5信號)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)的使用，這些更新是為了滿足當(dāng)前和未來差分GNSS技術(shù)的需求，使傳輸?shù)男畔⒏雍啙崒?shí)用，更好的為在航海、航空、地面交通和科研工作中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)，尤其是BDS系統(tǒng)相關(guān)協(xié)議的制定將會(huì)為北斗在國內(nèi)外GNSS高精度差分定位領(lǐng)域的應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)支撐，從而提供完整、獨(dú)立、兼容的服務(wù)。

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