新一代國際標準RTCM V3.2及其應用

陳 振，王 權，秘金鐘，谷守周，方書山，向常淦

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

1 引言

差分全球導航衛星系統(differential global navigation satellite system，DGNSS)由基準站、數據通訊鏈和流動站(用戶)三部分組成[1]。由DGNSS定位原理可知，基準站形成差分改正信息，并利用標準協議將差分改正信息發送給流動站用戶[2]。其中數據傳輸格式是數據通訊鏈的重要環節，差分定位的精度與差分改正信息的更新速率、數據傳輸的準確性密切相關，因此，要求數據通訊鏈傳輸快速、準確、可靠[3]。

國際海運事業無線電技術委員會標準協議(radio technical commission for martine services，RTCM)是一種普遍采用的數據傳輸格式，它是由國際海運事業無線電技術委員會提出的，用于制定在差分全球導航定位系統和實時動態操作時使用的標準。

為滿足全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)的發展趨勢，RTCM先后經歷多次格式的改進，目前應用最普遍的是RTCM V3.1標準格式，但為適應歐盟伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)和我國北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)等新系統的發展、已有系統的改造升級(如新L2C和L5信號)以及地區性廣域差分增強系統(satellite-based augmentation systems，SBAS)的應用，RTCM V3.2標準格式應運而生，本文就是對RTCM V3.1和RTCM V3.2標準格式進行對比，淺析V3.2版本中更新的內容和格式，討論RTCM V3.2標準格式的未來應用情況。

2 RTCM發展歷程

國際海運事業無線電技術委員會于1983年11月為全球推廣運用差分全球定位系統(global positioning system，GPS)業務設立了RTCM 104專門委員會(RTCM special committee NO.104，RTCM SC-104)，用于論證提供差分GPS業務的各種方法，并制定各種數據格式標準。到目前為止，RTCM標準格式共經歷三個版本，即第一版、第二版和第三版[4]。

2.1 RTCM第一版

RTCM SC-104專門委員會于1985年公布了RTCM V1.0標準格式的建議文件，該版本主要描述了GPS系統差分信息。在早期差分GPS系統應用和服務方面發揮了重要作用。。

2.2 RTCM第二版

RTCM V2.0標準格式于1990年1月頒布，該版本提高了差分改正數的抗差性，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，通常可達到2～3m；但該版本的協議主要用于導航服務，只有偽距差分信息，沒有載波相位信息。

為了適應載波相位差分GPS的需要，RTCM SC-104專門委員會于1994年公布了RTCM V2.1標準格式，其基本數據格式未變，增加了幾個支撐實時動態差分定位(real-time kinematic，RTK)的新信息，即信息18～21。

在1998年又公布了RTCM V2.2標準格式，它增加了支持俄羅斯格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)的差分導航信息，同時在相應的信息中增加了區分GPS衛星和GLONASS衛星的標志。

2001年又發布了RTCM V2.3標準格式，定義了信息23和24(天線參考類型)，它的實時動態定位精度優于5 cm[5]。

2.3 RTCM第三版

RTCM V3.0標準格式于2004年公布，該版本提供了包括偽距和載波相位觀測值、天線參數和輔助系統參數這些用于支持GPS和GLONASS RTK作業的信息。

2006年10月公布了RTCM V3.1標準格式，該版本新增了GPS網絡差分改正信息、GPS星歷信息、GLONASS星歷信息、用于提供文本信息的統一編碼信息以及為經營商預留的用于為特殊用途提供專有服務的一系列信息類型[6]。RTCM V3.1主要是應用于網絡RTK環境中，是一種更高效、簡潔且容易適用于新環境的數據格式，已經通過了可靠性與實用性測試，出現新的內容只需要修改保留位信息而不會影響已經定義了的數據字段，因此有很強的實用性[7]。

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

2013年2月公布了最新版本RTCM V3.2標準格式，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衛星星歷數據。

3 RTCM V3.2標準格式的更新

為了適應新系統(尤其是BDS與Galileo)的發展、已有系統的改造升級(如新L2C和L5信號)以及地區性廣域差分增強系統的應用，在RTCM V3.1標準格式的基礎上進行了必要的擴展，得到了最新的RTCM V3.2標準格式，主要包括幀結構、信息類型、數據類型、數據字段和信息。

3.1 幀結構

RTCM V3.2標準格式的幀結構與RTCM V3.1標準格式相同，每幀數據的結構如表1所示。

表1 RTCM V3.2標準格式的幀結構

3.2 信息類型的更新

信息類型規定了每幀數據可變長度的數據信息，是RTCM協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標準格式相對于RTCM V3.1標準格式的修訂和修正案總結如表2所示。

第三版中的信息類型根據用途被劃分為不同的信息組，為有效實現特定服務，服務商需要發送組中的幾種信息類型。RTCM V3.1標準格式中已定義信息組包括觀測數據、測站坐標、天線描述、網絡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充新的信息類型，同時也定義了新的信息組(接收機與天線描述、轉換參數和狀態空間差分參數)，新版本中各信息組新定義的內容如表3所示。

表2 RTCM V3.2標準格式的修訂(3.x)和修正案(A.x)總結

表3 信息組更新

RTCM V3.1與V3.2標準格式都支持GPS、GLONASS以及GPS/GLONASS組合RTK服務，在V3.1版本基礎上只能支持7種RTK服務水平(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，其中前6種服務完全得到繼承，將單一的精密GPS網絡RTK服務(V3.1版本中第7種服務)擴展成6種網絡RTK服務，同時還實現3種狀態空間差分(SSR)服務，1種碼差分操作服務、2種不同精度操作服務和2種不同精度數據改正服務，服務商可以按照需求提供基本或者完整的服務[8]。

表4 RTCM V3.1與V3.2版本支持RTK服務對比

3.3 數據字段的更新

數據字段是信息的重要組成部分，每條信息是由若干數據字段按一定格式排列而成，數據字段規定數據字段的范圍、分辨率和數據類型。

RTCM V3.1標準格式共定義了142個數據字段(Data Field，簡稱DF)，V3.2版本在原有基礎上新定義了285個數據字段，總量達到427個，定義新數據字段的目的是滿足描述新信息內容的要求。新定義數據字段主要用于表示坐標轉換、網絡RTK殘差、狀態空間差分、GLONASS網絡RTK改正、FKP網絡RTK改正、多信號信息和GLONASS偏差信息等。

3.4 數據類型的更新

數據類型規定數據的范圍，包括位字段、八位字符、補碼整數、無符號整數、符號數值整數和統一碼UTF-8編碼共六種形式的數據類型。

RTCM V3.1標準格式共定義了39種數據類型，RTCM V3.2標準格式中增加定義了長度為8、9、10、15、19、25、26、27、34和35比特的補碼整型，2、9、14、26、35和36比特的無符號整型，其他數據類型未進行修改，從而使數據類型達到55種。定義新數據類型是為了描述新定義的數據字段，隨著新數據字段數量的增加，數據類型可能會繼續增加。

3.5 信息的更新

新定義信息類型的數量較多，在此以多信號信息和真實參考站信息類型為例進行說明，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星系統觀測數據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航衛星系統被設計使用，新的多信號信息將會被定義，信息類型1070～1229正是為多信號信息預留的。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構不再贅述，可參考RTCM V3.2協議。

各種導航定位系統的多信號信息具有相同的結構，內部模塊排列順序也基本相同，如表6所示。

表6 多信號信息內容和各模塊排列順序

所有數據字段不是根據衛星或信號來分組的，而是根據數據類型進行分組。具體就是，如果在一個衛星數據模塊中被傳送的數據字段不止一個，就將所有可利用衛星的第一個數據模塊進行打包，緊接著是第二個，以此類推。相似的，如果傳送的信號數據字段不止一個，那就將各可利用衛星與信號組合進行打包，緊接著是第二個數據字段，也對應于各可利用衛星和信號。這種打包的方式就是“內部循環”。

對于多信號信息的不同類型，RTCM V3.2標準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)信息頭的內容

衛星信息的發送是有條件的，只有當衛星標記(DF394)對應值為1時，該衛星的衛星信息才會在MSM中發送。因此，如果衛星標記設為1，每個數據字段將重復Nsat次(利用了內部循環)，循環數據的順序對應于衛星標記中的順序，Nsat指衛星數量。多信號信息各信息類型的衛星數據內容分別如表8、表9和表10所示。

表8 多信號信息類型MSM1/MSM2/MSM3的衛星數據內容

表9 多信號信息類型MSM4/MSM6的衛星數據內容

表10 多信號信息類型MSM5/MSM7的衛星數據內容

信號信息的發送也是有條件的，只有當單元格標記(DF396)對應值為1時，該信號與衛星組合的信號信息才會在MSM中發送。因此，如果單元格標記設為1，每個數據字段將重復Ncell次(利用了內部循環)，循環數據的順序對應于單元格標記中的順序，Ncell指信號數據模塊的數量。多信號信息各信息類型的信號數據內容如表11至17所示。

表11 多信號信息類型MSM1的信號數據內容

表12 多信號信息類型MSM2的信號數據內容

表13 多信號信息類型MSM3的信號數據內容

表14 多信號信息類型MSM4的信號數據內容

表15 多信號信息類型MSM5的信號數據內容

表16 多信號信息類型MSM6的信號數據內容

表17 多信號信息類型MSM7的信號數據內容

多信號信息是以某一物理歷元來發送，因此，采用多信息指示符(DF393)來表示該歷元是否結束(該指示符適用于各種GNSS系統)。當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系統多信號信息存在時，該指示符被設為1。為有效利用該指示符，解碼軟件應當了解該數據流中所有可能發送的GNSS信息類型。然而，未來更多導航衛星系統多信號信息將會被定義，裂解所有GNSS信息類型不太現實。由信息頭結構可知，在MTxxx1、MTxxx2、MTxxx3、MTxxx4、MTxxx5、MTxxx6、MTxxx7信息中第55個字符代表MSM多信息指示符，這能確保解碼軟件在不了解新導航衛星系統多信號信息的內容和格式的情況下得到歷元結束信息。

3.5.2 真實參考站坐標信息

新定義的真實參考站坐標信息類型1032的內容如表18所示。

表18 真實參考站坐標信息類型1032的內容

下面是一個信息類型1032(真實參考站坐標信息)的十六進制例子：

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是：

虛擬參考站ID：03

真實參考站ID:2003

真實參考站天線參考點地固系X坐標：1 114 104.599 9 m

真實參考站天線參考點地固系Y坐標：-4 850 729.710 8 m

真實參考站天線參考點地固系Z坐標：3 975 521.464 3 m

4 RTCM V3.2標準格式的未來應用

新版本的內容大體可分為RTK、網絡RTK、

狀態空間差分SSR、輔助GNSS技術等協議，這些功能主要應用于GNSS高精度實時定位領域，符合RTCM SC-104標準發展的主流方向。在未來應用上，RTCM協議應該會將實現區域增強系統格式的修訂作為首要目標。

RTCM V3.2標準格式的制定，彌補了此前版本中網絡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，同時伴隨著選擇可用性政策的撤消，使得支持RTK服務的帶寬顯著降低，支持現在所有的服務并減少了數據傳載量，拓寬了RTCM的應用領域，目前已被廣泛應用于海運、內陸交通、工程施工、國土規劃、大地測量等各個領域來傳輸差分GNSS數據[10]。RTCM標準格式已成為衛星導航定位領域芯片制造商、板卡集成商、整機制造商、應用服務提供商、以及用戶等在設計研發、生產加工、應用推廣等產業鏈中必須遵守的關鍵協議之一，雖然是推薦標準，但卻是事實上的產業標準。

5 結束語

RTCM第三版本通過對一個參考站或一個參考站網絡的描述，定義了支持GPS和GLONASS系統操作的信息格式和技術手段。新版本顧全了開發中的新系統(尤其是BDS和Galileo)的應用、已有系統的完善(如新L2C、L5信號)和星基增強系統的使用，這些更新是為了滿足當前和未來差分GNSS技術的需求，使傳輸的信息更加簡潔實用，更好的為在航海、航空、地面交通和科研工作中的應用打下基礎，尤其是BDS系統相關協議的制定將會為北斗在國內外GNSS高精度差分定位領域的應用提供標準支撐，從而提供完整、獨立、兼容的服務。

[1] 黨亞民，秘金鐘，成英燕.全球導航衛星系統原理與應用[M].北京：測繪出版社，2007: 136-155.

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[3] 裴凌，王慶，王慧青.實時DGPS數據通訊模式分析與方案設計[J].電子測量與儀器學報，2005，19(6):98-102.

[4] 劉智敏，林文介，唐衛明.GPS差分協議RTCM電文分析與應用[J].桂林工學院學報，2004，24(2):188-191.

[5] 郭洪濤，任超.差分GPS數據通訊格式RTCM3.0及應用發展[J].全球定位系統，2010(3):63-65.

[6] RTCM10403.1，Standard for Differential Global Navigation Satellite Systems[S].

[7] 朱靜然，潘樹國，孔麗珍.DGPS數據RTCM3.1介紹及編解碼方法[C]//第四屆中國衛星導航學術年會(CSNC 2013)論文集.武漢:中國衛星導航學術年會，2013.

[8] RTCM 10403.2，Standard for Differential Global Navigation Satellite Systems[S].

[9] Amendment 1 To RTCM10403.2，Standard for Differential Global Navigation Satellite Systems[S].

[10] 吳海玲，李作虎，劉暉.關于北斗加入RTCM國際標準的總體研究[J].全球定位系統，2014，39(1):27-33.