泛在無線信號定位輔助信息的標準化研究

夏敬潮，張彥祥，汪善根，曾 秋

(1.廣州大學 土木工程學院，廣州 510006；2.東莞市測繪院，東莞 523660)

0 引言

定位是位置服務、萬物互聯、人工智能和未來超智能(機器人+人類)應用的核心技術之一[1]。以北斗、全球定位系統(Global Positioning System,GPS)為代表的全球導航衛星系統，已經成為人們獲取定位信息的主要技術手段。現在人類80%～90%的時間是在室內環境中度過的[2]，然而在室外復雜和室內封閉環境下，導航衛星信號容易被遮擋或屏蔽，使得其定位服務的可用性大大降低。如何實現高精度、全覆蓋的定位，是一個亟需解決的問題。

泛在無線信號/機會信號(Signals of Opportunity，SoOP)指的是非專門用于導航定位的無線電信號[3]，較常見的有移動蜂窩信號、無線上網信號(Wireless Fidelity,Wi-Fi)等。隨著無線通信技術的發展，以及無線城市、數字城市的建設，周圍環境中的泛在無線信號日益豐富，已經成為實現室內和室外復雜環境下定位的一種有效途徑。

泛在無線信號通常自身不具備導航定位功能，在利用這類信號進行定位時，用戶需要額外的輔助信息，如Wi-Fi熱點坐標、手機基站位置等。雖然市面上已經出現了不少基于泛在無線信號與全球導航衛星系統的商用室內外定位解決方案，例如Skyhook公司推出的XPS系統、百度地圖、高德地圖等，但是它們之間是相互獨立的，對于泛在無線信號定位所需要的輔助信息，還沒有建立相關的數據格式標準，缺少合作開放式的平臺。針對這一問題，本文對泛在無線信號定位所需輔助信息的標準化進行了研究，主要分為2個方面內容：首先是輔助信息數據格式的標準化；其次是數據傳輸方式的標準化。

1 輔助信息數據格式的標準化

前文已經提到，目前用于泛在無線信號定位的輔助信息還沒有標準的數據格式，市面上支持泛在無線信號定位的服務商(例如，Skyhook公司)大多采用自定義的數據傳輸格式，并且格式詳細內容是不公開的。相應的解決方法有兩種：1)建立新的數據格式標準；2)將已有的相關標準進行修訂或者擴展，使其含蓋輔助信息。本文采取第二種方案，將衛星導航定位領域廣泛使用的數據格式標準(RTCM SC-104標準)進行擴展，以滿足定位用戶和位置服務供應商的相關需求。

1.1 RTCM SC-104標準

國際海運事業無線電技術委員會(Radio Technical Commission for Maritime services，RTCM)是一個國際標準組織。RTCM特別委員會(Special Commission)104專門致力于衛星導航定位差分數據格式標準的制訂，其發布的RTCM SC-104標準已成為衛星導航定位產業界內廣泛使用的數據傳輸標準。

RTCM SC-104標準的版本會隨著衛星導航定位技術的發展和用戶需求的變化而不斷地更新，目前最新的版本是3.X。數據從服務器傳輸到用戶端的過程中，電文內容以幀為單位進行播發，3.X版本中的電文幀結構如圖1所示[4]。

圖1 RTCM SC-104標準3.X版本的電文幀結構Fig.1 Frame structure in version 3 of RTCM SC-104 standard

每一幀電文由4個部分組成：電文頭、保留字節、信息長度、信息內容和CRC校驗碼。電文頭用于電文的識別，內容固定不變，是一組長度為8bits的二進制數，相應的值為11010011。保留字節的內容目前也是固定不變的，其長度為6bits，相應的值為000000，該值沒有實際意義，在以后的版本中，保留字節可能會包含數據格式標準的版本信息。信息長度指的是其后面數據塊信息內容所占的字節(byte)數，其內容占10bits，數據類型為無符號整數，取值范圍為0～1023bytes。信息內容為定位用戶所需要的數據內容，其大小由前面的信息長度給出，不同的信息通過信息類型號來加以區分，該值在信息內容數據塊的開頭給出，是一個12bits的無符號整數。定位用戶可以根據所需的定位服務來決定所接收的信息組合，例如，在進行GPS單頻L1的RTK測量時，需要接收以下幾組信息：基準站觀測值(信息類型為1002)、基準站坐標(信息類型為1005或1006)、基準站接收機和天線信息(信息類型號為1033)、輔助操作信息(信息類型號為1013)。CRC校驗碼用于檢驗電文在傳輸的過程中是否發生錯誤，是一組24bits二進制數。3.X版本采用高通公司的循環冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)算法，服務器端將準備發送的電文通過該算法得到24bits的校驗碼，并附加在電文后。當用戶收到電文信息時，將計算出的校驗碼與電文中校驗碼進行比對，以決定是否使用該電文中的信息。

1.2 擴展的RTCM SC-104標準

由于RTCM SC-104標準不支持泛在無線信號定位相關的數據，因此必須對已有的電文類型進行擴展。RTCM SC-104標準規定：類型號從4001～4095的信息支持私人定制。截止到3.2版本，類型號從4077～4095的信息已經被相關的公司或者科研機構所申請，例如，類型號為4095的信息包含的是Ashtech公司的數據，類型號為4077的信息包含的是Hemisphere公司的數據。本文以城市環境下典型的泛在無線信號(移動蜂窩信號和Wi-Fi信號)為例，使用類型號為4060的信息來包含手機基站坐標；類型號為4059的信息包含Wi-Fi熱點坐標；類型號為4058的信息包含室外泛在無線信號指紋；類型號為4057的信息包含室內泛在無線信號指紋。需要指出的是，這里所說的擴展只增加自定義的信息內容，對于信息內容之外的其他部分，如每一幀電文中的電文頭、保留字節、信息長度和CRC校驗碼仍然按照RTCM SC-104標準來進行編碼。

1.2.1 手機基站坐標

手機基站坐標信息包含了6個參數：信息類型號、基站識別號、坐標參考歷元、協議地球坐標系(Earth Centered Earth Fixed，ECEF)下的X坐標、Y坐標和Z坐標，相關的定義如表1所示。

表1 手機基站信息中各參數的定義

注：UINT表示無符號整型；INT表示有符號整型。

信息類型號沿用了RTCM SC-104標準中的信息分類方法，采用12bits無符號整數來表示。基站識別號采用64bits的無符號整數來識別不同的基站，每個基站的識別號在全球范圍內應該是唯一的。坐標參考歷元為基站坐標值所對應的參考歷元，同一基站的坐標值隨著時間的流逝可能會發生變化，因此不同的空間位置信息還應該與時間相對應，此處使用約化儒略日(Modified Julian Date，MJD)來區分不同的時間歷元，采用32bits的無符號整數來表示。基站的位置信息以三維空間直角坐標的形式給出，在中國范圍內采用2000中國大地坐標系[5]，X、Y和Z值分別用3個38bits的有符號整數來表示，單位為m，在使用該值時，還需要乘上相應的比例因子0.0001。

1.2.2 Wi-Fi熱點坐標

Wi-Fi熱點坐標信息包含6個參數：信息類型號、Wi-Fi熱點物理地址、坐標參考歷元、協議地球坐標系下的X坐標、Y坐標和Z坐標，相關的定義如表2所示。

表2 Wi-Fi熱點坐標信息中各參數的定義

注：UINT表示無符號整型；INT表示有符號整型。

Wi-Fi熱點坐標信息十進制的類型號為4059，除了Wi-Fi熱點物理地址是采用48bits的無符號整數表示之外，其他參數的含義和手機基站坐標信息中對應的同名參數相同，這里不再贅述。

1.2.3 室外指紋

每條指紋信息的內容分為兩部分，第一部分稱為數據頭，相關參數的定義如表3所示。

表3 室外指紋信息中數據頭各參數的定義

注：UINT表示無符號整型；INT表示有符號整型。

室外指紋信息十進制的類型號為4058。無線信號類型用來區分不同類型的無線電信號，它是一個16bits的無符號類型整數，1表示Wi-Fi信號，其他無線信號的類型值可以在此基礎上依次增加。指紋采集日期指的是采集指紋記錄的時間，一般來說，受周圍環境變化的影響，指紋庫每隔一段時間要進行更新，更新時間離用戶請求數據的時間越接近，定位效果越好。信號強度觀測值個數N指的是數據頭后面的數據塊中所包含的信號強度觀測值個數，該值是一個6bits的無符號整數，最大值為63。

第二部分為信號強度觀測值記錄，記錄總數為N，每條記錄中包含一個信號強度觀測值和相應的識別號，各參數的定義如表4所示。

表4 每條室外信號強度觀測值記錄中各參數的定義

無線信號源的識別號用來區分不同的信號發射源，是一個48bits無符號整數，對于Wi-Fi信號，該值對應于Wi-Fi熱點的物理(Media Access Control，MAC)地址。信號強度觀測值是用戶所觀測到的無線信號的強度值，是一個32bits有符號整數，單位為dBm。

1.2.4 室內指紋

和室外指紋信息類似，每條室內指紋信息也分為數據頭和信息強度觀測值記錄2個部分，數據頭中各參數的定義如表5所示。

表5 室內指紋信息中數據頭各參數的定義

室內指紋信息十進制的類型號為4057，與室外指紋信息中的數據頭相比，室內指紋信息數據頭新增加了室內指紋庫的總記錄數和當前指紋記錄號這2個參數。室內指紋庫的總記錄數指的是用戶所在室內區域指紋庫中總的指紋記錄數，是一個32bits無符號整數。當前指紋記錄號是一個32bits無符號整數，指的是當前播發的電文中指紋記錄的編號，例如第一條記錄的編號為1，最后一條記錄的編號應該等于室內指紋庫的總記錄數。由于室內指紋庫帶有明顯的區域性，因此新增加的2個參數可以幫助用戶確定所接收的指紋記錄的總數是否完整。另外需要指出的是，數據頭中的坐標值為獨立平面直角系下的坐標，而不是協議地球坐標系下的坐標，其他參數的定義和室外指紋庫中同名參數相同。

第二部分為信號強度觀測值記錄，總記錄數為N，每條記錄中各參數的定義如表6所示。

表6 每條室內信號強度觀測值記錄中各參數的定義

2 輔助信息傳輸方式的標準化

在制定好了輔助信息的數據格式后，接下來的問題便是如何將數據發送給用戶。考慮到定位中所使用的泛在無線信號大都支持網絡通信，而且基于互聯網的網絡通信技術已經很成熟，所以本文使用基于互聯網的網絡通信來進行輔助信息的發送和接收。

2.1 NTRIP協議

通過互聯網進行RTCM網絡傳輸的協議(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol,NTRIP)是一個基于HTTP的應用層協議，隸屬于TCP/IP協議簇，主要用于在互聯網上傳輸RTCM格式的數據流，由德國聯邦測繪局發起并制定，目前已經成為互聯網上進行衛星導航定位相關數據傳輸的標準協議。

基于NTRIP協議的數據傳輸主要由NtripClient、NtripServer和NtripCaster這3個程序模塊來實現，其中NtripCaster作為HTTP服務器端應用程序，NtripServer作為數據傳輸程序，負責將NtripSource中的數據傳輸到NtripCaster，NtripClient則作為HTTP客戶端應用程序。在NtripClient與NtripCaster之間進行通信時，采用非持久連接模式，所使用的消息格式和狀態碼都是基于HTTP 1.1協議，例如使用消息格式中的“GET”來向服務器獲取信息，狀態碼“200”則表示服務器已經成功處理了請求。NtripServer與NtripCaster之間進行通信時，則在HTTP 1.1通信協議的基礎上定義出了一個新的消息格式“SOURCE”和一個新的狀態碼“ERROR Bad Password”。

一個完整的NTRIP數據流傳輸系統由NtripSource、NtripServer、NtripCaster和NtripClient這4個部分組成，它們之間的關系如圖2所示。

圖2 NTRIP數據流傳輸系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of NTRIP data stream transmission system

NTRIP中各組成部分的功能和工作流程可以參考文獻[6-8]，這里不再贅述。第1節已經提到，通過將消息類型進行擴展，就可以將泛在無線定位輔助信息納入到RTCM SC-104標準之中，由于NTRIP支持RTCM格式數據的網絡傳輸，因此利用NTRIP就可以直接支持泛在無線定位輔助信息的網絡傳輸。

2.2 擴展的NMEA 0183格式

用戶在通過互聯網向NTRIP服務器請求數據時，對于資源列表中NMEA標志位為1的數據流，需要向服務器發送自己的概略位置信息。該信息通過NMEA 0183格式(詳細說明可考看文獻[9-10])中的$GPGGA語句發送，概略位置一般通過GNSS偽距單點定位獲得。然而，對于泛在無線信號定位用戶而言，通常是在GNSS定位功能失效的情況下才會向服務器發送數據請求，以獲得輔助定位信息，然后通過相關的運算獲得定位結果，此時用戶向服務器發送的信息只能是基站ID、Wi-Fi的MAC地址、上網所使用的IP地址等相關內容，因此現有NMEA 0183格式中的語句不能滿足我們的需要，必需對其進行擴展。

為了使NMEA 0183包含泛在無線信號相關的信息，本文在原有標準的基礎上新增了4條語句，相應的標識符為：$NTIP4、$NTIP6、$CLLID、$WLNID。$NTIP4和$NTIP6語句包含了用戶上網所用的IP地址，其中$NTIP4表示IPv4地址，即IP協議第四版；$NTIP6表示IPv6地址，即IP協議第六版。$CLLID語句包含了手機基站的ID，即Cell-ID。$WLNID語句包含了Wi-Fi熱點MAC地址信息。

NTIP4語句的基本格式為：

$NTIP4,<1>*hh

字段<1>表示用戶上網使用的IPv4地址，例如IP地址為202.103.24.68的$NTIP4語句內容為：

$NTIP4,202.103.24.68*3F

$NTIP6語句的基本格式和$NTIP4類似：

$NTIP6,<1>*hh

字段<1>表示用戶上網使用的IPv6地址，例如IP地址為2000∶0000∶0000∶0000∶0001∶2345∶6789∶abcd的$NTIP6語句內容為：

$NTIP6,2000∶0000∶0000∶0000∶0001∶2345∶6789∶abcd*24

$CLLID語句的基本格式為：

$CLLID,<1>*hh

字段<1>表示正在為手機提供通信服務的基站ID號，該值是一個十進制的整數，例如ID號為00860270010001537的$CLLID語句內容為：

$CLLID,00860270010001537*58

需要指出的是，$CLLID語句所發送的ID號碼不是基站的原始ID號，而是在原有ID號基礎上加上區域信息重新編碼而成。

$WLNID語句的基本格式為：

$WLNID,<1>,<2>,<3>,<4>,…<4>*

hh

各字段的含義如下：

1)為WLNID語句的總數。

2)為當前WLNID語句的編號。

3)為探測到的Wi-Fi熱點總的個數，取值范圍為00～99，前面的0也將被傳輸。

4)為Wi-Fi熱點的MAC地址，由12個十六進制的ASCII字符組成。每條語句中最多包含5個熱點的MAC地址，當Wi-Fi熱點總數大于5時，多余的信息將在下一序列的WLNID語句中輸出。

例如當前有2個Wi-Fi熱點，MAC地址分別為02∶E1∶40∶00∶01∶E0和28∶2C∶B2∶B0∶9F∶5C，則對應的$WLNID語句為：

$WLNID,1,1,02,02E1400001E0,

282CB2B09F5C*00

3 結論

本文對于泛在無線信號定位輔助信息的標準化研究只是一個開始，無線信號類型只涵蓋了城市環境下典型的移動蜂窩信號和無線上網Wi-Fi信號；鑒于指紋定位法是目前主流的Wi-Fi定位方法[11-12]，Wi-Fi相關的輔助信息標準的內容也以指紋消息為主。隨著泛在無線信號的日益豐富，以及定位技術的不斷發展，本文的研究內容顯然不能滿足未來的用戶需求。當有新類型的無線信號加入到定位系統中時，可以根據需要繼續補充和完善擴展的RTCM SC-104標準和擴展的NMEA 0183語句，使其更好地支持泛在無線信號相關數據的編碼和傳輸。另外，在標準草案提出后，如何作進一步的調整和優化，使其通過官方認證，并且成為學術界和工業界廣泛認同和使用的標準，也是一個需要考慮的問題。

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