基于RTCM3.2標(biāo)準(zhǔn)的GNSS差分?jǐn)?shù)據(jù)解碼研究及算法實(shí)現(xiàn)

王民 ,王解先

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200030；2.湖北億伽通科技有限公司，上海 200030）

1 RTCM3.2標(biāo)準(zhǔn)

RTCM 104專業(yè)委員會(huì)的主要研究方向?yàn)椴罘秩驅(qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(DGNSS)，負(fù)責(zé)制修訂差分GNSS的系列標(biāo)準(zhǔn)。目前最新的版本是2016年12月7日發(fā)布的“差分GNSS服務(wù)第三版”(RTCM 10403.3，Differential GNSS Service Version3)。

RTCM 104標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是基于開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)模型(Open System Interconnection standard reference model，OSI)建立，包括應(yīng)用層、表示層、傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理層。本文主要涉及RTCM 10403.2解碼內(nèi)容，主要針對(duì)的是傳輸層和表示層。

1.1 傳輸層(Transport Layer)

傳輸層定義了發(fā)送或接收RTCM-3數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)，一條完整的RTCM-3語(yǔ)句由以下幾部分組成：一個(gè)固定長(zhǎng)度的前導(dǎo)字、保留字、一個(gè)信息長(zhǎng)度、一條可變長(zhǎng)度的信息、一個(gè)24比特的周期冗余校驗(yàn)碼，具體的幀結(jié)構(gòu)如下表1所示：

表1 RTCM-3幀結(jié)構(gòu)

1.2 表示層(Presentation Layer)

RTCM3.2增加了MSM(Multiple Signal Messages，多信號(hào)電文組)電文組，用來(lái)取代RTCM-3現(xiàn)有的一些電文類型 (如，MT1001-1004，MT1009-1012)，并提供了對(duì) BDS、Gelileo等越來(lái)越多的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)以及未來(lái)可用信號(hào)的支持。MSM用更加通用的方式來(lái)表示GNSS接收機(jī)觀測(cè)信息，可以更加便捷地進(jìn)行編碼和解碼，具有更好的靈活性和可擴(kuò)展性。

1.2.1 MSM電文結(jié)構(gòu)

MSM的電文結(jié)構(gòu)由頭信息、衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及信號(hào)數(shù)據(jù)三部分（如下表2所示）組成。

表2 MSM電文結(jié)構(gòu)

①衛(wèi)星掩碼(DF395，GNSS Satellite mask)表示本條電文中可用數(shù)據(jù)的衛(wèi)星，它是一個(gè)64 位的二進(jìn)制bit序列，其中，最高位對(duì)應(yīng)ID為1的衛(wèi)星，最低位為對(duì)應(yīng)ID為64的衛(wèi)星。若衛(wèi)星的數(shù)據(jù)可用，則對(duì)應(yīng)的比特位置為1；否則，對(duì)應(yīng)的比特位置為0。

②信號(hào)掩碼(DF395，GNSS Signal mask)。信號(hào)掩碼(DF395，GNSS Signal mask)表示本條電文中可用的衛(wèi)星信號(hào)，它是一個(gè)32 位的二進(jìn)制bit序列，其中最高位對(duì)應(yīng)ID為1的衛(wèi)星信號(hào)，最低位為對(duì)應(yīng)ID為32的衛(wèi)星信息。若信號(hào)數(shù)據(jù)可用，則對(duì)應(yīng)的比特位置為1；否則，對(duì)應(yīng)的比特位置為0。

③單元掩碼 (DF396，GNSS Cell mask)。單元掩碼(DF396，GNSS Cell mask)是一個(gè)二維表，長(zhǎng)度為Nsat*Nsig(可用衛(wèi)星數(shù)乘以可用信號(hào)數(shù))，其中行表示本條電文中可用的信號(hào)ID(信號(hào)掩碼中設(shè)置為1的信號(hào))，列表示本條電文中可用的衛(wèi)星ID(衛(wèi)星掩碼中設(shè)置為1的衛(wèi)星)，若對(duì)應(yīng)衛(wèi)星/信號(hào)可用，則對(duì)應(yīng)的比特位置為1；否則，對(duì)應(yīng)的比特位置為0。此二維表采用列信息（以衛(wèi)星為單元）進(jìn)行打包編碼。

RTCM3.2 MSM電文的這種編碼方式，被稱為“內(nèi)循環(huán)”的數(shù)據(jù)組織方式，這種方式不同于RTCM之前版本的以衛(wèi)星或信號(hào)類別組織數(shù)據(jù)的方式，而是以數(shù)據(jù)類型進(jìn)行組織的。以MSM4電文為例，在衛(wèi)星數(shù)據(jù)塊中，先依次存儲(chǔ)所有衛(wèi)星的第一個(gè)數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)（DF397，概略偽距的整數(shù)秒數(shù)），再依次存儲(chǔ)所有衛(wèi)星的第二個(gè)數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)（DF398，概略偽距的不足整數(shù)秒數(shù)），依次類推。同樣的，在信號(hào)數(shù)據(jù)塊中，先依次存儲(chǔ)所有衛(wèi)星/信號(hào)的第一個(gè)數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)（DF400，精確偽距值），再依次存儲(chǔ)所有衛(wèi)星/信號(hào)的第二個(gè)數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)（DF401，精確相位值）依次類推[1]。

在大多數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，為了確保在一條RTCM-3電文中傳輸一條完整的MSM信息，GNSS Cell mask的比特位數(shù)一般要求小于 64(X≤64，如 Nsat≤16，Nsig≤4)。若X≥64，如Nsat=14，Nsig=6)，則編碼時(shí)必須使用兩條單獨(dú)的RTCM-3電文來(lái)進(jìn)行編碼，如第一條電文包括7顆衛(wèi)星和6個(gè)信號(hào)，第二條電文包括7顆衛(wèi)星和6個(gè)信號(hào)。同時(shí)，必須在確保“多電文比特位(Multiple Message Bit)”字段設(shè)置正確。

1.2.2 MSM觀測(cè)值表示及計(jì)算

在MSM電文中，所有觀測(cè)值（偽距、相位）都是以時(shí)間單位“毫秒”表示的，并且設(shè)定光速，各觀測(cè)值的計(jì)算公式如下：

①標(biāo)準(zhǔn)精度電文

偽距 (米)=c/1000*(Nms+Rough_range/1024+2-24*Fine_Pseudorange)

相位 (米)=c/1000*(Nms+Rough_range/1024+2-29*Fine_PhaseRange)

相位變化率（米/秒）=Rough_PhaseRangeRate+0.0001*Fine_PhaseRangeRate

②高精度電文

偽距 (米)=c/1000*(Nms+Rough_range/1024+2-29*Fine_Pseudorange)，

相位 (米)=c/1000*(Nms+Rough_range/1024+2-31*Fine_PhaseRange)，

相位變化率（米/秒）=Rough_PhaseRangeRate+0.0001*Fine_PhaseRangeRate，

2 RTCM32 解碼設(shè)計(jì)

根據(jù)RTCM3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)GNSS數(shù)據(jù)格式的定義，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解碼。解碼流程如“圖1 RTCM3解碼數(shù)據(jù)流程圖”所示，在接收RTCM3數(shù)據(jù)后，第一步先判斷第一個(gè)8位的比特是否為引導(dǎo)字，若是引導(dǎo)字，則繼續(xù)判斷下一個(gè)6位的比特是否為0，如果是，則根據(jù)下一個(gè)10位的比特來(lái)獲取信息長(zhǎng)度n，獲取信息長(zhǎng)度后，需要判斷余下的字節(jié)是否大于n+3個(gè)字節(jié)，若字節(jié)數(shù)充足，則獲取n+3個(gè)字節(jié)，并計(jì)算電文的CRC 校驗(yàn)碼，并與電文給出的CRC校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，如果不同，則說(shuō)明電文有誤，應(yīng)丟棄，如果相同，則檢驗(yàn)通過(guò)，進(jìn)入RTCM3數(shù)據(jù)解碼階段，按照RTCM3的電文結(jié)構(gòu)，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析出來(lái)，并恢復(fù)成正確的值。

圖1 RTCM3解碼數(shù)據(jù)流程圖

在解碼MSM電文時(shí)，由于MSM1～MSM3電文中沒(méi)有距離的整毫秒部分，因此，需要根據(jù)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)及衛(wèi)星星歷進(jìn)行計(jì)算恢復(fù)。

3 數(shù)據(jù)測(cè)試與分析

本測(cè)試使用Trimble R10接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，設(shè)置RTCM32數(shù)據(jù)作為輸出流。同時(shí)保存Rinex原始數(shù)據(jù)格式，作為參照依據(jù)，與解碼后的RTCM32數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析RTCM32 1074/1084/1124語(yǔ)句解析的正確性。觀測(cè)歷元的頭信息對(duì)比，本測(cè)試選取了2018年12月17日02：20～02：30之間共10組數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，每個(gè)歷元的頭信息，主要包括歷元時(shí)間、衛(wèi)星數(shù)等。

從分析結(jié)果可知，每個(gè)歷元頭信息的解析，跟Rinex原始觀測(cè)數(shù)據(jù)完全一致，說(shuō)明RTCM32 MSM的頭信息解析無(wú)誤。

在規(guī)定的時(shí)間段中，選取GPS13號(hào)衛(wèi)星的偽距信息，對(duì)其10個(gè)歷元的L1/L2偽距數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果顯示，L1/L2 偽距的最大差值為0.0009m，最小差值為0.0m，平均差值為0.0006m。由于Rinex文件中偽距的取值精確到小數(shù)位后3位，所以以上偽距的差值可認(rèn)為在誤差范圍之內(nèi)，滿足要求，說(shuō)明RTCM32 MSM4數(shù)據(jù)解碼無(wú)誤。