北斗卫星导航系统RTCM电文类型预定义研究

黄运乾，程鹏飞，蔡艳辉

(1.武汉大学测绘学院，湖北武汉430079;2.国家测绘产品质量检验测试中心，北京100830;3.中国测绘科学研究院，北京100830)

一、引 言

差分GNSS(global navigation satellite system)技术是目前卫星导航定位应用中使用较为广泛的一种技术。用户通过接收来自参考站的差分改正信息，能够消除或减弱大部分误差。在将差分改正数从参考站通过一定数据链传送到差分用户时，需要考虑差分改正数以何种格式通过数据链路层到达用户，以及如何保证传输的差分数据的正确性和完整性等问题。

RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Services)是国际海运事业无线电技术委员会为了改善和推广差分GNSS业务而提出的差分GNSS服务的标准协议［1］。经过不断的发展，RTCM已经成为世界范围广泛应用的差分卫星导航系统标准。RTCM 2.3版本共包含64种电文类型，除包含测量改正数据外，还提供历书和健康数据等。每种电文类型都有一个统一的标识符(分别编号1～64)。其中，1～27包含GPS专属电文和一些通用电文;31～36为GLONASS专属电文。所有的64种电文类型里有3种状态：固定、试用和未定义。几种基本的信息其格式已经固定;有的电文类型则是试用格式，以后还会根据需要进行改动;还有的则未定义，如电文类型38～58，作为将来新增加的电文类型。本文拟在38～58之间添加BeiDou电文。

与GPS信号结构具有固定长度的子帧相比，RTCM协议包含了一系列长度的电文。RTCM 2.3数据是由很多数据帧组成的二进制数据流。每个数据帧均为30 bit的二进制数，且在这30 bit中1～24位包含数据信息，其余的6位(25～30位)为奇偶校验码，如图1所示。这样可允许在标准计算机通用异步接收/发送装置(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)间串行传送。如果所用的UART提供8 bit字节，则必须再从通信缓冲器中读取后立即去掉两个最高位(MSB)。在RTCM中，其MSB标为d1，最低位(LSB)标为d30。假定电文传送正在进行中，前一组RTCM字的d29和d30标记为d29*和a30*，用于产生本组的奇偶校验码。

图1 30 bit字码

二、BeiDou RTCM电文预定义

BeiDou空间部分由5颗GEO卫星和30颗MEO卫星组成，传输信号的载波频段为：1 195.14～1 219.14 MHz、1 256.52～1 280.52 MHz、1 559.05～1 563.15 MHz和1 587.69～1 591.79 MHz。其中部分信号与Galileo PRS波段重叠，还有一小部分为GPS的M码范围。

在预定义北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)的电文时，本文拟尝试从以下几方面入手，分析设计其电文格式。

1)观测数据类型。不同的卫星导航系统具有不同的载波和码观测类型，在设计BeiDou电文格式时必须考虑其特有信号频率结构。

2)时间基准参考。在现有RTCM电文中，电文类型1和9与参考站的GPS时有关，而电文类型31和34则是以GLONASS时为基准。RTCM试用电文类型37专为计算不同导航系统间的时间偏差而设计。BeiDou的时间基准采用国内建立的UTC，且与国际时间局(BIH)的UTC之差保持在几十纳秒内，进行BeiDou电文设计时，要考虑BeiDou所用的时间系统。

3)卫星健康评估。同GPS和GLONASS相似，BeiDou电文类型中需包含其星座的健康状况。

4)支持BeiDou的RTK电文类型。目前电文类型18～21为RTK所用电文，但其格式已经固定，还要考虑增加BeiDou RTK电文。

三、BeiDou电文预定义类型

在对BeiDou特性进行分析的基础上，尝试设计针对BeiDou的电文，拟定义以下几种BeiDou电文。以MT作为38～58之间的某个基本编号，作为Bei-Dou导航电文的类型编码，见表1。

表1 BeiDou电文预定义类型

电文MT+1描述了基本的BeiDou差分改正数。BeiDou差分改正数主要受对流层和电离层的延迟影响。载波在通过对流层时会延后，通过电离层时会提前;而码在通过两种介质时都会延后。因此，载波相位变化率不能很好地描述伪距变化率。在进行差分定位时，双频参考站能很好地独立确定对流层延迟和电离层延迟，而单频参考站则不能使用此技术。图2和表2描述了差分BeiDou改正数的电文结构和内容说明。

在定义电文类型时，BeiDou信号ID用于标识8种BeiDou信号，不同的信号将会有不同的伪距改正数(PRC)和用户差分距离误差(UDRE)。UDRE对于一颗特定的导航卫星来说，所有能够观测到它的参考站都要提供关于这颗导航卫星的差分校正信息样本。基于这些样本估计出来的误差范围便是这颗卫星的 UDRE值。这样，每一颗卫星都有UDRE，其与导航卫星和参考站相对几何关系有关，该几何关系随时间变化。用户接收机观测到的卫星集合，与该地区的参考站跟踪到的卫星集合很相近，而这些卫星的差分校正和UDRE对该地区都有效。由于BeiDou资料有限，未对其大致范围进行定义研究。数据龄期(issue of data，IOD)指产生各校正值的BeiDou导航数据的特定组别，应与BeiDou广播电文中的IODE相同。若两者不匹配，则该组校正数不能直接使用。

图2 电文类型MT+1 BeiDou差分改正数

表2 电文类型MT+1内容描述

电文MT+2描述的是BeiDou参考站的信息。图3和表3给定了电文类型MT+2的数据结构。一个长为6个30 bit的字帧，它包含4个字码(N=4)，包含了参考站的BeiDou坐标(地心地固系)。

图3 MT+2电文结构

表3 MT+2电文类型内容描述

由于理论研究的深化和测量技术的发展，各国所测算出的地心坐标系的数值已非常接近，相差仅在厘米级，已是一个全球统一的地心坐标系。我国2000国家大地坐标系(CGCS2000)与WGS-84坐标系也基本一致，实际应用的差异极其微小。如果BeiDou采用CGCS2000，并假定CGCS2000和WGS-84相差ΔCW，表3中的距离便可以在WGS-84基础上得出。此处只定义了一个改正量ΔCW，未进行实际差异计算。

电文MT+3能为BeiDou差分用户提供帮助信息，用户能够自动使用参考站的观测信息而无需操作员干预。这种电文类型能够包含一个或多个卫星的信息，主要根据参考站的需求决定。

电文MT+4用来提供电离层延迟和不同卫星沿视线的延迟率变化。使用双频接收机的用户可以通过此电文减弱伪距改正数中电离层影响，特别是当用户和参考站离得较远的时候。该电文能够使用户去除伪距改正数中的电离层影响，产生无电离层影响的改正数。

电文MT+5～MT+8描述的是动态高精度信息。在RTCM 2.3版本中，电文类型18～21支持RTK的导航电文，且4种导航电文的格式已经固定。若要支持BeiDou，必须定义新的电文类型，其结构特征类似于GPS的4种电文类型。

四、结束语

RTCM 2.3版本是目前比较通用的差分GNSS数据格式标准。本文根据现有RTCM 2.3版本对GPS和GLONASS电文类型结构定义进行了分析，对我国二代BeiDou的卫星组成结构、信号结构、所采用的坐标基准等特性进行了研究，尝试提出了8种支持RTCM标准的电文类型，并给出部分电文类型的设计。由于资料不完善，许多细节还有待于深入计算和分析。

［1］TALBOT N C.Compact Data Transmission Standard for High-Precision GPS［EB/OL］.［2012-10-15］.http：∥wenku.baidu.com/view/95dbf5c56137ee06eff918 d2.html.

［2］PARK B，KIM J，KEE C，et al.The Need for Range Rate Corrections in DGPSCorrection Messages［C］∥ION GNSS2004.Long Beach，CA：［s.n.］，2004：1266-1276.

［3］SWEENEY P.差错控制编码［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［4］程鹏飞.建立中国差分GPS服务的研究［J］.测绘学报，1999，28(1)：90.

［5］程鹏飞，杨元喜，李建成，等.我国大地测量及卫星导航定位技术的新进展［J］.测绘通报，2007(2)：1-4.

［6］谭述森.卫星导航定位工程［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［7］刘经南，刘晖.建立我国卫星定位连续运行站网的若干思考［J］.武汉大学学报：信息科学版，2003(S1)：28-31.