基于RTCM3.2标准的GNSS差分数据解码研究及算法实现

王民 ,王解先

（1.同济大学，上海 200030；2.湖北亿伽通科技有限公司，上海 200030）

1 RTCM3.2标准

RTCM 104专业委员会的主要研究方向为差分全球导航卫星系统(DGNSS)，负责制修订差分GNSS的系列标准。目前最新的版本是2016年12月7日发布的“差分GNSS服务第三版”(RTCM 10403.3，Differential GNSS Service Version3)。

RTCM 104标准协议是基于开放式系统互联标准模型(Open System Interconnection standard reference model，OSI)建立，包括应用层、表示层、传输层、数据链路层及物理层。本文主要涉及RTCM 10403.2解码内容，主要针对的是传输层和表示层。

1.1 传输层(Transport Layer)

传输层定义了发送或接收RTCM-3数据的帧结构，一条完整的RTCM-3语句由以下几部分组成：一个固定长度的前导字、保留字、一个信息长度、一条可变长度的信息、一个24比特的周期冗余校验码，具体的帧结构如下表1所示：

表1 RTCM-3帧结构

1.2 表示层(Presentation Layer)

RTCM3.2增加了MSM(Multiple Signal Messages，多信号电文组)电文组，用来取代RTCM-3现有的一些电文类型 (如，MT1001-1004，MT1009-1012)，并提供了对 BDS、Gelileo等越来越多的导航卫星系统以及未来可用信号的支持。MSM用更加通用的方式来表示GNSS接收机观测信息，可以更加便捷地进行编码和解码，具有更好的灵活性和可扩展性。

1.2.1 MSM电文结构

MSM的电文结构由头信息、卫星数据以及信号数据三部分（如下表2所示）组成。

表2 MSM电文结构

①卫星掩码(DF395，GNSS Satellite mask)表示本条电文中可用数据的卫星，它是一个64 位的二进制bit序列，其中，最高位对应ID为1的卫星，最低位为对应ID为64的卫星。若卫星的数据可用，则对应的比特位置为1；否则，对应的比特位置为0。

②信号掩码(DF395，GNSS Signal mask)。信号掩码(DF395，GNSS Signal mask)表示本条电文中可用的卫星信号，它是一个32 位的二进制bit序列，其中最高位对应ID为1的卫星信号，最低位为对应ID为32的卫星信息。若信号数据可用，则对应的比特位置为1；否则，对应的比特位置为0。

③单元掩码 (DF396，GNSS Cell mask)。单元掩码(DF396，GNSS Cell mask)是一个二维表，长度为Nsat*Nsig(可用卫星数乘以可用信号数)，其中行表示本条电文中可用的信号ID(信号掩码中设置为1的信号)，列表示本条电文中可用的卫星ID(卫星掩码中设置为1的卫星)，若对应卫星/信号可用，则对应的比特位置为1；否则，对应的比特位置为0。此二维表采用列信息（以卫星为单元）进行打包编码。

RTCM3.2 MSM电文的这种编码方式，被称为“内循环”的数据组织方式，这种方式不同于RTCM之前版本的以卫星或信号类别组织数据的方式，而是以数据类型进行组织的。以MSM4电文为例，在卫星数据块中，先依次存储所有卫星的第一个数据类型的数据（DF397，概略伪距的整数秒数），再依次存储所有卫星的第二个数据类型的数据（DF398，概略伪距的不足整数秒数），依次类推。同样的，在信号数据块中，先依次存储所有卫星/信号的第一个数据类型数据（DF400，精确伪距值），再依次存储所有卫星/信号的第二个数据类型数据（DF401，精确相位值）依次类推[1]。

在大多数的实时数据传输应用中，为了确保在一条RTCM-3电文中传输一条完整的MSM信息，GNSS Cell mask的比特位数一般要求小于 64(X≤64，如 Nsat≤16，Nsig≤4)。若X≥64，如Nsat=14，Nsig=6)，则编码时必须使用两条单独的RTCM-3电文来进行编码，如第一条电文包括7颗卫星和6个信号，第二条电文包括7颗卫星和6个信号。同时，必须在确保“多电文比特位(Multiple Message Bit)”字段设置正确。

1.2.2 MSM观测值表示及计算

在MSM电文中，所有观测值（伪距、相位）都是以时间单位“毫秒”表示的，并且设定光速，各观测值的计算公式如下：

①标准精度电文

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

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

相位变化率（米/秒）=Rough_PhaseRangeRate+0.0001*Fine_PhaseRangeRate

②高精度电文

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

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

相位变化率（米/秒）=Rough_PhaseRangeRate+0.0001*Fine_PhaseRangeRate，

2 RTCM32 解码设计

根据RTCM3标准对GNSS数据格式的定义，进行数据的解码。解码流程如“图1 RTCM3解码数据流程图”所示，在接收RTCM3数据后，第一步先判断第一个8位的比特是否为引导字，若是引导字，则继续判断下一个6位的比特是否为0，如果是，则根据下一个10位的比特来获取信息长度n，获取信息长度后，需要判断余下的字节是否大于n+3个字节，若字节数充足，则获取n+3个字节，并计算电文的CRC 校验码，并与电文给出的CRC校验码进行比较，如果不同，则说明电文有误，应丢弃，如果相同，则检验通过，进入RTCM3数据解码阶段，按照RTCM3的电文结构，将相应的数据解析出来，并恢复成正确的值。

图1 RTCM3解码数据流程图

在解码MSM电文时，由于MSM1～MSM3电文中没有距离的整毫秒部分，因此，需要根据基准站的坐标及卫星星历进行计算恢复。

3 数据测试与分析

本测试使用Trimble R10接收机作为基准站，设置RTCM32数据作为输出流。同时保存Rinex原始数据格式，作为参照依据，与解码后的RTCM32数据进行对比，分析RTCM32 1074/1084/1124语句解析的正确性。观测历元的头信息对比，本测试选取了2018年12月17日02：20～02：30之间共10组数据进行了对比分析，每个历元的头信息，主要包括历元时间、卫星数等。

从分析结果可知，每个历元头信息的解析，跟Rinex原始观测数据完全一致，说明RTCM32 MSM的头信息解析无误。

在规定的时间段中，选取GPS13号卫星的伪距信息，对其10个历元的L1/L2伪距数据进行对比分析。分析结果显示，L1/L2 伪距的最大差值为0.0009m，最小差值为0.0m，平均差值为0.0006m。由于Rinex文件中伪距的取值精确到小数位后3位，所以以上伪距的差值可认为在误差范围之内，满足要求，说明RTCM32 MSM4数据解码无误。