差分GPS數(shù)據(jù)通信格式RTCM 3.1及其解碼算法的實(shí)現(xiàn)

史小雨，程鵬飛，蔡艷輝，李為喬

(1.廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，廣東廣州511400;2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830;3.北京奧騰巖石科技有限公司，北京100176)

差分GPS數(shù)據(jù)通信格式RTCM 3.1及其解碼算法的實(shí)現(xiàn)

史小雨1，程鵬飛2，蔡艷輝2，李為喬3

(1.廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，廣東廣州511400;2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830;3.北京奧騰巖石科技有限公司，北京100176)

目前差分GPS作為提高定位精度與可靠性的一種重要手段而受到越來(lái)越多的關(guān)注，該技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通常使用國(guó)際通用的RTCM SC-104協(xié)議。簡(jiǎn)要介紹RTCM 3.1版本的數(shù)據(jù)格式，針對(duì)該版本設(shè)計(jì)解碼算法并編程實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)對(duì)Trimble實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的解析與驗(yàn)證，證明解碼算法的正確性和程序的可靠性。

差分GPS;RTCM 3.1;數(shù)據(jù)解碼;數(shù)據(jù)通信

一、引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)定位的要求也在不斷的提高，為了提高定位的精度和可靠性，差分GPS (DGPS)越來(lái)越受到人們的歡迎。利用這種技術(shù)，用戶可以使用一臺(tái)單頻接收機(jī)實(shí)時(shí)地獲得米級(jí)(測(cè)碼偽距差分)或者厘米級(jí)(測(cè)相偽距差分)的定位精度。在基準(zhǔn)站與流動(dòng)站數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通常使用國(guó)際通用的RTCM SC-104協(xié)議，該協(xié)議由國(guó)際海運(yùn)事業(yè)無(wú)線電委員會(huì)提出。在發(fā)布了2.x版本后，該委員會(huì)意識(shí)到這個(gè)版本有如下缺點(diǎn):① 每24位數(shù)據(jù)之后都跟著6位奇偶檢校碼，這是對(duì)帶寬的一種浪費(fèi);②字與字之間的奇偶檢校碼彼此之間不獨(dú)立;③雖然用了多個(gè)位進(jìn)行奇偶檢校，信息的完整性還是不能得到很好的保證;④30位的字處理起來(lái)相當(dāng)麻煩。因此，在作了適當(dāng)修改之后，新版本的RTCM 3.0于2004年推出。查閱相關(guān)文獻(xiàn)后，筆者發(fā)現(xiàn)介紹和解碼新版本電文的材料比較少，所以本文主要介紹RTCM SC-104新發(fā)布的3.1電文及其解碼算法［1］。

二、RTCM 3.1電文

RTCM 3.1標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)2.x版本的一次升級(jí)，可以支持單基準(zhǔn)站或網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站的GPS與GLONASS信息操作，同時(shí)可以直接支持正在開(kāi)發(fā)的新系統(tǒng)(如Galileo)，或是對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改進(jìn)(如新的L2C和L5波段)。此外，新的標(biāo)準(zhǔn)還可以支持增強(qiáng)系統(tǒng)。作為版本3的新標(biāo)準(zhǔn)，3.1標(biāo)準(zhǔn)中包含GPS網(wǎng)絡(luò)差分改正數(shù)，可以支持大區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)接收機(jī)獲取精確的RTK信息。新的GPS和GLONASS信息提供了衛(wèi)星軌道參數(shù)以輔助快速捕獲，為了傳輸純文本數(shù)據(jù)也提供了一種Unicode文本信息，同時(shí)預(yù)留了一部分消息讓用戶自己定義，用戶可以方便地向電文中加入自己定義的信息。具體的內(nèi)容如表1所示。

表1 RTCM 3.1電文類型［1］

續(xù)表1

RTCM 3.1以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式來(lái)設(shè)計(jì)，與NMEA 2000有些相像。不同的是NMEA 2000是為了不同電子單元的網(wǎng)絡(luò)化而設(shè)計(jì)的，而版本3的差分GNSS標(biāo)準(zhǔn)則是為集中發(fā)布數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的。對(duì)于版本3的廣播信息而言，每個(gè)位都可能包含經(jīng)常重復(fù)的信息，因此當(dāng)限制了字節(jié)隊(duì)列的長(zhǎng)度時(shí)，強(qiáng)制要求每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)都占用幾個(gè)整字節(jié)是不太現(xiàn)實(shí)的。此外，在NMEA 2000數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)字典和數(shù)據(jù)域有很大的差別，而在RTCM 3.1中二者的差別就變得很小。所以，與其同時(shí)用數(shù)據(jù)字典和數(shù)據(jù)域表，不如把二者統(tǒng)一為一個(gè)數(shù)據(jù)域定義更合適［1］。

表1中，分別定義了GPS和GLONASS的RTK消息，這樣就避免了向消息中附加標(biāo)記信息，因?yàn)檫@樣做改變了消息中數(shù)據(jù)元素的長(zhǎng)度或意義。但是還有一些可變性的數(shù)據(jù)元素是無(wú)法避免的，這是因?yàn)樾l(wèi)星的數(shù)目不能確定。不過(guò)由于衛(wèi)星數(shù)是唯一的變化量，所以傳輸層定義的消息長(zhǎng)度使通過(guò)消息長(zhǎng)度確定衛(wèi)星數(shù)目成為可能。對(duì)于長(zhǎng)度不超過(guò)限定的消息來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)發(fā)布者需要將最后沒(méi)有用完的字節(jié)位補(bǔ)0。

三、解碼算法的設(shè)計(jì)

針對(duì)新版本數(shù)據(jù)格式的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的解碼算法，主要由以下幾個(gè)部分組成。

1.數(shù)據(jù)管理

從接收機(jī)獲取的是字節(jié)流，必須要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理才能進(jìn)行解碼工作。數(shù)據(jù)管理主要包括:數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、刪除等操作。由于消息的處理實(shí)行先進(jìn)先出的原則，所以用隊(duì)列管理接收到的數(shù)據(jù)比較有效。接收到數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)放到隊(duì)列里，當(dāng)判斷收到的數(shù)據(jù)足夠解碼一條消息時(shí)，就將有效部分取出并交給解碼部分進(jìn)行解碼操作，解碼成功就將該部分?jǐn)?shù)據(jù)從隊(duì)列中刪除。

隊(duì)列的設(shè)計(jì)可以有兩種選擇方案:循環(huán)隊(duì)列和一般順序隊(duì)。循環(huán)隊(duì)列的操作比較方便，可以有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和刪除等操作，并且不浪費(fèi)內(nèi)存。但循環(huán)隊(duì)列的容量在定義的時(shí)候已經(jīng)確定，不能進(jìn)行擴(kuò)充，如果遇到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不好時(shí)，大量擁堵信息同時(shí)到達(dá)會(huì)使隊(duì)列直接崩潰，如果把隊(duì)列的容量直接開(kāi)得很大又會(huì)加大系統(tǒng)的開(kāi)銷，所以本次程序的設(shè)計(jì)使用的是一般的順序隊(duì)。一般順序隊(duì)在使用時(shí)存在數(shù)據(jù)“假溢出”的現(xiàn)象，為了解決這個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)一種動(dòng)態(tài)隊(duì)列來(lái)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)收到的數(shù)據(jù)。這種設(shè)計(jì)既可以最大限度地節(jié)省內(nèi)存，也可以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)擁堵的問(wèn)題［2］。

2.CRC檢校

與2.x版不同的是，新的版本使用高通CRC (cyclical redundancy check)算法，該算法的24位奇偶位可以有效地探測(cè)信息缺失和一些隨機(jī)誤差。CRC又稱循環(huán)冗余碼校驗(yàn)，是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼，它是利用除法及余數(shù)的原理來(lái)作錯(cuò)誤偵測(cè)的。在RTCM3.1版中，這部分工作由如下多項(xiàng)式產(chǎn)生的碼完成

這種碼被稱為CRC-24Q(Q表示高通公司)。這種碼的生成多項(xiàng)式形式如下(利用二進(jìn)制多項(xiàng)式算法)

p(X)是簡(jiǎn)單的不可被約分的多項(xiàng)式

用戶接到消息之后，既可以利用產(chǎn)生多項(xiàng)式生成校驗(yàn)碼與已有的進(jìn)行比對(duì)，也可以將消息序列左移24位加上接收到的校驗(yàn)碼，然后與事先定義好的多項(xiàng)式進(jìn)行二進(jìn)制除法，如果余數(shù)為0，則表明信息是完整的［1］。

3.解碼設(shè)計(jì)

由于在新的版本中省去了字節(jié)掃描、字節(jié)滾動(dòng)和字節(jié)取補(bǔ)碼這些操作，所以解碼部分的難度相比原版本有所減少。根據(jù)文獻(xiàn)［1］的描述，一條完整消息包括一個(gè)固定的引導(dǎo)字、消息的長(zhǎng)度信息、消息體和24位的CRC檢校碼。在判斷消息的完整性后，就可以進(jìn)行解碼工作了。首先判斷消息的類型，然后將不同的類型交給不同的函數(shù)進(jìn)行解碼，再將解碼出來(lái)的數(shù)據(jù)存入事先定義好的數(shù)據(jù)塊中［4］。具體解碼過(guò)程如圖1所示。

圖1 解碼算法流程圖

四、程序設(shè)計(jì)

根據(jù)上述算法，利用C++語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了該算法。在程序中設(shè)計(jì)了3個(gè)類:CBuffer、CMessage和CRTCM31。

1)CBuffer類主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理，包括接收、存儲(chǔ)和刪除。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，就將其存入CBuffer類中的成員變量中，該變量是一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組，可以存儲(chǔ)任意字節(jié)的數(shù)據(jù)。當(dāng)判斷接收數(shù)據(jù)有效且夠一條消息時(shí)，就將有用信息提取出來(lái)，并將其從數(shù)組中刪除，以節(jié)省內(nèi)存空間。

2)CMessage類包括了3.1版本中所有消息的解碼工作，以及結(jié)果的輸出，并且可以隨著版本的修改而作出相應(yīng)的擴(kuò)充。當(dāng)接收到有效信息后，就根據(jù)不同的消息類型交給不同的解碼函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的解碼工作，并可以按用戶需求輸出不同的解碼結(jié)果。

3)CRTCM31類則是對(duì)前兩個(gè)類的封裝，負(fù)責(zé)整個(gè)解碼工作的完成，它包含了對(duì)接收數(shù)據(jù)的有效性和完整性檢查，消息數(shù)據(jù)的提取等。當(dāng)判斷接收的數(shù)據(jù)有效就將數(shù)據(jù)提取出來(lái)交給CMessage類進(jìn)行解碼，否則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，直到?jīng)]有消息再進(jìn)來(lái)為止。

五、實(shí)例驗(yàn)證

使用Trimble接收機(jī)產(chǎn)生的RTCM數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。由于電文信息是已知的，所以可對(duì)解碼的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。電文與信息如圖2、表2所示。

圖2 原始電文

表2 電文數(shù)據(jù)信息

解碼結(jié)果如圖3所示，與表2基本一致。由于RTCM 3.1版中對(duì)載波相位數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)上的處理，在不破壞其整數(shù)特性的同時(shí)減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，所以載波相位值會(huì)與原始值有所不同，但不影響數(shù)據(jù)處理。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)通信中常用的RTCM SC-104協(xié)議的3.1版本，該版本新增了部分電文信息，補(bǔ)充了2.x版的不足，確保了GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的傳輸，提高了數(shù)據(jù)的安全可靠性。分析了GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)格式，并設(shè)計(jì)其解碼算法流程，利用VC++編程實(shí)現(xiàn)其算法。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)的Trimble數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并檢驗(yàn)其解碼結(jié)果，符合標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了解析RTCM數(shù)據(jù)算法的正確性和程序的可靠性。

［1］ RTCM Special Committee No.104.RTCM Standard 10403.1 for Differential GNSS［S］.Arlington:Radio Technical Commission for Maritime Services，2006.

［2］ 劉振鵬，張曉莉，郝杰.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2003.

［3］ 王華，程鵬飛，蔡艷輝.基于Internet的GPS RTK數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行苑治觯跩］.測(cè)繪科學(xué)，2006，31(1): 67-68.

［4］ 李思超，葉甜春，徐建華.DGPS RTCM數(shù)據(jù)格式簡(jiǎn)介及其解碼算法實(shí)現(xiàn)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2008，31(12): 11-14.

［5］ 郭洪濤，任超.差分GPS數(shù)據(jù)通訊格式RTCM 3.0及應(yīng)用發(fā)展［J］.全球定位系統(tǒng)，2010，35(3):63-65.

［6］ 嚴(yán)新生，過(guò)靜珺，朱小冬，等.RTCM SC-104差分電文解碼［J］.工程勘察，2007(6):61-65.

DGPS Data Communication Format RTCM 3.1 and Its Decoding Arithmetic Realization

SHI Xiaoyu，CHENG Pengfei，CAI Yanhui，LI Weiqiao

0494-0911(2012)06-0004-03

P228.4

B

2011-06-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(40974008)

史小雨(1988—)，男，河南南陽(yáng)人，碩士生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星定位與導(dǎo)航。