北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)RTCM電文類型預(yù)定義研究

黃運(yùn)乾，程鵬飛，蔡艷輝

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢430079;2.國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗測試中心，北京100830;3.中國測繪科學(xué)研究院，北京100830)

一、引 言

差分GNSS(global navigation satellite system)技術(shù)是目前衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用中使用較為廣泛的一種技術(shù)。用戶通過接收來自參考站的差分改正信息，能夠消除或減弱大部分誤差。在將差分改正數(shù)從參考站通過一定數(shù)據(jù)鏈傳送到差分用戶時，需要考慮差分改正數(shù)以何種格式通過數(shù)據(jù)鏈路層到達(dá)用戶，以及如何保證傳輸?shù)牟罘謹(jǐn)?shù)據(jù)的正確性和完整性等問題。

RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Services)是國際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會為了改善和推廣差分GNSS業(yè)務(wù)而提出的差分GNSS服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議［1］。經(jīng)過不斷的發(fā)展，RTCM已經(jīng)成為世界范圍廣泛應(yīng)用的差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。RTCM 2.3版本共包含64種電文類型，除包含測量改正數(shù)據(jù)外，還提供歷書和健康數(shù)據(jù)等。每種電文類型都有一個統(tǒng)一的標(biāo)識符(分別編號1～64)。其中，1～27包含GPS專屬電文和一些通用電文;31～36為GLONASS專屬電文。所有的64種電文類型里有3種狀態(tài)：固定、試用和未定義。幾種基本的信息其格式已經(jīng)固定;有的電文類型則是試用格式，以后還會根據(jù)需要進(jìn)行改動;還有的則未定義，如電文類型38～58，作為將來新增加的電文類型。本文擬在38～58之間添加BeiDou電文。

與GPS信號結(jié)構(gòu)具有固定長度的子幀相比，RTCM協(xié)議包含了一系列長度的電文。RTCM 2.3數(shù)據(jù)是由很多數(shù)據(jù)幀組成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。每個數(shù)據(jù)幀均為30 bit的二進(jìn)制數(shù)，且在這30 bit中1～24位包含數(shù)據(jù)信息，其余的6位(25～30位)為奇偶校驗碼，如圖1所示。這樣可允許在標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)通用異步接收/發(fā)送裝置(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)間串行傳送。如果所用的UART提供8 bit字節(jié)，則必須再從通信緩沖器中讀取后立即去掉兩個最高位(MSB)。在RTCM中，其MSB標(biāo)為d1，最低位(LSB)標(biāo)為d30。假定電文傳送正在進(jìn)行中，前一組RTCM字的d29和d30標(biāo)記為d29*和a30*，用于產(chǎn)生本組的奇偶校驗碼。

圖1 30 bit字碼

二、BeiDou RTCM電文預(yù)定義

BeiDou空間部分由5顆GEO衛(wèi)星和30顆MEO衛(wèi)星組成，傳輸信號的載波頻段為：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。其中部分信號與Galileo PRS波段重疊，還有一小部分為GPS的M碼范圍。

在預(yù)定義北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)的電文時，本文擬嘗試從以下幾方面入手，分析設(shè)計其電文格式。

1)觀測數(shù)據(jù)類型。不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有不同的載波和碼觀測類型，在設(shè)計BeiDou電文格式時必須考慮其特有信號頻率結(jié)構(gòu)。

2)時間基準(zhǔn)參考。在現(xiàn)有RTCM電文中，電文類型1和9與參考站的GPS時有關(guān)，而電文類型31和34則是以GLONASS時為基準(zhǔn)。RTCM試用電文類型37專為計算不同導(dǎo)航系統(tǒng)間的時間偏差而設(shè)計。BeiDou的時間基準(zhǔn)采用國內(nèi)建立的UTC，且與國際時間局(BIH)的UTC之差保持在幾十納秒內(nèi)，進(jìn)行BeiDou電文設(shè)計時，要考慮BeiDou所用的時間系統(tǒng)。

3)衛(wèi)星健康評估。同GPS和GLONASS相似，BeiDou電文類型中需包含其星座的健康狀況。

4)支持BeiDou的RTK電文類型。目前電文類型18～21為RTK所用電文，但其格式已經(jīng)固定，還要考慮增加BeiDou RTK電文。

三、BeiDou電文預(yù)定義類型

在對BeiDou特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，嘗試設(shè)計針對BeiDou的電文，擬定義以下幾種BeiDou電文。以MT作為38～58之間的某個基本編號，作為Bei-Dou導(dǎo)航電文的類型編碼，見表1。

表1 BeiDou電文預(yù)定義類型

電文MT+1描述了基本的BeiDou差分改正數(shù)。BeiDou差分改正數(shù)主要受對流層和電離層的延遲影響。載波在通過對流層時會延后，通過電離層時會提前;而碼在通過兩種介質(zhì)時都會延后。因此，載波相位變化率不能很好地描述偽距變化率。在進(jìn)行差分定位時，雙頻參考站能很好地獨(dú)立確定對流層延遲和電離層延遲，而單頻參考站則不能使用此技術(shù)。圖2和表2描述了差分BeiDou改正數(shù)的電文結(jié)構(gòu)和內(nèi)容說明。

在定義電文類型時，BeiDou信號ID用于標(biāo)識8種BeiDou信號，不同的信號將會有不同的偽距改正數(shù)(PRC)和用戶差分距離誤差(UDRE)。UDRE對于一顆特定的導(dǎo)航衛(wèi)星來說，所有能夠觀測到它的參考站都要提供關(guān)于這顆導(dǎo)航衛(wèi)星的差分校正信息樣本。基于這些樣本估計出來的誤差范圍便是這顆衛(wèi)星的 UDRE值。這樣，每一顆衛(wèi)星都有UDRE，其與導(dǎo)航衛(wèi)星和參考站相對幾何關(guān)系有關(guān)，該幾何關(guān)系隨時間變化。用戶接收機(jī)觀測到的衛(wèi)星集合，與該地區(qū)的參考站跟蹤到的衛(wèi)星集合很相近，而這些衛(wèi)星的差分校正和UDRE對該地區(qū)都有效。由于BeiDou資料有限，未對其大致范圍進(jìn)行定義研究。數(shù)據(jù)齡期(issue of data，IOD)指產(chǎn)生各校正值的BeiDou導(dǎo)航數(shù)據(jù)的特定組別，應(yīng)與BeiDou廣播電文中的IODE相同。若兩者不匹配，則該組校正數(shù)不能直接使用。

圖2 電文類型MT+1 BeiDou差分改正數(shù)

表2 電文類型MT+1內(nèi)容描述

電文MT+2描述的是BeiDou參考站的信息。圖3和表3給定了電文類型MT+2的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個長為6個30 bit的字幀，它包含4個字碼(N=4)，包含了參考站的BeiDou坐標(biāo)(地心地固系)。

圖3 MT+2電文結(jié)構(gòu)

表3 MT+2電文類型內(nèi)容描述

由于理論研究的深化和測量技術(shù)的發(fā)展，各國所測算出的地心坐標(biāo)系的數(shù)值已非常接近，相差僅在厘米級，已是一個全球統(tǒng)一的地心坐標(biāo)系。我國2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)與WGS-84坐標(biāo)系也基本一致，實際應(yīng)用的差異極其微小。如果BeiDou采用CGCS2000，并假定CGCS2000和WGS-84相差ΔCW，表3中的距離便可以在WGS-84基礎(chǔ)上得出。此處只定義了一個改正量ΔCW，未進(jìn)行實際差異計算。

電文MT+3能為BeiDou差分用戶提供幫助信息，用戶能夠自動使用參考站的觀測信息而無需操作員干預(yù)。這種電文類型能夠包含一個或多個衛(wèi)星的信息，主要根據(jù)參考站的需求決定。

電文MT+4用來提供電離層延遲和不同衛(wèi)星沿視線的延遲率變化。使用雙頻接收機(jī)的用戶可以通過此電文減弱偽距改正數(shù)中電離層影響，特別是當(dāng)用戶和參考站離得較遠(yuǎn)的時候。該電文能夠使用戶去除偽距改正數(shù)中的電離層影響，產(chǎn)生無電離層影響的改正數(shù)。

電文MT+5～MT+8描述的是動態(tài)高精度信息。在RTCM 2.3版本中，電文類型18～21支持RTK的導(dǎo)航電文，且4種導(dǎo)航電文的格式已經(jīng)固定。若要支持BeiDou，必須定義新的電文類型，其結(jié)構(gòu)特征類似于GPS的4種電文類型。

四、結(jié)束語

RTCM 2.3版本是目前比較通用的差分GNSS數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)現(xiàn)有RTCM 2.3版本對GPS和GLONASS電文類型結(jié)構(gòu)定義進(jìn)行了分析，對我國二代BeiDou的衛(wèi)星組成結(jié)構(gòu)、信號結(jié)構(gòu)、所采用的坐標(biāo)基準(zhǔn)等特性進(jìn)行了研究，嘗試提出了8種支持RTCM標(biāo)準(zhǔn)的電文類型，并給出部分電文類型的設(shè)計。由于資料不完善，許多細(xì)節(jié)還有待于深入計算和分析。

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