北斗衛星導航系統RTCM電文類型預定義研究

黃運乾，程鵬飛，蔡艷輝

(1.武漢大學測繪學院，湖北武漢430079;2.國家測繪產品質量檢驗測試中心，北京100830;3.中國測繪科學研究院，北京100830)

一、引 言

差分GNSS(global navigation satellite system)技術是目前衛星導航定位應用中使用較為廣泛的一種技術。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。在將差分改正數從參考站通過一定數據鏈傳送到差分用戶時，需要考慮差分改正數以何種格式通過數據鏈路層到達用戶，以及如何保證傳輸的差分數據的正確性和完整性等問題。

RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Services)是國際海運事業無線電技術委員會為了改善和推廣差分GNSS業務而提出的差分GNSS服務的標準協議［1］。經過不斷的發展，RTCM已經成為世界范圍廣泛應用的差分衛星導航系統標準。RTCM 2.3版本共包含64種電文類型，除包含測量改正數據外，還提供歷書和健康數據等。每種電文類型都有一個統一的標識符(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：固定、試用和未定義。幾種基本的信息其格式已經固定;有的電文類型則是試用格式，以后還會根據需要進行改動;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信號結構具有固定長度的子幀相比，RTCM協議包含了一系列長度的電文。RTCM 2.3數據是由很多數據幀組成的二進制數據流。每個數據幀均為30 bit的二進制數，且在這30 bit中1～24位包含數據信息，其余的6位(25～30位)為奇偶校驗碼，如圖1所示。這樣可允許在標準計算機通用異步接收/發送裝置(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)間串行傳送。如果所用的UART提供8 bit字節，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標為d1，最低位(LSB)標為d30。假定電文傳送正在進行中，前一組RTCM字的d29和d30標記為d29*和a30*，用于產生本組的奇偶校驗碼。

圖1 30 bit字碼

二、BeiDou RTCM電文預定義

BeiDou空間部分由5顆GEO衛星和30顆MEO衛星組成，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。

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

1)觀測數據類型。不同的衛星導航系統具有不同的載波和碼觀測類型，在設計BeiDou電文格式時必須考慮其特有信號頻率結構。

2)時間基準參考。在現有RTCM電文中，電文類型1和9與參考站的GPS時有關，而電文類型31和34則是以GLONASS時為基準。RTCM試用電文類型37專為計算不同導航系統間的時間偏差而設計。BeiDou的時間基準采用國內建立的UTC，且與國際時間局(BIH)的UTC之差保持在幾十納秒內，進行BeiDou電文設計時，要考慮BeiDou所用的時間系統。

3)衛星健康評估。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，但其格式已經固定，還要考慮增加BeiDou RTK電文。

三、BeiDou電文預定義類型

在對BeiDou特性進行分析的基礎上，嘗試設計針對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導航電文的類型編碼，見表1。

表1 BeiDou電文預定義類型

電文MT+1描述了基本的BeiDou差分改正數。BeiDou差分改正數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。在進行差分定位時，雙頻參考站能很好地獨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。圖2和表2描述了差分BeiDou改正數的電文結構和內容說明。

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

圖2 電文類型MT+1 BeiDou差分改正數

表2 電文類型MT+1內容描述

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的數據結構。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(地心地固系)。

圖3 MT+2電文結構

表3 MT+2電文類型內容描述

由于理論研究的深化和測量技術的發展，各國所測算出的地心坐標系的數值已非常接近，相差僅在厘米級，已是一個全球統一的地心坐標系。我國2000國家大地坐標系(CGCS2000)與WGS-84坐標系也基本一致，實際應用的差異極其微小。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基礎上得出。此處只定義了一個改正量ΔCW，未進行實際差異計算。

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。這種電文類型能夠包含一個或多個衛星的信息，主要根據參考站的需求決定。

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

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

四、結束語

RTCM 2.3版本是目前比較通用的差分GNSS數據格式標準。本文根據現有RTCM 2.3版本對GPS和GLONASS電文類型結構定義進行了分析，對我國二代BeiDou的衛星組成結構、信號結構、所采用的坐標基準等特性進行了研究，嘗試提出了8種支持RTCM標準的電文類型，并給出部分電文類型的設計。由于資料不完善，許多細節還有待于深入計算和分析。

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