關于北斗加入RTCM國際標準的總體研究

吳海玲 ，李作虎，劉 暉

(1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京，100094；2．武漢大學，湖北 武漢 430072；3.武漢導航與位置服務工業技術研究院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

RTCM標準是根據美國海事無線電技術委員會第104特別委員會的建議制定的關于差分改正信息傳輸的數據格式標準，以代替原來GPS接收機生產商自行設計的專用格式。其最初版本于1985年制定，主要用于海上的差分服務，但是目前已被用于海運、內陸交通、工程施工、國土規劃、大地測量等各個應用領域來傳輸差分GNSS數據。RTCM標準已成為衛星導航定位領域芯片制造商、板卡集成商、整機制造商、應用服務提供商以及用戶等在設計研發、生產加工、應用推廣等產業鏈中必須遵守的關鍵協議之一，雖然是推薦標準，但卻是事實上的產業標準。

相關報告表明衛星導航差分及數據處理領域全球年產值2015年達到800億美元左右。在實時定位領域內，RTCM標準是確保能夠達到定位精度需求的核心部分，制造商生產的參考站和流動站等產品需要遵守這一協議，在此協議支持下，用戶才能接收不同服務商、不同導航系統的差分信息，實現具體應用；芯片、板卡和整機制造商才能生產可以相互兼容、配套使用的產品；服務提供商才能建設兼容不同制造商產品、服務接口統一、可容納大量用戶的基礎設施和應用系統。

1 RTCM組織及工作程序

1.1 美國海事無線電技術委員會(RTCM)簡介

美國海事無線電技術委員會(RTCM)是一個國際非營利性科學、專業和教育組織，成立于1947年，開始時作為美國政府咨詢委員會，后發展為從事技術標準研究的獨立組織，其成員由非政府組織和政府機構組成。 RTCM參與了國際海事組織(IMO)、國際電工委員會(IEC)、國際標準化組織(ISO)、歐洲電信標準協會(ETSI)、國際羅蘭協會(ILA)等多個機構或組織的標準研究與制修訂工作，與國際電信聯盟(ITU)、國際航道組織(IHO)、國際航海協會(IALA)、美國國家海洋電子協會(NMEA)等機構或組織保持緊密聯系，已逐漸發展成為在航海和陸地導航、無線電技術等方面具有重要影響力的標準制修訂和技術研究機構。 RTCM目前有超過130個組織成員，主要由無線電導航通信設備的制造商、系統解決商、標準制修訂機構、船主、教育學術界、銷售服務商等組成，下設多個專業委員會(SC)。專業委員會由RTCM成員組成，負責相關領域內的標準制修訂工作。專業委員會設主席和秘書崗位，主席由會員內知名專家擔任，由RTCM成員提名并經RTCM主席批準。所有RTCM成員均有資格以信件(Email)和與會方式參加所有專業委員會的活動。目前RTCM組織中的專業委員會及其研究方向如表1所示。

表1 RTCM組織中的專業委員會及其研究方向

在各專業委員會下，會針對不同技術專題設立多個工作組(WG)開展研究。RTCM成員可申請成立或加入WG，各WG也設立主席和副主席(或秘書)，由專業委員會成員推選，并向專業委員會主席負責。 RTCM各專業委員會提供的文件和報告通常形成RTCM推薦標準。專業委員會以RTCM推薦規范形式輸出的文檔已被廣泛地接受，RTCM各專業委員會定期更新這些推薦規范，以適應不斷變化的技術現狀。RTCM各專業委員會主導開發的標準如表2所示。

表2 RTCM組織所制訂的標準概況

RTCM采取年度會員制，每年需要交納一定的會費，目前注冊一個成員需約1 750美元，由此獲得對提案和標準草案討論和投票表決權，會員主要面向企業和機構。

1.2 RTCM第104專業委員會及其工作程序

RTCM組織中與衛星導航相關的是第104專業委員會(以下簡稱專業委員會)，負責差分全球導航衛星系統(DGNSS)相關推薦標準的制定以及RINEX標準的制修訂工作(2011年以后)。每個專業委員會下設多個工作組(Working Group)。其中，第104專業委員會下設RTK network、Galileo、GLONASS、RINEX、BDS(2013年9月份成立)等工作組。

第104專業委員會每年召開三次會議，一般分別在年初1月、5月和9月份召開，會議地點不固定。基本的工作機制如下：

提案提交：任何成員都可以提交提案，但必須以工作組名義，即要想提交關于BDS差分電文的提案，就必須先成立BDS工作組；在提案提交前最好在工作組和特別委員會中得到充分討論，方可確保提案順利通過；專業委員會接受提案后即可進入討論環節。

提案討論：通常是以郵件的形式進行，還有每年三次會議的形式充分討論。

提案表決：委員會按照每個正式成員一票，超過半數則通過；投票可以采取網絡投票和現場投票兩種方式，均有效；會議一般性的提案，例如成立工作組和設立專題等，由專業委員會主席現場征求專家意見，決定通過與否。

標準發布：提案表決通過后，委員會會根據修訂意見，對版本進行升級，形成修訂稿(每年可能提出2～3次修訂稿)，并正式發布實施。一般每兩年升級一次版本。成員從提出提案到加入修訂稿，大概需要半年到一年的時間。

2 RTCM SC-104標準研究現狀

2.1 國外研究情況

2.1.1 RTCM標準發展情況

RTCM第104專業委員會負責制修訂的差分GNSS系列標準發展情況，詳見表3所示。

表3 RTCM SC-104差分GNSS標準發展情況

2.1.2 2.3版本功能簡單，正在升級，資源有限

2.3版本內容包括偽距差分(DGNSS)和載波相位差分(RTK)協議，主要應用于陸地參考站網(CORS)和單基站差分等厘米級高精度差分服務，以及海事沿海差分臺站(RBN-DGPS)米級差分導航服務，作為差分基礎標準在RTCM SC-104系列標準中應用最為廣泛。其中厘米級差分服務主要基于雙頻高精度測量型接收機，米級差分導航服務主要基于單頻偽距導航接收機。目前，市面上銷售的測量型接收機必須支持2.3版本。

目前，2.3版本是以GPS為核心的，有條件支持GLONASS，但均不包含北斗和Galileo系統的差分電文。2.3版本電文容量為64條，目前占用了38條電文(含保留電文6條)，各系統使用情況如表4所示。

表4 RTCM 2.3版本電文使用情況

目前，Galileo、BDS、QZSS都在積極爭取有限的剩余電文資源。若按照RTCM 10402.3的設計思路，其64條電文設計容量根本無法全部滿足上述系統對低速率差分電文的應用需求。為此，委員會已經在2.3版本的基礎上進行了電文資源優化整合，停用或即將停用17條涉及偽距差分、載波相位、信標臺信息的差分電文，增加了4條通用差分電文，以支持多系統多頻率的偽距差分和載波相位差分電文，形成了RTCM 10402.4版本，目前處于征求意見階段。2.4版本對于Galileo、BDS以及QZSS進入RTCM標準是一個非常關鍵的機會。2.4版本(征求意見稿)電文使用情況如表5所示。

表5 RTCM 10402.4版本(征求意見稿)中電文使用情況

2.1.3 3.2版本功能多樣，發展潮流，資源豐富

主要內容包括RTK、網絡RTK、狀態空間差分SSR、輔助GNSS技術(AGNSS)等協議，主要應用于GNSS高精度實時定位領域，是RTCM SC-104標準發展的主流方向。

3.2版本于2013年2月1日正式發布，并于7月12日推出修訂版本。最新修訂版本同時完全支持GPS和GLONASS(不支持GLONASS K系列衛星CDMA信號)，部分支持Galileo系統，但僅在多頻率多信號電文組(MSM)中為北斗制訂了10條電文。北斗在四大全球衛星導航系統中電文數量最少，且未定義BDS的坐標系統，在絕大多數應用中無法獨立工作，另外也不支持網絡RTK、SSR以及ABDS等具有發展潛力的高附加值應用。

3.2版本標準電文容量為4 096條，目前已經占用了1 310條電文(含保留電文1112條)，具體使用情況如表6所示。

表6 3.2版本電文使用情況

2.2 國內研究現狀

國內主要由原電子部衛星導航標準專項(2004年8月)基于RTCM SC-104 V2.3制訂了行業標準《衛星導航差分格式》(S05009-T)，并于2012年6月頒布實施，該標準未考慮北斗。此外，交通運輸部基于RTCM SC-104 V2.3制訂了《差分全球導航衛星系統(DGNSS)技術要求》(GB/T 17424-2009)，也未考慮北斗。我國從事高精度芯片板卡研發、軟件開發和系統集成的部分高校企業，如武漢大學、上海司南、南方測繪、中海達等公司已認識到差分標準的重要性，并基于3.2版本提出了自主定義的RTCM BDS電文標準。由于電文格式不符合RTCM SC-104電文規范，申請的電文資源已被占用、專業委員會無專門針對BDS電文制修訂的工作組等因素，中國企業于2013年5月份向專業委員會提交的BDS修訂提案未被接受。

2013年9月16日到17日，RTCM SC-104專業委員會2013年度第三次會議在美國納什維爾(Nashville)舉行。本次會議中國機構(企業)代表團成功參會，提出北斗加入RTCM SC-104框架并得到支持，并且委員會一致同意成立BDS工作組，負責BDS相關標準的制修訂工作，并推薦由韓紹偉博士作為工作組主席。

總體來說，國內相關院校和企業已經具備制修訂BDS相關差分電文和RINEX等標準的基礎和能力，但缺乏統一的協調與組織機制，力量分散，大多僅關注某一領域內的差分應用(如只關注高精度RTK，不考慮SSR等)，在國際RTCM標準討論中處于劣勢。

3 北斗加入RTCM的必要性和迫切性分析

盡快加入RTCM組織，參與RTCM差分協議修訂討論，對于北斗盡快進入RTCM標準、搶占GNSS信息資源、推動北斗產品走向世界、促進我國衛星導航產業發展具有重要意義：

1) 參與國際標準工作，確保北斗系統的獨立開放。

由于RTCM組織成立之初是作為美國政府顧問委員會，目前由美國企業主導，為保護GPS的利益，一直限制RTCM對GLONASS、Galileo等多衛星導航系統的支持(如在2.3版本中多處電文支持GLONASS，卻又規定電文時間為GPS時)，限制了電文對非GPS導航系統的獨立操作能力。不僅如此，由于RTCM面向企業和機構，任何企業和機構都可以提交關于BDS的標準草案，存在惡意設計BDS電文使其無法獨立工作的風險。為此，只有中國企業(機構)積極主動盡快加入RTCM相關標準工作，參與BDS電文的制修訂工作，爭取并確保BDS在高精度差分應用領域中的獨立性，才符合北斗系統“獨立、開放”的發展思路，真正保證北斗系統的發展利益。

2) 參與信息資源競爭，爭取國際標準制訂話語權。

RTCM差分標準由有限條表達不同含義的電文組成，2.3版本設計了64條電文，3.2版本設計了4 096條電文，是一種典型的信息資源。目前，2.3版本僅有26條電文未定義，其余均已被GPS、GLONASS以及國外高精度企業所占據，北斗在爭取有限資源時將面臨Galileo、QZSS等系統的競爭；3.2版本雖然已定義的電文僅有198條(供企業和機構使用的專用電文96條)，但北斗系統將面臨Galileo、QZSS、IRNSS、SBAS等各種全球或區域導航增強系統的競爭，且國內北斗企業和研究機構也將面臨與國際知名GNSS企業和機構同臺競爭專用電文資源的局面。另外，目前3.2版本中的國外企業或機構提出的BDS電文并不能支持網絡RTK及SSR應用，意味著我們不能依靠國外技術力量實現RTCM對北斗的完全支持，且國外企業或機構所提出的北斗差分電文并不一定符合已公布的北斗ICD，甚至有可能有意限制在具體應用中獨立使用北斗，且基本未考慮北斗全球系統的未來發展需求。加入RTCM組織，盡早提交自主制訂的BDS差分電文草案并力爭通過，對于搶占GNSS國際信息資源，提升我國在國際GNSS標準制定中的話語權，推動北斗全球應用是十分迫切和重要的。

3)參與國際產業競爭，推動北斗產品走向世界，促進我國衛星導航產業發展。

國際高技術應用競爭本質上是標準的競爭，標準與產業發展密切相關。由于缺乏在RTCM標準組織中的話語權，且信息嚴重不對稱，一是導致我國衛星導航企業只能尾隨已經頒布的國際標準，在新技術跟蹤上嚴重落后于國外企業，導致我國衛星導航相關產品的更新嚴重落后于國際企業，使得我國衛星導航產品國際競爭力不足。二是我國導航企業的創新技術成果不能及時通過國際標準進行推廣應用，使得國產衛星導航產品也只能在國內銷售和應用，將嚴重制約我國衛星導航產業的國際化發展。目前，市面上銷售的BDS高精度OEM板卡都采用了自己定義的2.3版本電文，但未得到國際RTCM組織認可，無法在國際上推廣使用，國內部分企業在美國推廣BDS三頻測量接收機時已經遇到了類似問題。盡快加入RTCM標準制修訂工作，實現BDS在RTCM框架下的獨立運行，是北斗進入全球衛星導航應用產業鏈、成為全球獨立運行的四大導航系統之一的重要條件。

4 結束語

持續跟蹤研究RTCM標準，適時開展BDS進入RTCM標準的修訂工作，提出符合國內BDS應用需求并兼顧北斗全球系統的差分標準草案，可為北斗在國內外GNSS高精度差分定位領域應用提供完整、獨立、兼容服務提供標準支撐。建議有組織、有計劃、有策略地推進BDS進入RTCM標準，具體建議如下：

一是整合國內優勢資源，建立工作組，綜合北斗應用總體、相關研究機構、各類廠家與用戶的需求，有組織地推進相關工作，確保在國際場合一個聲音推北斗，確保滿足北斗發展的長遠需要，確保維護北斗產業的最大利益；

二是嚴格按照RTCM既定的規則，深刻理解BDS進入RTCM、搶占信息資源的緊迫性，有計劃、有步驟推進各項準備工作；

三是堅持BDS在RTCM SC-104框架下獨立工作、提供所有服務的基本思路，針對北斗特點持續優化標準草案，針對高精度應用領域中的技術問題，研究解決方案，充分借助相關研究團隊在國際上的資源，千方百計推進BDS進入RTCM標準。

[1] RTCM SPECIAL COMMITTEE. RTCM standard 10402.3 differential GNSS service-versions 3 [R].2006.

[2] RTCM SECIAL COMMITTEE. RTCM standard 10403.2 differential GNSS service-versions[R].2013.

[3] RTCM SPECIAL COMMITTEE. RTCM standard 10402.4 differential GNSS service-versions 3 [R].2013.

[4] RTCM SPECIAL COMMITTEE .RTCM standard for networked transport OF RTCM via interent protocol (Ntrip) Version 2.0[R]. 2008.

[5] IGS.RTCM-SC 104(2013) RINEX:The receiver independent exchange format version 3.02 update 1(draft 1)[R].2013.