北斗地基增強系統數據通信綜述

劉天恒,陳明劍,張樹為,周潤楊,李瀅

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,河南 鄭州 450001; 2.北斗導航應用技術協同創新,河南 鄭州 450001)

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北斗地基增強系統數據通信綜述

劉天恒1,2,陳明劍1,2,張樹為1,2,周潤楊1,2,李瀅1,2

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,河南 鄭州 450001; 2.北斗導航應用技術協同創新,河南 鄭州 450001)

數據通信是實現北斗地基增強系統高精度導航、定位不可或缺的部分,在系統中起著關鍵作用。首先探討了北斗地基增強系統參考站與數據中心進行數據通信所用到的TCP/IP和RS232接入模式,其次,針對用戶與數據中心的數據通信,分析了NMEA0183信息、NRTIP協議和RTCM數據,并闡述了RTCM3.2較以前版本的改進內容。

北斗地基增強系統;TCP/IP協議;NMEA0183;NTRIP協議;RTCM

0 引言

北斗衛星導航系統是我國自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統,能夠為已覆蓋的亞太地區提供定位、導航、授時和短報文通信服務。全球衛星導航系統在航空航天、氣象預報、環境監測、測繪、車輛監管等領域得到廣泛應用,但有時系統的定位精度、可用性、完備性和可靠性難以滿足用戶的需求。北斗地基增強系統作為提升衛星導航系統服務質量的高效、可靠手段,是衛星導航領域的重要發展方向[1]。北斗地基增強系統具有定位精度高、完備性好、可提供多元化服務等優點,基于“全國一張網”的目標,當前全國各省市都在如火如荼地建設北斗地基增強系統[2]。

北斗地基增強系統由參考站網、數據處理與控制中心、網絡通信系統和用戶設備四部分組成,如圖1所示。

1) 參考站主要功能是采集衛星數據、傳輸數據、存儲數據等;

2) 數據中心主要功能是數據處理、網絡管理、遠程監控、用戶管理等;

3) 網絡通信系統主要負責參考站、數據中心和用戶設備之間的數據傳輸、通信;

4) 用戶設備主要功能是采集、存儲衛星數據和利用RTCM或CMR等數據提高自身定位精度。

在北斗地基增強系統運行中,數據通信起著關鍵作用,參考站網、數據中心和用戶設備之間的連接都依靠網絡通信。系統服務的連續性、可靠性關鍵在于各部分間的數據通信是否暢通、有效、安全、可靠,并且要求其具有大容量、高速率、低誤碼率的數據傳輸能力[3]。

在北斗地基增強系統數據通信中,參考站將原始觀測數據通過SDH專線實時傳輸至數據中心,數據中心實時處理各參考站數據。用戶設備將自身的NMEA0183數據通過3G、GPRS或其他無線網絡通信技術發送至數據中心,數據中心生成用戶的RTCM、CMR或其他差分改正信息,并根據NTRIP協議通過3G等無線網絡通信技術發送至用戶設備。數據通信流程如圖2所示。因此,在數據傳輸通信服務中,又分為兩類通信方式:參考站-數據中心和數據中心-用戶設備。本文首先介紹了參考站-數據中心數據通信所用到的TCP/IP和RS232兩種接入模式。其次,針對數據中心-用戶設備的數據通信,分析了傳輸數據的通信技術,并對傳輸的NMEA0183信息、NRTIP協議和RTCM數據進行了介紹,闡述了RTCM3.2較以前版本的改進內容。最后總結了數據通信在地基增強系統中的重要性。

1 參考站-數據中心通信

由于參考站傳輸到數據中心的數據,要求其傳輸時延小于500 ms,誤碼率小于10-8,可靠性大于99%,以及基于安全性的考慮,故采用同步數字體系(SDH)專線通信。在參考站端要求通信寬帶不低于64 kbps,數據中心端不低于N*64kbps(N為參考站數量),最低為2 Mbps[4].參考站與數據中心的通信,常采用Internet網絡(TCP/IP接入)、多串口卡(RS232接入)或兩者混合接入模式將原始數據傳送至數據中心。

1.1 TCP/IP接入模式

在TCP/IP接入模式下,參考站與數據中心采用Internet網絡通信時,以TCP/IP協議為基礎。數據中心對應每個參考站都有相應的IP端口,參考站根據此端口向數據中心發送請求,數據中心會接收連接并開始向參考站發送數據。同時,數據中心需要實時開放并監聽此端口,以保障 CORS 系統通信鏈路的暢通與連續[5]。這種模式下參考站與數據中心的網絡配置結構如圖3所示。

1.2 RS232接入模式

在RS232接入模式入下,參考站與數據中心均配置調制解調器,接收機原始觀測數據通過RS232線發送到參考站的調制解調器,數據中心的調制解調器通過SDH專線接收數據并傳輸至多串口卡,然后通過多串口卡將各參考站的數據傳輸至數據中心。這種模式下參考站與數據中心的網絡配置結構[5]如圖4所示。

2 數據中心-用戶設備通信

用戶設備通常由GNSS接收機、移動電話或PDA組成。用戶設備獲取自身NMEA0183信息,通過3G等技術發送到數據中心。然后數據中心針對用戶的NMEA0183信息生成差分改正信息,并根據數據中心與用戶設備的網絡傳輸通信協議(NTRIP協議)通過3G等技術發送到用戶設備。

數據中心與用戶設備的數據交互主要依靠3G或GPRS技術。GPRS即通用分組無線服務技術,它通過利用GSM網絡中未使用的時分多址(TDMA)信道,提供中速的數據傳遞[6]。其最佳狀態下理論最大傳輸速率為171.2 kbps.隨著移動通信技術的發展,目前使用較多的是3G.3G下行理論峰值可達3.6 Mbps,上行理論峰值可達384 kbps,而且3G相對于GPRS覆蓋范圍廣,因此得到了廣泛普及。但在實際應用中,移動通信技術是一個制約北斗地基增強系統發展的重要因素。筆者在進行網絡RTK測試時發現,即使使用3G通信,當用戶處于高速運動狀態時,信號在不同的移動基站間切換,以及信號通過多點反射到達用戶設備,整周模糊度需要更長的時間來固定,有時甚至中斷。因此,移動通信技術在北斗地基增強系統中至關重要。

2.1 NMEA0183協議

NMEA0183是定義GNSS接收機輸出信息的協議,也是使用最廣泛的協議,大多數GNSS接收機、數據處理軟件都兼容此協議。NMEA0183的串口通信協議是:1個起始位,1個停止位,8個數據位,無奇偶檢校位,缺省波特率為4 800。NMEA0183格式的關鍵字含義如表1所示。

表1 NMEA0183關鍵字定義

隨著衛星系統的增加,每個系統的報文頭都不一樣,GP代表GPS,BD代表北斗衛星,GL代表GLONASS,GN代表多系統的衛星。對于GNSS接收機,常用到語句如表2所示。

用戶設備向數據中心發送的NMEA0183中的＄XXGGA語句,數據中心根據＄XXGGA中的用戶概略位置,生成差分信息。＄XXGGA主要包含了時間、經緯度、定位質量、海拔高度、高程異常等信息。標準格式為

＄XXGGA<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh

其中每個字段的含義和取值范圍如表3所示。

表2 NMEA0183常用語句

表3 $XXGGA各字段含義和取值范圍

其中,<6>:衛星系統狀態,各數字含義為0:未定位;1:單點定位;2:差分定位;3:PPS解;4:RTK固定解;5:RTK浮點解;6估計值;7:手動輸入模式;8:模擬模式。

2.2 NTRIP協議

NTRIP協議是基于HTTP協議進行差分數據傳輸的應用層協議[7]。因此,數據流的傳輸要靠TCP鏈接來實現。所有的RTK數據格式(RTCM、CMR、CMR+、NCT等)都能被傳輸,NTRIP協議還支持BINEX、SP3、RINEX、RAW、SAPOS-Adv等數據格式。NTRIP由NtripCaster(處理中心)、NtripServer(服務器端)和NtripClient(客戶端)三部分組成。NTRIP系統的原理如圖5所示,流程如下:

1) NtripClient將自身掛載點(MountPoint)發送給NtripCaster;

2) NtripCaster對收到請求信息進行認證。認證成功,NtripCaster記錄NtripClient 的IP地址,并發送NtripCaster中的源表信息(SourceTable)到NtripClient;

3) NtripClient收到源表信息后,選擇合適的掛載點,再向NtripCaster發送請求;

4) NtripCaster收到請求,并根據NtripClient的掛載點為其選擇符合要求的NtripServer,NtripServer要求NtripSource生成相應的差分信息;

5) NtripCaster將相應的差分信息發送給NtripClient,以實現NtripClient所需的服務。

NTRIP是一個應用層協議,用戶通過互聯網連接到數據中心。北斗地基增強系統采用NTRIP協議有以下優點:

1) NTRIP是一個公開的、非私有的協議,所有的程序、軟件只要按照NTRIP協議的規定,便可以進行數據傳輸;

2) NTRIP協議不僅適用差分數據的傳輸,也支持其他GNSS產品數據;

3) 在安全性方面,數據提供商和用戶之間不直接通信,減少了數據中心服務器被攻擊的可能性,同時數據流也不易被本地防火墻或代理服務器所屏蔽[8];

4) 用戶需要使用用戶名和密碼才能登錄到數據中心,方便實現對用戶權限的管理;

5) NTRIP 協議支持多用戶同時訪問數據中心,數據中心可以為用戶提供多種數據流服務。

2.3 RTCM數據

數據中心計算出用戶的差分信息后,需要對差分信息進行編碼,然后形成二進制數據流,按照NTRIP協議發送到用戶設備。在所有的GNSS差分改正數據中RTCM數據是最常用的。RTCM數據是由國際海運事業無線電技術委員會(RTCM)設立的SC-104專門委員會制定的,由一系列二進制編碼數據流組成。目前最新版本的RTCM數據是2013年發布的RTCM3.2標準格式。RTCM3.2采用了OSI(Open System Interconnection)模型進行定義,包含應用層、表達層、傳輸層、數據鏈路層以及物理層,其中表達層和傳輸層對編碼、解碼最重要。表達層定義了差分的具體協議和電文格式[9],其數據架構包括數據字段和消息類型。RTCM3.2具體的信息類型如表4所示。

表4 RTCM3.2信息類型[10]

組名信息內容電文類型狀態空間差分參數GPS軌道改正1057GPS時鐘改正1058GPS碼偏差1059GPS軌道與時鐘組合1060GPS用戶測距精度(URA)1061GPS高頻時鐘改正1062GLONASS軌道改正1063GLONASS時鐘改正1064GLONASS碼偏差1065GLONASS軌道與時鐘組合1066GLONASS用戶測距精度(URA)1067GLONASS高頻時鐘改正1068專有信息/4001-4087

傳輸層定義了發送或接收RTCM3.2的信息框架結構,這一層主要是為了用戶對數據進行解碼,其框架結構如表5所示。引導字即數據頭,是固定的,用于判斷二進制數據流起始位置;保留字未被定義,設為“000000”;消息長度是指可變長度數據信息的具體字節數,用于截取信息內容;CRC校驗用于判斷接收數據是否正確。

表5 RTCM3.2信息框架結構

RTCM3.2較之前的版本,增加了多種網絡RTK信息,提出了多信號電文組(MSM),包括BDS和Galileo電文。但是在多信號電文組中只為北斗制定了10條電文,由于未定義BDS坐標系統,使得北斗在大多數應用中無法獨立工作[11]。因此,我國需要積極參與制定RTCM標準,爭取將BDS更多信息加入RTCM,這對于北斗在全球化發展有著十分重要的意義。

3 結束語

在北斗地基增強系統中主要是參考站與數據中心、數據中心與用戶之間的數據通信。參考站采集的原始觀測數據根據Internet網絡或多串口卡通過SDH專線傳輸至數據中心,用戶與數據中心采用3G等技術實現數據交互。所有數據傳輸的關鍵在于數據流的實時性、高效性、安全性、可靠性,可以說數據通信是北斗地基增強系統的神經系統,保證各子系統連接暢通無阻,是整個系統的重要組成部分。隨著國家級和省級的北斗地基增強系統陸續建成,北斗地基增強系統將會在氣象監測、精密位置授時、地球物理、GNSS衛星精確定軌、智能交通等領域發揮更大作用。

[1] 閆建巧,陳明劍,汪威,等.基于地基增強系統的增強PPP技術[J.全球定位系統,2016,41(2):50-54,59.

[2] 劉天恒,陳明劍,尹子明,汪威,閆建巧. 基于北斗地基增強系統RTD精度分析[C]//第七屆中國衛星導航學術年會,2016.

[3] 吳俐民,洪濤,丁仁軍.VPN技術在昆明市GPS參考站系統中的應用研究[J].城市勘測,2008(2):43-45.

[4] 鄧琳,李廣俠,田世偉,等. GNSS/CORS無線通信技術研究[C]//第二屆中國衛星導航學術年會,2011.

[5] 顏琳. 北斗/GPS雙模CORS網研制與測試技術研究[D].上海:上海交通大學,2013.

[6] 卞歡歡.微地震信號的無線數據采集與網絡化傳輸[D].北京:北京信息科技大學,2014.

[7] 徐建民.GPS CORS系統中NTRIP傳輸技術的應用研究[J].現代測繪,2008,31(5):22-23.

[8] 楊汀. 網絡RTK定位精度影響因子與GNSS數據網絡傳輸研究[D].北京:中國礦業大學(北京),2010.

[9] 朱靜然,潘樹國,孔麗珍. DGPS數據格式RTCM3.1介紹及編解碼方法[C]//第四屆中國衛星導航學術年會,2013.

[10] RTCM. RTCM special committee no.104. RTCM-standard 10403.2 for differential GNSS[S].2006.

[11] 吳海玲,李作虎,劉暉. 關于北斗加入RTCM國際標準的總體研究[J]. 全球定位系統,2014,39(1):27-33.

The Data Communication Based on Beidou GBAS

LIU Tianheng,CHEN Mingjian,ZHANG Shuwei,ZHOU Runyang,LI Ying

(1.CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China;2.BeiDouNavigationTechnologyCollaborativeInformationCenter,Zhengzhou450001,China)

Data communication is an indispensable part of improving the navigation accuracy and positioning accuracy of the Beidou GBAS, and plays a key role in the system. Based on the Beidou GBAS, the paper gives a brief introduction to the system, and discusses the TCP/IP and RS232 mode used by the reference station and the data center for data communication. For the user and data center, the paper analysis of the NMEA0183 information, NRTIP and RTCM data, describes the improvement of RTCM3.2 over the previous version. Finally, the paper summaries the role of data communication in Beidou GBAS, and prospects the application foreground.

BDS GBAS; TCP/IP; NMEA0183; NTRIP; RTCM

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.013

2016-11-08

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0065-06

劉天恒 (1990-),男,碩士生,主要研究方向為地基增強系統RTD技術研究。

陳明劍 (1976-),男,教授,主要研究方向為斗地基增強系統建設及其應用。

張樹為 (1989-),男,碩士生,主要研究方向為GNSS精密單點定位相關技術。

聯系人: 劉天恒E-mail:liutianheng137@163.com