基于RTCM3.2標準的GNSS差分數據解碼研究及算法實現

王民 ,王解先

（1.同濟大學，上海 200030；2.湖北億伽通科技有限公司，上海 200030）

1 RTCM3.2標準

RTCM 104專業委員會的主要研究方向為差分全球導航衛星系統(DGNSS)，負責制修訂差分GNSS的系列標準。目前最新的版本是2016年12月7日發布的“差分GNSS服務第三版”(RTCM 10403.3，Differential GNSS Service Version3)。

RTCM 104標準協議是基于開放式系統互聯標準模型(Open System Interconnection standard reference model，OSI)建立，包括應用層、表示層、傳輸層、數據鏈路層及物理層。本文主要涉及RTCM 10403.2解碼內容，主要針對的是傳輸層和表示層。

1.1 傳輸層(Transport Layer)

傳輸層定義了發送或接收RTCM-3數據的幀結構，一條完整的RTCM-3語句由以下幾部分組成：一個固定長度的前導字、保留字、一個信息長度、一條可變長度的信息、一個24比特的周期冗余校驗碼，具體的幀結構如下表1所示：

表1 RTCM-3幀結構

1.2 表示層(Presentation Layer)

RTCM3.2增加了MSM(Multiple Signal Messages，多信號電文組)電文組，用來取代RTCM-3現有的一些電文類型 (如，MT1001-1004，MT1009-1012)，并提供了對 BDS、Gelileo等越來越多的導航衛星系統以及未來可用信號的支持。MSM用更加通用的方式來表示GNSS接收機觀測信息，可以更加便捷地進行編碼和解碼，具有更好的靈活性和可擴展性。

1.2.1 MSM電文結構

MSM的電文結構由頭信息、衛星數據以及信號數據三部分（如下表2所示）組成。

表2 MSM電文結構

①衛星掩碼(DF395，GNSS Satellite mask)表示本條電文中可用數據的衛星，它是一個64 位的二進制bit序列，其中，最高位對應ID為1的衛星，最低位為對應ID為64的衛星。若衛星的數據可用，則對應的比特位置為1；否則，對應的比特位置為0。

②信號掩碼(DF395，GNSS Signal mask)。信號掩碼(DF395，GNSS Signal mask)表示本條電文中可用的衛星信號，它是一個32 位的二進制bit序列，其中最高位對應ID為1的衛星信號，最低位為對應ID為32的衛星信息。若信號數據可用，則對應的比特位置為1；否則，對應的比特位置為0。

③單元掩碼 (DF396，GNSS Cell mask)。單元掩碼(DF396，GNSS Cell mask)是一個二維表，長度為Nsat*Nsig(可用衛星數乘以可用信號數)，其中行表示本條電文中可用的信號ID(信號掩碼中設置為1的信號)，列表示本條電文中可用的衛星ID(衛星掩碼中設置為1的衛星)，若對應衛星/信號可用，則對應的比特位置為1；否則，對應的比特位置為0。此二維表采用列信息（以衛星為單元）進行打包編碼。

RTCM3.2 MSM電文的這種編碼方式，被稱為“內循環”的數據組織方式，這種方式不同于RTCM之前版本的以衛星或信號類別組織數據的方式，而是以數據類型進行組織的。以MSM4電文為例，在衛星數據塊中，先依次存儲所有衛星的第一個數據類型的數據（DF397，概略偽距的整數秒數），再依次存儲所有衛星的第二個數據類型的數據（DF398，概略偽距的不足整數秒數），依次類推。同樣的，在信號數據塊中，先依次存儲所有衛星/信號的第一個數據類型數據（DF400，精確偽距值），再依次存儲所有衛星/信號的第二個數據類型數據（DF401，精確相位值）依次類推[1]。

在大多數的實時數據傳輸應用中，為了確保在一條RTCM-3電文中傳輸一條完整的MSM信息，GNSS Cell mask的比特位數一般要求小于 64(X≤64，如 Nsat≤16，Nsig≤4)。若X≥64，如Nsat=14，Nsig=6)，則編碼時必須使用兩條單獨的RTCM-3電文來進行編碼，如第一條電文包括7顆衛星和6個信號，第二條電文包括7顆衛星和6個信號。同時，必須在確保“多電文比特位(Multiple Message Bit)”字段設置正確。

1.2.2 MSM觀測值表示及計算

在MSM電文中，所有觀測值（偽距、相位）都是以時間單位“毫秒”表示的，并且設定光速，各觀測值的計算公式如下：

①標準精度電文

偽距 (米)=c/1000*(Nms+Rough_range/1024+2-24*Fine_Pseudorange)

相位 (米)=c/1000*(Nms+Rough_range/1024+2-29*Fine_PhaseRange)

相位變化率（米/秒）=Rough_PhaseRangeRate+0.0001*Fine_PhaseRangeRate

②高精度電文

偽距 (米)=c/1000*(Nms+Rough_range/1024+2-29*Fine_Pseudorange)，

相位 (米)=c/1000*(Nms+Rough_range/1024+2-31*Fine_PhaseRange)，

相位變化率（米/秒）=Rough_PhaseRangeRate+0.0001*Fine_PhaseRangeRate，

2 RTCM32 解碼設計

根據RTCM3標準對GNSS數據格式的定義，進行數據的解碼。解碼流程如“圖1 RTCM3解碼數據流程圖”所示，在接收RTCM3數據后，第一步先判斷第一個8位的比特是否為引導字，若是引導字，則繼續判斷下一個6位的比特是否為0，如果是，則根據下一個10位的比特來獲取信息長度n，獲取信息長度后，需要判斷余下的字節是否大于n+3個字節，若字節數充足，則獲取n+3個字節，并計算電文的CRC 校驗碼，并與電文給出的CRC校驗碼進行比較，如果不同，則說明電文有誤，應丟棄，如果相同，則檢驗通過，進入RTCM3數據解碼階段，按照RTCM3的電文結構，將相應的數據解析出來，并恢復成正確的值。

圖1 RTCM3解碼數據流程圖

在解碼MSM電文時，由于MSM1～MSM3電文中沒有距離的整毫秒部分，因此，需要根據基準站的坐標及衛星星歷進行計算恢復。

3 數據測試與分析

本測試使用Trimble R10接收機作為基準站，設置RTCM32數據作為輸出流。同時保存Rinex原始數據格式，作為參照依據，與解碼后的RTCM32數據進行對比，分析RTCM32 1074/1084/1124語句解析的正確性。觀測歷元的頭信息對比，本測試選取了2018年12月17日02：20～02：30之間共10組數據進行了對比分析，每個歷元的頭信息，主要包括歷元時間、衛星數等。

從分析結果可知，每個歷元頭信息的解析，跟Rinex原始觀測數據完全一致，說明RTCM32 MSM的頭信息解析無誤。

在規定的時間段中，選取GPS13號衛星的偽距信息，對其10個歷元的L1/L2偽距數據進行對比分析。分析結果顯示，L1/L2 偽距的最大差值為0.0009m，最小差值為0.0m，平均差值為0.0006m。由于Rinex文件中偽距的取值精確到小數位后3位，所以以上偽距的差值可認為在誤差范圍之內，滿足要求，說明RTCM32 MSM4數據解碼無誤。