劉天恒,陳明劍,張樹為,周潤楊,李瀅

(1.信息工程大學 導(dǎo)航與空天目標工程學院,河南 鄭州 450001; 2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新,河南 鄭州 450001)

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北斗地基增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(dǎo)航與空天目標工程學院,河南 鄭州 450001; 2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新,河南 鄭州 450001)

數(shù)據(jù)通信是實現(xiàn)北斗地基增強系統(tǒng)高精度導(dǎo)航、定位不可或缺的部分,在系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。首先探討了北斗地基增強系統(tǒng)參考站與數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)通信所用到的TCP/IP和RS232接入模式,其次,針對用戶與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通信,分析了NMEA0183信息、NRTIP協(xié)議和RTCM數(shù)據(jù),并闡述了RTCM3.2較以前版本的改進內(nèi)容。

北斗地基增強系統(tǒng);TCP/IP協(xié)議;NMEA0183;NTRIP協(xié)議;RTCM

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),能夠為已覆蓋的亞太地區(qū)提供定位、導(dǎo)航、授時和短報文通信服務(wù)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在航空航天、氣象預(yù)報、環(huán)境監(jiān)測、測繪、車輛監(jiān)管等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但有時系統(tǒng)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(tǒng)作為提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的高效、可靠手段,是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[1]。北斗地基增強系統(tǒng)具有定位精度高、完備性好、可提供多元化服務(wù)等優(yōu)點,基于“全國一張網(wǎng)”的目標,當前全國各省市都在如火如荼地建設(shè)北斗地基增強系統(tǒng)[2]。

北斗地基增強系統(tǒng)由參考站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理與控制中心、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)和用戶設(shè)備四部分組成,如圖1所示。

1) 參考站主要功能是采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)等;

2) 數(shù)據(jù)中心主要功能是數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)管理、遠程監(jiān)控、用戶管理等;

3) 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要負責參考站、數(shù)據(jù)中心和用戶設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸、通信;

4) 用戶設(shè)備主要功能是采集、存儲衛(wèi)星數(shù)據(jù)和利用RTCM或CMR等數(shù)據(jù)提高自身定位精度。

在北斗地基增強系統(tǒng)運行中,數(shù)據(jù)通信起著關(guān)鍵作用,參考站網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心和用戶設(shè)備之間的連接都依靠網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)服務(wù)的連續(xù)性、可靠性關(guān)鍵在于各部分間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸能力[3]。

在北斗地基增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信中,參考站將原始觀測數(shù)據(jù)通過SDH專線實時傳輸至數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心實時處理各參考站數(shù)據(jù)。用戶設(shè)備將自身的NMEA0183數(shù)據(jù)通過3G、GPRS或其他無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心生成用戶的RTCM、CMR或其他差分改正信息,并根據(jù)NTRIP協(xié)議通過3G等無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)送至用戶設(shè)備。數(shù)據(jù)通信流程如圖2所示。因此,在數(shù)據(jù)傳輸通信服務(wù)中,又分為兩類通信方式:參考站-數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)中心-用戶設(shè)備。本文首先介紹了參考站-數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)通信所用到的TCP/IP和RS232兩種接入模式。其次,針對數(shù)據(jù)中心-用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)通信,分析了傳輸數(shù)據(jù)的通信技術(shù),并對傳輸?shù)腘MEA0183信息、NRTIP協(xié)議和RTCM數(shù)據(jù)進行了介紹,闡述了RTCM3.2較以前版本的改進內(nèi)容。最后總結(jié)了數(shù)據(jù)通信在地基增強系統(tǒng)中的重要性。

1 參考站-數(shù)據(jù)中心通信

由于參考站傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù),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(shù)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(shù)據(jù)中心端不低于N*64kbps(N為參考站數(shù)量),最低為2 Mbps[4].參考站與數(shù)據(jù)中心的通信,常采用Internet網(wǎng)絡(luò)(TCP/IP接入)、多串口卡(RS232接入)或兩者混合接入模式將原始數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心。

1.1 TCP/IP接入模式

在TCP/IP接入模式下,參考站與數(shù)據(jù)中心采用Internet網(wǎng)絡(luò)通信時,以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)中心對應(yīng)每個參考站都有相應(yīng)的IP端口,參考站根據(jù)此端口向數(shù)據(jù)中心發(fā)送請求,數(shù)據(jù)中心會接收連接并開始向參考站發(fā)送數(shù)據(jù)。同時,數(shù)據(jù)中心需要實時開放并監(jiān)聽此端口,以保障 CORS 系統(tǒng)通信鏈路的暢通與連續(xù)[5]。這種模式下參考站與數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)中心均配置調(diào)制解調(diào)器,接收機原始觀測數(shù)據(jù)通過RS232線發(fā)送到參考站的調(diào)制解調(diào)器,數(shù)據(jù)中心的調(diào)制解調(diào)器通過SDH專線接收數(shù)據(jù)并傳輸至多串口卡,然后通過多串口卡將各參考站的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。這種模式下參考站與數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)[5]如圖4所示。

2 數(shù)據(jù)中心-用戶設(shè)備通信

用戶設(shè)備通常由GNSS接收機、移動電話或PDA組成。用戶設(shè)備獲取自身NMEA0183信息,通過3G等技術(shù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。然后數(shù)據(jù)中心針對用戶的NMEA0183信息生成差分改正信息,并根據(jù)數(shù)據(jù)中心與用戶設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)傳輸通信協(xié)議(NTRIP協(xié)議)通過3G等技術(shù)發(fā)送到用戶設(shè)備。

數(shù)據(jù)中心與用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)交互主要依靠3G或GPRS技術(shù)。GPRS即通用分組無線服務(wù)技術(shù),它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的時分多址(TDMA)信道,提供中速的數(shù)據(jù)傳遞[6]。其最佳狀態(tài)下理論最大傳輸速率為171.2 kbps.隨著移動通信技術(shù)的發(fā)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(yīng)用中,移動通信技術(shù)是一個制約北斗地基增強系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。筆者在進行網(wǎng)絡(luò)RTK測試時發(fā)現(xiàn),即使使用3G通信,當用戶處于高速運動狀態(tài)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(shè)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(shù)在北斗地基增強系統(tǒng)中至關(guān)重要。

2.1 NMEA0183協(xié)議

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

表1 NMEA0183關(guān)鍵字定義

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

用戶設(shè)備向數(shù)據(jù)中心發(fā)送的NMEA0183中的＄XXGGA語句,數(shù)據(jù)中心根據(jù)＄XXGGA中的用戶概略位置,生成差分信息。＄XXGGA主要包含了時間、經(jīng)緯度、定位質(zhì)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(wèi)星系統(tǒng)狀態(tài),各數(shù)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(xié)議

NTRIP協(xié)議是基于HTTP協(xié)議進行差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用層協(xié)議[7]。因此,數(shù)據(jù)流的傳輸要靠TCP鏈接來實現(xiàn)。所有的RTK數(shù)據(jù)格式(RTCM、CMR、CMR+、NCT等)都能被傳輸,NTRIP協(xié)議還支持BINEX、SP3、RINEX、RAW、SAPOS-Adv等數(shù)據(jù)格式。NTRIP由NtripCaster(處理中心)、NtripServer(服務(wù)器端)和NtripClient(客戶端)三部分組成。NTRIP系統(tǒng)的原理如圖5所示,流程如下:

1) NtripClient將自身掛載點(MountPoint)發(fā)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(fā)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(fā)送請求;

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

5) NtripCaster將相應(yīng)的差分信息發(fā)送給NtripClient,以實現(xiàn)NtripClient所需的服務(wù)。

NTRIP是一個應(yīng)用層協(xié)議,用戶通過互聯(lián)網(wǎng)連接到數(shù)據(jù)中心。北斗地基增強系統(tǒng)采用NTRIP協(xié)議有以下優(yōu)點:

1) NTRIP是一個公開的、非私有的協(xié)議,所有的程序、軟件只要按照NTRIP協(xié)議的規(guī)定,便可以進行數(shù)據(jù)傳輸;

2) NTRIP協(xié)議不僅適用差分數(shù)據(jù)的傳輸,也支持其他GNSS產(chǎn)品數(shù)據(jù);

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

4) 用戶需要使用用戶名和密碼才能登錄到數(shù)據(jù)中心,方便實現(xiàn)對用戶權(quán)限的管理;

5) NTRIP 協(xié)議支持多用戶同時訪問數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心可以為用戶提供多種數(shù)據(jù)流服務(wù)。

2.3 RTCM數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流,按照NTRIP協(xié)議發(fā)送到用戶設(shè)備。在所有的GNSS差分改正數(shù)據(jù)中RTCM數(shù)據(jù)是最常用的。RTCM數(shù)據(jù)是由國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會(RTCM)設(shè)立的SC-104專門委員會制定的,由一系列二進制編碼數(shù)據(jù)流組成。目前最新版本的RTCM數(shù)據(jù)是2013年發(fā)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(yīng)用層、表達層、傳輸層、數(shù)據(jù)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(xié)議和電文格式[9],其數(shù)據(jù)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)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(nèi)容電文類型狀態(tài)空間差分參數(shù)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(fā)送或接收RTCM3.2的信息框架結(jié)構(gòu),這一層主要是為了用戶對數(shù)據(jù)進行解碼,其框架結(jié)構(gòu)如表5所示。引導(dǎo)字即數(shù)據(jù)頭,是固定的,用于判斷二進制數(shù)據(jù)流起始位置;保留字未被定義,設(shè)為“000000”;消息長度是指可變長度數(shù)據(jù)信息的具體字節(jié)數(shù),用于截取信息內(nèi)容;CRC校驗用于判斷接收數(shù)據(jù)是否正確。

表5 RTCM3.2信息框架結(jié)構(gòu)

RTCM3.2較之前的版本,增加了多種網(wǎng)絡(luò)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(tǒng),使得北斗在大多數(shù)應(yīng)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(fā)展有著十分重要的意義。

3 結(jié)束語

在北斗地基增強系統(tǒng)中主要是參考站與數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)中心與用戶之間的數(shù)據(jù)通信。參考站采集的原始觀測數(shù)據(jù)根據(jù)Internet網(wǎng)絡(luò)或多串口卡通過SDH專線傳輸至數(shù)據(jù)中心,用戶與數(shù)據(jù)中心采用3G等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵在于數(shù)據(jù)流的實時性、高效性、安全性、可靠性,可以說數(shù)據(jù)通信是北斗地基增強系統(tǒng)的神經(jīng)系統(tǒng),保證各子系統(tǒng)連接暢通無阻,是整個系統(tǒng)的重要組成部分。隨著國家級和省級的北斗地基增強系統(tǒng)陸續(xù)建成,北斗地基增強系統(tǒng)將會在氣象監(jiān)測、精密位置授時、地球物理、GNSS衛(wèi)星精確定軌、智能交通等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

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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(tǒng)RTD技術(shù)研究。

陳明劍 (1976-),男,教授,主要研究方向為斗地基增強系統(tǒng)建設(shè)及其應(yīng)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(guān)技術(shù)。

聯(lián)系人: 劉天恒E-mail:liutianheng137@163.com