常用GPS载波相位差分电文格式分析与比较

文章编号:100723817(2003)0520029202中图分类号:P228.41 文献标识码:B 常用GPS载波相位差分电文格式分析与比较

张九宴　刘　晖　黄其欢

(武汉大学GPS工程技术研究中心,武汉市珞喻路129号,430079)

摘　要　介绍了差分GPS传输载波相位差分信息的常用电文格式,比较了其优缺点,提出了在低带宽的条件下

更适合采用CMR格式的结论。

关键词　数据链;数据格式;RTCM;CMR

实时载波相位差分技术,由于其定位精度高、速度快已经得到了广泛应用[1]。但是该定位模式除了需要用户拥有GPS接收机外,还需要基准站和数据通信链。基准站接收机将接收到的所有的卫星信息,经基准站的控制器(计算机)处理,数据链将处理得到的信息连同基准站自身的一些信息发

月为全球推广应用差分GPS业务设立了SC2104专门委员会,制定各种数据格式标准。最早于1985年发表了RTCM Ⅴ1.0版本的建议文件。现在广泛应用于RT K的是1994年正式公布的Ⅴ2.1和1998年公布的Ⅴ2.2。Ⅴ2.1主要增加了与实时动态定位(RT K)有关的电文,Ⅴ2.2增加了支持G LONASS差分导航电文。RTCM标准最多能定义64种电文,已定义的有34种,电文由二进制编码的数据流组成。德国GEO++系统为了更好地传输F KP区域改正参数,重新定义了RTCM的私有电文Type59,称为RTCM++,在RTCM++的基准上,SAPOS系统制订了RTCM2Adv标准。

1)RTCM的通用电文格式。每种电文由(N+2)个字组成,电文头两个字,称为通用电文,数据部分为可变长度N 个字组成。每个字由30bit构成,可分解为5个6bit的字节, 25bit～30bit构成字节5,为奇偶校验码,以校验接收到的RTCM数据。每种电文的电文头(通用电文)的格式和内容相同,主要包含了用于解码的同步信息引导字、电文类型识别、基准站识别、修正Z计数、序号、帧长和卫星状况。其中Z 计数的意义和GPS导航电文的Z计数相同,范围是1h,但其分辨率已从6s提高到0.6s。具体格式可见文献[2]。

2)用于RT K主要电文格式。已定义的电文中用于RT K的是Type3,Type22和Type18221这6种电文。Type3和Type22发送的基准站坐标的信息,这些信息在一定的时间内是不发生变化的。其中Type3提供的是基准站在WGS2 84坐标系中的坐标信息。Type18221提供的是观测量信息,这是两套实用于RT K的电文,其中Type18/19提供的是未加改正的原始观测值,定位精度达到厘米级;Type20/21提供的是差分改正数,定位精度为分米级。Type18发送的是原始未加改正的以周为单位的载波相位观测值,主要包括载波识别、观测时间、码识别、卫星识别以及原始载波相位观测值等。其中载波相位观测值占32位,精度为1/256周,范围是±8388608周。电文Type19为原始的以m为单位的伪

位,精度为0.02,范围是85899345.90m,和的格式完全相同,长度相等,只是内容稍有差别。

提供的是载波相位改正数,Type21则是伪距改正数

。

[2]。

CMR(Compact Measurement Record)是Trimble公司于1996年开始设计的一套用于RT K的差分格式标准,主要是针对RTCM格式的码发送率必须高于4800bis/s这一不足之处而制订的,CMR的码发送率只有RTCM的一半,即2400bis/s。现在使用的是2001年公布的Ⅴ2.0。

1)CMR电文格式。用3位表示电文的类型,最多可定义8种电文。每种电文由帧头/尾、电文头和数据三部分组成。帧头/尾由6byte构成,其中帧头4byte,帧尾标准是2byte,但是有的电文类型不是2byte,比如电文1是31byte。电文头6byte,数据部分长度不定。

2)用于RT K主要电文格式[3,4]。主要电文是Type0, Type1和Type3。Type0主要发送的是由GPS卫星得到的L1,L2载波相位和伪距观测值。电文头包括了参考站的编号、电文类型等信息。数据一部分是载波L1上的观测值,包含L1上的原始伪距观测值(24bit)、L1相位观测值和L1伪距之差(20bit)、L1的信噪比等信息。另一部分是L2上的观测值,包含L2的伪距和L1的伪距之差(16bit)、L2的相位观测值和L1的伪距之差(20bit),L2的信噪比等信息。而Type3发送的是由G LONASS卫星得到的载波相位和伪距观测值。具体可参见文献[3]

电文Type1发送的是参考站的坐标信息,数据部分19byte,包含天线相位中心在WGS284坐标系中的坐标、天线高、地面点和天线相位之间的偏差以及坐标的精度等。说明参考站名称,点的特征等信息是由Type2发送,Type2由ASCII码构成,应用时可以不用发播。

由于参考站的信息是不变的,不需要每秒更新一次,一

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般是10s～15s发送一次。正是基于这个原因,Trimble对原来的数据格式进行了改进。将参考站的信息分成多个子帧,比如分成15子帧,每子帧长度约为60bit。每个子帧在Type0发送之后接着发送[3],这样进一步减小了在1s内需要发送的最大数据量。

3　RTCM与CMR的比较分析

相同特性。CMR的作用相当于RTCM的电文Type18/ 19的作用,它们都能达到厘米级的定位精度。使用RTCM 的T ype18/19和CMR差分电文,用户定位的计算方法不同的厂家使用的方法亦是不同的,有的可能和静态定位一样使用最小二乘的方法,有的可能是使用卡尔漫滤波的方法。

不同特性。作为两种差分电文格式的不同之处主要有以下5点。

1)发送的电文内容不同。RTCM发送的均是原始观测值,而CMR只有一项是原始观测值,其他的是对应的差值,这样减小了在单位时间内发送的数据量。比如,发送L1载波的伪距原始观测值,其他值发送的则是原始观测值和L1的伪距之差,此差的变化范围相对原始观测值来说要小得多。这样就达到了对原始观测值进行压缩的目的。观测时间也仅发送真实时间值除以240s的余数,流动站接收后参照自己的时间便可确定准确的GPS时。经过压缩处理CMR 发送的内容不同于RTCM,全是原始的观测值。

2)电文的编码方式不同。CMR是在每种电文末尾用两个字节进行校验,而RTCM是在每个字末尾用5bit进行奇偶校验,即是每30bit就有5bit用于奇偶校验,这样有很多的字节用于奇偶校验,增加了电文的数据量。

3)电文长度不同。根据RTCM和CMR格式标准的编码方式,假设观测到的卫星数位N,RTCM标准中使用的是Type3,18,19,22这4种电文;CMR标准是Type0,Type1和Type3这3种电文,则总的电文长度(以bit为单位)分别由下式计算:

L rtcm=(6+23(3+N32)+23(3+N32)+5)3538 L cmr=(6+N3(8+(FR EQ-1)37)+25+97)38

应用上面的公式,表1RTCM和CMR最大最小的数据量具体地比较了在相同的条件下,使用双频接收机,得到的各自发送的最大最小数据量,最小数据量发生在只发送观测值的时刻。

4)对数据链的数据传输速率要求不同。CMR的带宽只有RTCM的一半,RTCM要求数据链的带宽不低于4800 bit/s,而CMR要求有2400bit/s就够了。

5)实验表明CMR的定位速度远比RTCM快。

表1　RTCM和CMR最大最小数据量/bit 卫星数RTCM(最大/最小)CMR(最大/最小)

42200/1760728/528

52520/2080848/648

73160/27201088/888

93800/33601328/1128

104120/36801448/1248

124760/43201688/1488

4　结束语

从上面的分析比较可知,CMR数据格式满足了低带宽

通信要求,降低了对通信的要求,更适合在我国使用。RTCM是最早使用的一种国际通用格式,而且还可以用于伪距差分,但是现在标准的RTCM格式不能满足RT K测量技术的发展,必须要有一套新的数据格式或是对现有的数据格式进行完善与发展。

参考文献

[1]　刘经南,陈俊勇,张燕平,等.广域差分GPS原理与方法[M].

北京:测绘出版社,1999.

[2]　RTCM Special Committee No.104.RTCM Recommended Stan2

dards for Differential GNSS[S].Radio Technical Commission for

Maritime Services,1998.

[3]　Talbot N pact Data Transmission Standard for High2Preci2

sion GPS[EB/OL].ftp:///put/survey/cmr/

cmr.doc,2002206208

[4]　Talbot N C.Improvements in the Compact Measurement Record

Format[EB/OL].ftp:///put/survey/cmr/cmr.

doc,2002206208

[5]　李洪涛,许国昌,薛鸿印,等.GPS应用程序设计[M].北京:科

学出版社,1999.

　收稿日期:2002209206./修回日期:2002211211.

作者简介:张九宴,硕士研究生,现研究D GPS的差分信息产生及其编码。

E2m ail:jiuyanzhang@

ANAL YSIS AND COMPARISON OF CARRIER PH ASE D GPS DATA FORMATS

ZH ANG Jiuyan　LI U Hui　H UANG Qihuan

(Research Center of GPS,Wuhan University,129Luoyu Road,Wuhan430079,China)

ABS TRACT　This paper describes the carrier phase differential GPS data formats in common use in

the differential GPS system and discusses their development,formats and transmitted information by

taking RTCM and CMR as examples.Their advantages and disadvantages are discussed and a con2

clusion is drawn that it is better to use CMR data format in low bandwidth condition.

KEY WO RDS　data link;data format;RTCM;CMR

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