卫星导航定位算法与程序设计-第6课常用gnss协议

主讲：刘晖副教授武汉大学卫星导航定位技术研究中心卫星导航定位算法与程序设计单点定位算法的课程路线关于单点定位数据模型回顾单点定位总体设计GNSS中的协议矩阵函数编码实现各个模块时间算法坐标算法文件I/O卫星位置计算各项改正计算联合调试提交成果第六讲GNSS中常见协议协议分类常见协议分类按通用性通用协议专用协议按存储方式文本协议二进制协议按应用场合文件协议通信协议………已成为标准的协议企业自己的协议以可读的ASCII表示用二进制或十六进制表示用于形成文件用于进行数据通信内容文本协议

文件协议：RINEX

通信协议：NMEA-0183……二进制协议

差分协议：RTCMSC-104，CMR，Ntrip

实时通信协议：RT17，Gril，等等……RINEX

接收机自主交换格式（TheReceiverIndependentExchangeFormat）

由AstronomicalInstituteoftheUniversityofBerne开发1989Version11990Version2增加对其它卫星的支持2.102.11增加了L2C观测值和GEO卫星导航电文2.202007Version3完善RINEX

固定格式，用可读的ASCII码构成

三种文件1.观测数据文件，ObservationdataFile2.导航信息文件，NavigationmessageFile3.气象数据文件，MeteorologicaldataFile文件名约定文件结构文件头和文件体

文件头给出文件的一般信息

每行一条记录文件体由数据记录组成文件头60列之前是数据区，60列之后是标记区

每行是一个记录文件头的读取

方法

读取一行

按照标识来查找符合要求的数据C#中用strstr函数来从字符串中查找字符串

经过类型转换后赋值文件体

由多条数据记录组成

每条数据记录的第一个字段以起始或时间开头3.0以前是以历元时刻开始

3.0以后是以“>”开始

数据记录的格式2.0到2.2基本相同，3.0完全不同RINEX2.10文件体结构RINEX2.20文件体结构RINEX3.0文件体结构完整的RINEX3.0格式文件体的读取方法

读取一行

查找有无COMMENT字符串

读取时间，卫星数

根据版本不同，按照卫星数来读取观测值

卫星观测值结构体的赋值历元记录的读取流程NMEA-0183

国家海洋电子协会标准0183NATIONALMARINEELECTRONICSASSOCIATION定义了航海设备之间的电气接口和数据协议，目前已成为卫星导航设备必备的协议之一1992推出版本2.0，目前已达到4.0NMEA-0183的电气接口RS-232或RS-422

标准接口配置4800bps，8数据位，1停止位，无校验、NMEA-0183的组成由若干条语句组成，

每条语句由可读ASCII码构成

每条语句以”$”开头，以回车换行为结束NMEA-0183通用格式

报文：$ttsss,d1,d2,....<CR><LF>tt：发送器标识符，表示是什么类型的设备输出的语句sss：语句标识

d1,d2,……数据区<CR><LF>语句结束的回车换行NMEA-0183发送器标识符AGAutopilot-GeneralAPAutopilot-MagneticCDCommunications–DigitalSelectiveCalling(DSC)CRCommunications–Receiver/BeaconReceiverCSCommunications–SatelliteCTCommunications–Radio-Telephone(MF/HF)CVCommunications–Radio-Telephone(VHF)CXCommunications–ScanningReceiverDFDirectionFinderECElectronicChartDisplay&InformationSystem(ECDIS)EPEmergencyPositionIndicatingBeacon(EPIRB)EREngineRoomMonitoringSystemsGPGlobalPositioningSystem(GPS)HCHeading–MagneticCompassHEHeading–NorthSeekingGyroHNHeading–NonNorthSeekingGyroIIIntegratedInstrumentationINIntegratedNavigationLCLoranCPProprietaryCodeRARADARand/orARPASDSounder,DepthSNElectronicPositioningSystem,other/generalSSSounder,ScanningTITurnRateIndicatorVDVelocitySensor,Doppler,other/generalDMVelocitySensor,SpeedLog,Water,MagneticVWVelocitySensor,SpeedLog,Water,MechanicalWIWeatherInstrumentsYXTransducerZATimekeeper–AtomicClockZCTimekeeper–ChronometerZQTimekeeper–QuartzZVTimekeeper–RadioUpdate,WWVorWWVHGNSS中常用的语句GPGGAGPRMCGPGSVGPGGA语句GPRMC语句GPGSV语句NMEA-0183示例$GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,,0000*77

$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*54

$GPVTG,359.95,T,,M,15.15,N,28.0,K,A*04

$GPGGA,121253.000,3937.3090,N,11611.6057,E,1,06,1.2,44.6,M,-5.7,M,,0000*72

$GPGSA,A,3,14,15,05,22,18,26,,,,,,,2.1,1.2,1.7*3D

$GPGSV,3,1,10,18,84,067,23,09,67,067,27,22,49,312,28,15,47,231,30*70

$GPGSV,3,2,10,21,32,199,23,14,25,272,24,05,21,140,32,26,14,070,20*7E

$GPGSV,3,3,10,29,07,074,,30,07,163,28*7DNMEA-0183的解码流程NMEA-0183校验

是$号后到校验位前所有字符的异或和

可以用+的方式得到checksum1最后的校验位是两位ASCII码可以用sbytea1=c1-’0’,sbytea2=c2-’0’的方式获得16进制数sbytechecksum0=(a1<<8)|(a2)如果两者一致，通过内容文本协议

文件协议：RINEX

通信协议：NMEA-0183……二进制协议

差分协议：RTCMSC-104，CMR，Ntrip

实时通信协议：RT17，Gril，等等……GNSS常见的协议文本协议——ASCII码协议RINEXNMEA-0183……二进制协议

差分协议：RTCMSC-104，CMR，Ntrip

实时通信协议：RT17，Gril，等等……二进制协议

二进制协议多用于实时通信场合

二进制协议实质是一串来自端口的16进制数字流，数据流可以分为若干数据帧

数据帧结构基本可分为：引导区：包含同步位，帧长度等信息数据区：包括有效数据校验区：引导区和数据区的校验和

二进制协议的解码关键是建立帧同步。同步位可能在数据区中反复出现，不能仅靠判断同步位就建立帧同步，必须依靠校验来建立帧同步RTCMSC-104协议国际海运事业无线电技术委员会（RadioTechnicalCommissionforMaritimeServices）于1983.11成立的SC-104专业委员会推出的用于航海卫星导航差分的协议

国际航空无线电技术委员会（RadioTechnicalCommissionforAeronauticservice）129专业委员会制定了RTCASC-159协议各类差分格式的发展历史RTCMRTCASP3198519901995200020052010SC-104成立1983.1110403.12006.10.2710403.1-Am32009.6Scat-11993.4V1.01985.11V2.01990.1.1V2.11994.1.3V2.21998.1.15V2.32001.8.20NTRIPV1.02004.8.20NTRIPV2.02009.6SC-159成立10403.1-Am22007.8.3110403.1-Am12007.5.21SP1,ECF1SP2,ECF2EF13SP3,ECF3EF18RTCMSC-104的发展版本发行日期主要内容NtripV2.02009.6在NtripV1.0上的完善NtripV1.02004.8.20提供在网络上对RTCM协议的支持V3.02006-2009新协议，与2.x不再兼容，对网络RTK提供支持V2.32001.8.20在V2.2基础上增加了23和24语句（天线参考类型）V2.21998.1.15在V2.1基础上增加了对GLONASS差分的支持V2.11994.1.3在V2.0基础上增加了载波相位差分V2.01990.1.1仅支持伪距差分V1.01995.1草稿，针对GPS差分使用国内常用的RTCM协议版本V2.3格式差分电文由若干帧电文组成，每帧电文由若干个电文字组成每个电文字长度均为30bit，电文字最后的6bit是校验区，校验算法与GPS卫星导航电文的校验算法相同。每帧电文包括2个字的标准电文头，N个字的数据（N范围从0到31），总长度为N+2个电文字。每帧电文中最多可包含N=31个30bit字的数据，全长共33个电文字。不同类型的电文N值不同，同类电文的N值也有可能不同。电文类型6或34等没有数据的补空电文仅由2个30bit字的电文头组成，其N=0。电文数据电文字头V2.3电文通用格式

每帧电文由若干个30bit的字组成，由两个标准电文字头开始。每帧含有N+2个字，后N个字为电文数据。30bit……字1字2字3字N1+2……第1帧字1字2字3字N2+2……第2帧字1字2字3字Nm+2……第m帧V2.3的电文头V2.3的电文数据区四种语句最终定义的，且在今后不会改变的电文称为固定类电文（fixed）。有试验性质，格式暂不固定的电文称为暂定类电文（tentative）。预留的，用于特定用途的电文称为保留类电文（reserve）。未定义用途和内容及格式的电文称为未定义类（undefined）V2.3语句伪距离差分(CDGPS)电文主要电文类型：电文类型1、2：伪距改正值及其变化率；电文类型9：局部卫星改正数集合；电文类型3：基准站坐标；电文类型5：卫星健康状态；电文类型16：文本等特殊信息。播发内容（括号内电文为可选项）：1、2、（3、16、5）9、（3、16、5）电文类型1电文类型2伪距改正数的计算—基准站参考时刻t0的伪距改正数（PRC）（以下记为PRC(t0)）是计算的几何距离与改正后的伪距观测值差值t0为电文头中的改进Z计数。改正后的伪距观测值是原始伪距观测值消除以下影响后得到的：——以米为单位的接收机钟差；——tGD，即卫星L1和L2信号的群延迟差；——以米为单位的卫星钟差；——以米为单位的卫星相对论影响改正。伪距改正数的计算—基准站卫星导航电文发生变化时，参考站应首先使用新旧两套导航电文计算出两组伪距改正数和距离变化率改正数：PRC(oldIOD)和RRC(oldIOD)，以及PRC(newIOD)和RRC(newIOD)。然后下式进行求差计算，得到DELTA伪距改正数(DELTAPRC)和DELTA距离变化率改正数(DELTARRC)。DELTAPRC=PRC(oldIOD)-PRC(newIOD)…（3）式（3）中：DELTAPRC——电文类型2中的DELTA伪距改正数；PRC(oldIOD)——旧IOD时刻的伪距改正数；PRC(newIOD)——新IOD时刻的伪距改正数。DELTARRC=RRC(oldIOD)-RRC(newIOD)…（4）式（4）中：DELTARRC——电文类型2中的DELTA距离变化率改正数；RRC(oldIOD)——旧IOD时刻的距离变化率的改正数；RRC(newIOD)——新IOD时刻的距离变化率的改正数。参考站进行数据编码和发播时，应同时广播电文类型1和电文类型2。在电文类型1中使用新的导航电文计算的伪距改正数和距离变化率改正数，即PRC(newIOD)和RRC(newIOD)。在电文类型2中按式（3）和式（4）计算DELTA伪距改正数（DELTAPRC）和DELTA距离变化率改正数（DELTARRC）。参考站应在导航电文变化后几分钟时间内连续广播电文类型2，以保证用户有足够的时间更新所有可见卫星的导航电文。伪距改正数的计算—用户在GPS时间t时，某颗卫星的伪距改正数PRC(t)应按下式计算：PRC(t)=PRC(t0)+RRC×(t-t0)………….（1）式（1）中：PRC(t)——用户在t时刻的伪距改正数，单位为米（m）；PRC(t0)——电文类型1中的伪距改正数（PRC），单位为米（m）；RRC——电文类型1中的距离变化率改正数（RRC），单位为米每秒（m/s）；t——观测值的GPS时刻，单位为秒（s）；t0——电文头中的改进Z计数，单位为秒（s）。用户的伪距观测值PRM(t)加上改正数后可得到改正后的伪距值，见下式：PR(t)=PRM(t)+PRC(t)…………（2）式（2）中：PR(t)——改正后的伪距观测值，单位为米（m）。PRM(t)——用户在t时刻的伪距观测值，单位为米（m）；PRC(t)——用户在t时刻的伪距改正数，单位为米（m）；式（1）和式（2）计算时应注意比例因子的使用。伪距改正数的计算—用户使用与电文类型2中IOD一致的导航电文计算卫星位置和时钟；其次取得电文类型1数据；最后按下式计算正确的伪距改正数：………（5）式（5）中：PRC(t)——用户在t时刻的伪距改正数；PRC(newIOD)——来自电文类型1中的伪距改正数；RRC(newIOD)——来自电文类型1中的距离变化率改正数；DELTAPRC——来自电文类型2中的DELTA伪距改正数；DELTARRC——来自电文类型2中的DELTA距离变化率改正数；t——观测值的GPS时刻；t1——电文类型1的改进Z计数；t2——电文类型2的改进Z计数。对每颗卫星都按照式（5）（1）（2）进行计算，完成伪距改正处理后，即可进入后续的定位及导航计算。载波相位差分电文

成组出现,电文类型18/19和电文类型20/21主要电文类型：电文类型18、19：未改正的载波和伪距观测值；电文类型20、21：进行了卫星误差和接收机钟差改正后的载波和伪距观测值；电文类型3：基准站坐标；电文类型5：卫星健康状态；电文类型16：文本等特殊信息。播发内容（括号内电文为可选项）：18、19、3、（5、16）20、21、3、（5、16）电文类型1