衛(wèi)星導(dǎo)航定位算法與程序設(shè)計(jì)-第6課常用gnss協(xié)議

主講：劉暉副教授武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心衛(wèi)星導(dǎo)航定位算法與程序設(shè)計(jì)單點(diǎn)定位算法的課程路線關(guān)于單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)模型回顧單點(diǎn)定位總體設(shè)計(jì)GNSS中的協(xié)議矩陣函數(shù)編碼實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊時(shí)間算法坐標(biāo)算法文件I/O衛(wèi)星位置計(jì)算各項(xiàng)改正計(jì)算聯(lián)合調(diào)試提交成果第六講GNSS中常見協(xié)議協(xié)議分類常見協(xié)議分類按通用性通用協(xié)議專用協(xié)議按存儲(chǔ)方式文本協(xié)議二進(jìn)制協(xié)議按應(yīng)用場(chǎng)合文件協(xié)議通信協(xié)議………已成為標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議企業(yè)自己的協(xié)議以可讀的ASCII表示用二進(jìn)制或十六進(jìn)制表示用于形成文件用于進(jìn)行數(shù)據(jù)通信內(nèi)容文本協(xié)議

文件協(xié)議：RINEX

通信協(xié)議：NMEA-0183……二進(jìn)制協(xié)議

差分協(xié)議：RTCMSC-104，CMR，Ntrip

實(shí)時(shí)通信協(xié)議：RT17，Gril，等等……RINEX

接收機(jī)自主交換格式（TheReceiverIndependentExchangeFormat）

由AstronomicalInstituteoftheUniversityofBerne開發(fā)1989Version11990Version2增加對(duì)其它衛(wèi)星的支持2.102.11增加了L2C觀測(cè)值和GEO衛(wèi)星導(dǎo)航電文2.202007Version3完善RINEX

固定格式，用可讀的ASCII碼構(gòu)成

三種文件1.觀測(cè)數(shù)據(jù)文件，ObservationdataFile2.導(dǎo)航信息文件，NavigationmessageFile3.氣象數(shù)據(jù)文件，MeteorologicaldataFile文件名約定文件結(jié)構(gòu)文件頭和文件體

文件頭給出文件的一般信息

每行一條記錄文件體由數(shù)據(jù)記錄組成文件頭60列之前是數(shù)據(jù)區(qū)，60列之后是標(biāo)記區(qū)

每行是一個(gè)記錄文件頭的讀取

方法

讀取一行

按照標(biāo)識(shí)來查找符合要求的數(shù)據(jù)C#中用strstr函數(shù)來從字符串中查找字符串

經(jīng)過類型轉(zhuǎn)換后賦值文件體

由多條數(shù)據(jù)記錄組成

每條數(shù)據(jù)記錄的第一個(gè)字段以起始或時(shí)間開頭3.0以前是以歷元時(shí)刻開始

3.0以后是以“>”開始

數(shù)據(jù)記錄的格式2.0到2.2基本相同，3.0完全不同RINEX2.10文件體結(jié)構(gòu)RINEX2.20文件體結(jié)構(gòu)RINEX3.0文件體結(jié)構(gòu)完整的RINEX3.0格式文件體的讀取方法

讀取一行

查找有無COMMENT字符串

讀取時(shí)間，衛(wèi)星數(shù)

根據(jù)版本不同，按照衛(wèi)星數(shù)來讀取觀測(cè)值

衛(wèi)星觀測(cè)值結(jié)構(gòu)體的賦值歷元記錄的讀取流程N(yùn)MEA-0183

國家海洋電子協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)0183NATIONALMARINEELECTRONICSASSOCIATION定義了航海設(shè)備之間的電氣接口和數(shù)據(jù)協(xié)議，目前已成為衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備必備的協(xié)議之一1992推出版本2.0，目前已達(dá)到4.0NMEA-0183的電氣接口RS-232或RS-422

標(biāo)準(zhǔn)接口配置4800bps，8數(shù)據(jù)位，1停止位，無校驗(yàn)、NMEA-0183的組成由若干條語句組成，

每條語句由可讀ASCII碼構(gòu)成

每條語句以”$”開頭，以回車換行為結(jié)束NMEA-0183通用格式

報(bào)文：$ttsss,d1,d2,....<CR><LF>tt：發(fā)送器標(biāo)識(shí)符，表示是什么類型的設(shè)備輸出的語句sss：語句標(biāo)識(shí)

d1,d2,……數(shù)據(jù)區(qū)<CR><LF>語句結(jié)束的回車換行NMEA-0183發(fā)送器標(biāo)識(shí)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中常用的語句GPGGAGPRMCGPGSVGPGGA語句GPRMC語句GPGSV語句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的解碼流程N(yùn)MEA-0183校驗(yàn)

是$號(hào)后到校驗(yàn)位前所有字符的異或和

可以用+的方式得到checksum1最后的校驗(yàn)位是兩位ASCII碼可以用sbytea1=c1-’0’,sbytea2=c2-’0’的方式獲得16進(jìn)制數(shù)sbytechecksum0=(a1<<8)|(a2)如果兩者一致，通過內(nèi)容文本協(xié)議

文件協(xié)議：RINEX

通信協(xié)議：NMEA-0183……二進(jìn)制協(xié)議

差分協(xié)議：RTCMSC-104，CMR，Ntrip

實(shí)時(shí)通信協(xié)議：RT17，Gril，等等……GNSS常見的協(xié)議文本協(xié)議——ASCII碼協(xié)議RINEXNMEA-0183……二進(jìn)制協(xié)議

差分協(xié)議：RTCMSC-104，CMR，Ntrip

實(shí)時(shí)通信協(xié)議：RT17，Gril，等等……二進(jìn)制協(xié)議

二進(jìn)制協(xié)議多用于實(shí)時(shí)通信場(chǎng)合

二進(jìn)制協(xié)議實(shí)質(zhì)是一串來自端口的16進(jìn)制數(shù)字流，數(shù)據(jù)流可以分為若干數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)基本可分為：引導(dǎo)區(qū)：包含同步位，幀長度等信息數(shù)據(jù)區(qū)：包括有效數(shù)據(jù)校驗(yàn)區(qū)：引導(dǎo)區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的校驗(yàn)和

二進(jìn)制協(xié)議的解碼關(guān)鍵是建立幀同步。同步位可能在數(shù)據(jù)區(qū)中反復(fù)出現(xiàn)，不能僅靠判斷同步位就建立幀同步，必須依靠校驗(yàn)來建立幀同步RTCMSC-104協(xié)議國際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會(huì)（RadioTechnicalCommissionforMaritimeServices）于1983.11成立的SC-104專業(yè)委員會(huì)推出的用于航海衛(wèi)星導(dǎo)航差分的協(xié)議

國際航空無線電技術(shù)委員會(huì)（RadioTechnicalCommissionforAeronauticservice）129專業(yè)委員會(huì)制定了RTCASC-159協(xié)議各類差分格式的發(fā)展歷史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的發(fā)展版本發(fā)行日期主要內(nèi)容NtripV2.02009.6在NtripV1.0上的完善NtripV1.02004.8.20提供在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)RTCM協(xié)議的支持V3.02006-2009新協(xié)議，與2.x不再兼容，對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK提供支持V2.32001.8.20在V2.2基礎(chǔ)上增加了23和24語句（天線參考類型）V2.21998.1.15在V2.1基礎(chǔ)上增加了對(duì)GLONASS差分的支持V2.11994.1.3在V2.0基礎(chǔ)上增加了載波相位差分V2.01990.1.1僅支持偽距差分V1.01995.1草稿，針對(duì)GPS差分使用國內(nèi)常用的RTCM協(xié)議版本V2.3格式差分電文由若干幀電文組成，每幀電文由若干個(gè)電文字組成每個(gè)電文字長度均為30bit，電文字最后的6bit是校驗(yàn)區(qū)，校驗(yàn)算法與GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文的校驗(yàn)算法相同。每幀電文包括2個(gè)字的標(biāo)準(zhǔn)電文頭，N個(gè)字的數(shù)據(jù)（N范圍從0到31），總長度為N+2個(gè)電文字。每幀電文中最多可包含N=31個(gè)30bit字的數(shù)據(jù)，全長共33個(gè)電文字。不同類型的電文N值不同，同類電文的N值也有可能不同。電文類型6或34等沒有數(shù)據(jù)的補(bǔ)空電文僅由2個(gè)30bit字的電文頭組成，其N=0。電文數(shù)據(jù)電文字頭V2.3電文通用格式

每幀電文由若干個(gè)30bit的字組成，由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電文字頭開始。每幀含有N+2個(gè)字，后N個(gè)字為電文數(shù)據(jù)。30bit……字1字2字3字N1+2……第1幀字1字2字3字N2+2……第2幀字1字2字3字Nm+2……第m幀V2.3的電文頭V2.3的電文數(shù)據(jù)區(qū)四種語句最終定義的，且在今后不會(huì)改變的電文稱為固定類電文（fixed）。有試驗(yàn)性質(zhì)，格式暫不固定的電文稱為暫定類電文（tentative）。預(yù)留的，用于特定用途的電文稱為保留類電文（reserve）。未定義用途和內(nèi)容及格式的電文稱為未定義類（undefined）V2.3語句偽距離差分(CDGPS)電文主要電文類型：電文類型1、2：偽距改正值及其變化率；電文類型9：局部衛(wèi)星改正數(shù)集合；電文類型3：基準(zhǔn)站坐標(biāo)；電文類型5：衛(wèi)星健康狀態(tài)；電文類型16：文本等特殊信息。播發(fā)內(nèi)容（括號(hào)內(nèi)電文為可選項(xiàng)）：1、2、（3、16、5）9、（3、16、5）電文類型1電文類型2偽距改正數(shù)的計(jì)算—基準(zhǔn)站參考時(shí)刻t0的偽距改正數(shù)（PRC）（以下記為PRC(t0)）是計(jì)算的幾何距離與改正后的偽距觀測(cè)值差值t0為電文頭中的改進(jìn)Z計(jì)數(shù)。改正后的偽距觀測(cè)值是原始偽距觀測(cè)值消除以下影響后得到的：——以米為單位的接收機(jī)鐘差；——tGD，即衛(wèi)星L1和L2信號(hào)的群延遲差；——以米為單位的衛(wèi)星鐘差；——以米為單位的衛(wèi)星相對(duì)論影響改正。偽距改正數(shù)的計(jì)算—基準(zhǔn)站衛(wèi)星導(dǎo)航電文發(fā)生變化時(shí)，參考站應(yīng)首先使用新舊兩套導(dǎo)航電文計(jì)算出兩組偽距改正數(shù)和距離變化率改正數(shù)：PRC(oldIOD)和RRC(oldIOD)，以及PRC(newIOD)和RRC(newIOD)。然后下式進(jìn)行求差計(jì)算，得到DELTA偽距改正數(shù)(DELTAPRC)和DELTA距離變化率改正數(shù)(DELTARRC)。DELTAPRC=PRC(oldIOD)-PRC(newIOD)…（3）式（3）中：DELTAPRC——電文類型2中的DELTA偽距改正數(shù)；PRC(oldIOD)——舊IOD時(shí)刻的偽距改正數(shù)；PRC(newIOD)——新IOD時(shí)刻的偽距改正數(shù)。DELTARRC=RRC(oldIOD)-RRC(newIOD)…（4）式（4）中：DELTARRC——電文類型2中的DELTA距離變化率改正數(shù)；RRC(oldIOD)——舊IOD時(shí)刻的距離變化率的改正數(shù)；RRC(newIOD)——新IOD時(shí)刻的距離變化率的改正數(shù)。參考站進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼和發(fā)播時(shí)，應(yīng)同時(shí)廣播電文類型1和電文類型2。在電文類型1中使用新的導(dǎo)航電文計(jì)算的偽距改正數(shù)和距離變化率改正數(shù)，即PRC(newIOD)和RRC(newIOD)。在電文類型2中按式（3）和式（4）計(jì)算DELTA偽距改正數(shù)（DELTAPRC）和DELTA距離變化率改正數(shù)（DELTARRC）。參考站應(yīng)在導(dǎo)航電文變化后幾分鐘時(shí)間內(nèi)連續(xù)廣播電文類型2，以保證用戶有足夠的時(shí)間更新所有可見衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。偽距改正數(shù)的計(jì)算—用戶在GPS時(shí)間t時(shí)，某顆衛(wèi)星的偽距改正數(shù)PRC(t)應(yīng)按下式計(jì)算：PRC(t)=PRC(t0)+RRC×(t-t0)………….（1）式（1）中：PRC(t)——用戶在t時(shí)刻的偽距改正數(shù)，單位為米（m）；PRC(t0)——電文類型1中的偽距改正數(shù)（PRC），單位為米（m）；RRC——電文類型1中的距離變化率改正數(shù)（RRC），單位為米每秒（m/s）；t——觀測(cè)值的GPS時(shí)刻，單位為秒（s）；t0——電文頭中的改進(jìn)Z計(jì)數(shù)，單位為秒（s）。用戶的偽距觀測(cè)值PRM(t)加上改正數(shù)后可得到改正后的偽距值，見下式：PR(t)=PRM(t)+PRC(t)…………（2）式（2）中：PR(t)——改正后的偽距觀測(cè)值，單位為米（m）。PRM(t)——用戶在t時(shí)刻的偽距觀測(cè)值，單位為米（m）；PRC(t)——用戶在t時(shí)刻的偽距改正數(shù)，單位為米（m）；式（1）和式（2）計(jì)算時(shí)應(yīng)注意比例因子的使用。偽距改正數(shù)的計(jì)算—用戶使用與電文類型2中IOD一致的導(dǎo)航電文計(jì)算衛(wèi)星位置和時(shí)鐘；其次取得電文類型1數(shù)據(jù)；最后按下式計(jì)算正確的偽距改正數(shù)：………（5）式（5）中：PRC(t)——用戶在t時(shí)刻的偽距改正數(shù)；PRC(newIOD)——來自電文類型1中的偽距改正數(shù)；RRC(newIOD)——來自電文類型1中的距離變化率改正數(shù)；DELTAPRC——來自電文類型2中的DELTA偽距改正數(shù)；DELTARRC——來自電文類型2中的DELTA距離變化率改正數(shù)；t——觀測(cè)值的GPS時(shí)刻；t1——電文類型1的改進(jìn)Z計(jì)數(shù)；t2——電文類型2的改進(jìn)Z計(jì)數(shù)。對(duì)每顆衛(wèi)星都按照式（5）（1）（2）進(jìn)行計(jì)算，完成偽距改正處理后，即可進(jìn)入后續(xù)的定位及導(dǎo)航計(jì)算。載波相位差分電文

成組出現(xiàn),電文類型18/19和電文類型20/21主要電文類型：電文類型18、19：未改正的載波和偽距觀測(cè)值；電文類型20、21：進(jìn)行了衛(wèi)星誤差和接收機(jī)鐘差改正后的載波和偽距觀測(cè)值；電文類型3：基準(zhǔn)站坐標(biāo)；電文類型5：衛(wèi)星健康狀態(tài)；電文類型16：文本等特殊信息。播發(fā)內(nèi)容（括號(hào)內(nèi)電文為可選項(xiàng)）：18、19、3、（5、16）20、21、3、（5、16）電文類型1