CN114553982A - 一种应用于gnss的n-rtk差分增强服务的数据编码方法及数据传输方法 - Google Patents

一种应用于gnss的n-rtk差分增强服务的数据编码方法及数据传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于GNSS的N‑RTK差分增强服务的数据编码方法及数据传输方法，通过采用相对量编码方法进行数据编码和通过采用字符编码转义方法进行数据编码，实现对伪距和相位值进行统一表达，以及从根本上消除伪记录标志头，降低协议解析难度，减少出错概率；以及通过采用分星座和多头消息进行统一数据打包，实现从物理上降低冗余数据量，减少增强服务数据量大小。

Description

一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据编码方法及数 据传输方法
技术领域
本发明属于全球卫星导航定位技术领域，具体涉及一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据编码方法及数据传输方法。
背景技术
鉴于全球卫星导航定位系统(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)在实际应用中受相对论效应、钟误差、卫星星历误差、电离层延迟、对流层延迟、多路径误差、以及其它误差如地球自转、天线相位缠绕和天线相位中心误差等多种因素影响，因此，在实际的GNSS高精度定位应用中需要对上述影响因素进行消除或改正，不同的GNSS差分增强服务模型和系统在不同时期孕育而生。目前使用较多的GNSS差分增强服务模型和系统主要包括PPP(Precise Point Positioning，简称：PPP)、RTK(Real-Time Kinematic，简称RTK)、Network RTK(简称N-RTK)、PPP-AR和PPP-RTK模型等。
N-RTK差分增强服务模型采用在需要GNSS高精定位终端的位置周边，一般为3到5千米范围内，根据GNSS固定参考基站的连续卫星观测数据生成一个VRS(VirtualReference Station，简称VRS)虚拟的参考站，通过实时发布VRS的连续卫星观测值获取GNSS高精定位终端的高精度定位。N-RTK差分增强服务通常采用1赫兹的发布频率发布卫星观测值，卫星观测值内容包括伪距、相位和信噪比等。每秒的卫星观测值又被称为历元，每个历元中包括1到N条消息或记录。
目前主流N-RTK差分增强服务通常采用NTtrip(Networked transport of RTCMvia Internet Protocol，简称NTtrip)应用协议，其中数据编码方式采用RTCM(RadioTechnical Commission for Maritime Services，简称RTCM)协议编码标准。Ntrip是一个GNSS信息交互的协议簇，其中定义了各种信息系统和交互协议和标准，信息系统包括NtripCaster、NtripClient和NtripServer等。通常N-RTK差分增强服务提供方采用NtripCaster模型，N-RTK差分增强服务使用方采用NtripClient模型。
RTCM协议编码标准是基于流式的增强服务，GNSS增强服务按记录进行组织，每个记录只包含1条消息，服务记录通过消息头进行标识(RTCM 2.x版本采用0xD2，RTCM 3.x版本采用0xD3)。通常情况下，历元中会包含多条消息记录。总整体上看，RTCM在历元内总消息层面会出现不少数据冗余，约增加20％左右。又因为服务消息之间只有消息头而没有消息转义机制，且消息头标志往往不唯一；因此在流式消息的解析过中经常出现伪消息头情况；处理伪消息头不仅增加了消息解析的难度，而且容易出错。
发明内容
发明目的：为解决现有N-RTK差分增强服务中存在的解析难度大、出错概率高、数据数量大的问题，本发明提出了一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据编码方法及数据传输方法。
技术方案：一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据编码方法，包括：采用相对量编码方法进行数据编码的步骤、采用字符编码转义方法进行数据编码的步骤、采用分星座和多头消息进行统一数据打包的步骤中的任意一种或多种；
其中，所述的采用相对量编码方法进行数据编码的步骤，包括：
采用根据式(1)至式(3)计算得到的相位差分值来表示相位；
Figure BDA0003516810050000021
Figure BDA0003516810050000022
相位观测值-计算相位＝相位差分值 (3)
其中，所述的采用字符编码转义方法进行数据编码的步骤，包括：
定义标识头为差分增强数据包的开始标志，以及定义一转义符，以及定义第一替换字符和第二替换字符；
在数据播发前，将数据流中出现的与转义符相同的字符统一替换成第一替换字符，以及将与标识头同字符的伪标识头统一替换成第二替换字符；
对于差分增强服务的使用方，采用逆操作进行解码，通过识别标识头，断定新数据达到和当前数据结束；
所述的采用分星座和多头消息进行统一数据打包的步骤，包括：
按星座进行分类，对每个星座而言，将本星座内1到N个独立的消息中的差分增强服务数据格式的二级版本号、差分增强服务类型和版本号、数据体长度、历元时间标识和消息数量统一打包存放在数据头内；将本星座内1到N个独立的消息中的消息体按顺序存放在数据体内；
由数据头和数据体构成差分增强服务数据包。
进一步的，所述的消息体采用自解码机制，所述自解码机制为支持根据消息类型码值和消息类型定义无歧义解析消息内容。
进一步的，所述的消息体采用字节码对齐机制进行编译。
进一步的，还包括对伪距进行编码的步骤；
所述的对伪距进行编码的步骤，包括：
将伪距的具体数据拆分成高5位值和低6位值，编码时，将伪距的高5位值保存在卫星上，伪距的低6位值保存在卫星的不同频点上；
解码时，将伪距的高5位值恢复到卫星的不同频点上。
本发明还公开了一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据传输方法，包括：
采用上述公开的一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据编码方法进行数据编码；
采用NTtrip应用协议实现N-RTK差分增强服务提供方与N-RTK差分增强服务使用方之间的网络通讯。
进一步的，所述N-RTK差分增强服务提供方采用NtripCaster模型，所述N-RTK差分增强服务使用方采用NtripClient模型。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明通过添加符，从根本上消除了伪记录标志头，降低协议解析难度，以及减少了出错概率；
(2)本发明采用了分星座和多头消息进行统一数据打包的策略从物理上降低了冗余数据量，减少了增强服务数据量大小；
(3)本发明采用基于相位差分值的相对量编码方法，将卫星观测值中的伪距和相位值两大主要的数据进行数据表示统一，用相位差分值表示相位值，从而大幅度降低了GNSS观测值数据量大小。
附图说明
图1为添加转义符后的一示例示意图；
图2为差分增强服务数据包结构示意图；
图3为转义处理编码流程图；
图4为转义处理解码流程图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
以RTCM V3.x版本为例，该版本采用“D3”作为记录开始标志，“D3”数据在流式数据中经常出现，因并不是消息头而称为伪记录开始标志。因此，在流式服务解析中需要通过对“D3”后面的数据进行多次尝试解析、校验和分析；如果不是消息头，则需要重新丢弃后寻找后面的“D3”标志，直到能正确解析出正确的历元记录为止。在高并发和高实时性的N-RTK差分增强发布服务中，因发布服务集群的处理性能、网络带宽等资源限制，一个历元的数据经常会多次发送才能完成。N-RTK增强服务的使用方也会多次尝试才能都到一个完整历元数据，这时消除“D3”伪记录头获取正确的消息就会非常复杂。
因此，本发明在N-RTM的流式差分增强服务数据传输过程中添加转义符，彻底消除伪记录头标识，降低了N-RTM流程消息的解析难度、并避免了出错概率。参见图1。具体操作步骤包括：
定义0x7C为差分增强数据包的开始标志，定义0x7D为转义符；
在数据播发前，统一将数据流中出现的0x7D统一用0x7D 0x01代替，将0x7C统一用0x7D 0x02代替。这样就彻底消除了伪标识头0x7C的出现。在GNSS差分增强服务使用方在解码时采用逆操作。转义处理编解码流程参加图3和图4。
对于N-RTK差分增强的使用方只有判断0x7C字符在数据流出现情况，就可断定是新的差分增强数据包达到和当前的差分增强数据包结束。本发明不仅彻底消除了伪记录标识头的出现，并且大幅减低了数据解析的难度，同时减少了解析过程出错概率。
RTCM采用服务数据记录和消息体一对一的策略，每条消息都包括有消息头和消息体。通常在一个历元中有几十个记录不等，每个记录都必须包括包头、校验码、消息头、消息基础定义等数据。因此，在一个历元中几十个消息将会引入100个左右字节的冗余数据量。
为此，本发明的N-RTK差分增强服务中历元采用多头记录统一打包机制，不仅支持一个记录存放多条消息，而且支持将多条记录打包在一个数据块中。本发明通过将重复数据项合并后剔除冗余项，从物理减少了差分增强服务在历元上的消息数据量。具体编码操作为：
按星座进行分类，对每个星座而言，将本星座内1到N个独立的消息采用多消息统一打包机制，统一打包为差分增强服务数据包，该差分增强服务数据包包括数据头和数据体，参见图2。且在每个消息内不再记录星座和周内秒等数据。
数据头内含差分增强服务数据格式的二级版本号、差分增强服务类型和版本号、数据体长度、历元时间标识和消息数量等字段。在消息内不再存放包括上述内容的字段，从物理上大幅度剔除了重复字段。
在数据体内顺序存放1到N个独立的消息体。消息体采用自解码机制，即支持根据消息类型码值和消息类型定义无歧义解析消息内容。独立的消息体均采用字节码对齐机制，降低了因字段内数据位偏移带来的解析难度。
N-RTK差分增强技术主要使用在VRS上连续播发多星座卫星在不同频点上的观测值，观测值主要包括伪距、相位和信噪比等信息。
其中，伪距是VRS虚拟天线的位置到卫星的近似距离，通常精确到毫米。伪距和卫星轨道高度有关，中轨道卫星(Middle Earth Orbit，简称MEO)的轨道高度通常为20000千米，同步轨道卫星(Geostationary Earth Orbit，简称GEO)的轨道高度为35786千米。每个星座的每颗卫星包括2-3个频点，每个频点的观测值包括伪距、相位和信噪比三部分。因此，伪距的表示范围需要用11个有效数字表示，可参见如下的GPS和BDS的伪距数据样例。以下样例为一些卫星到基站在不同频点的距离，也就是伪距，单位米。GPS伪距样例：
Figure BDA0003516810050000041
Figure BDA0003516810050000051
BDS伪距样例：
Figure BDA0003516810050000052
从中可以看出，同一卫星在不同频点上的伪距的高5位是一样的。差分数据编码时将伪距的高5位值保存在卫星上，伪距的低6位值保存在卫星的不同频点上，差分数据解码时恢复将伪距的高5位到不同的频点上。
其中，相位是表示卫星信号从卫星传输到VRS虚拟天线需要的周数，单位精确到千分之一周。一周也就可以理解为具体卫星信号频点上的载波波长。通常需要12个消息数字表示，可参考如下GPS和BDS的载波样例：
GPS载波值样例：
示例1(L1)115124784.861
示例2(L2)89707610.420
示例3(L5)85969790.948
BDS载波值样例：
示例1(B1)118317015.554
示例2(B2)96142242.561
示例3(B3)91490207.518
由上可知，伪距和相位属于不同的数据表示模型。
本发明通过采用基于相位差分值的相对量编码机制，来实现大幅降低服务数据内容的目的。即将GNSS观测值中的伪距和相位值两大主要的数据表示模型统一为相同数据模型，通过相位差分值实现用伪距表示相位值，用相位差分值表示相位值，从而大幅度降低了GNSS观测值数据量大小。
以上提及的基于相位差分值的相对编码机制，包括以下步骤：
将同一卫星频点的相位比伪距值大一个数量级，但相位可以用伪距值进行变换后和实际值进行差分表示。具体计算过程如下：
Figure BDA0003516810050000053
Figure BDA0003516810050000054
相位观测值-计算相位＝相位差分值 (3)
也就是说，光速为已知值，载波频率为已知值，当伪距和相位差分值已知时，即可得到相位观测值。
参见表1和表2，通过分析，相位差分值通常有6个有效数字，当采用相位差分值来表示相位时，每个频点的相位减少了6个数字。
表1：基础参数表
光速取值：299792458m/s
Figure BDA0003516810050000061
表2：样例数据分析
Figure BDA0003516810050000062
本发明还公开了一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据传输方法，包括：
采用上述公开的数据编码方法进行数据编码；
采用NTtrip应用协议实现N-RTK差分增强服务提供方与N-RTK差分增强服务使用方之间的网络通讯。其中，N-RTK差分增强服务提供方采用NtripCaster模型，所述N-RTK差分增强服务使用方采用NtripClient模型。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图中的每一流程。可提供这些计算机程序指令到计算机，使计算机执行的指令产生用于实现在流程图中一个流程或多个流程指定的功能的作用。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机，使得在计算机执行一系列操作步骤以完成处理，从而在计算机执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据编码方法，其特征在于：包括：采用相对量编码方法进行数据编码的步骤、采用字符编码转义方法进行数据编码的步骤、采用分星座和多头消息进行统一数据打包的步骤中的任意一种或多种；
其中，所述的采用相对量编码方法进行数据编码的步骤，包括：
采用根据式(1)至式(3)计算得到的相位差分值来表示相位；
Figure FDA0003516810040000011
Figure FDA0003516810040000012
相位观测值-计算相位＝相位差分值 (3)
其中，所述的采用字符编码转义方法进行数据编码的步骤，包括：
定义标识头为差分增强数据包的开始标志，以及定义一转义符，以及定义第一替换字符和第二替换字符；
在数据播发前，将数据流中出现的与转义符相同的字符统一替换成第一替换字符，以及将与标识头同字符的伪标识头统一替换成第二替换字符；
对于差分增强服务的使用方，采用逆操作进行解码，通过识别标识头，断定新数据达到和当前数据结束；
所述的采用分星座和多头消息进行统一数据打包的步骤，包括：
按星座进行分类，对每个星座而言，将本星座内1到N个独立的消息中的差分增强服务数据格式的二级版本号、差分增强服务类型和版本号、数据体长度、历元时间标识和消息数量统一打包存放在数据头内；将本星座内1到N个独立的消息中的消息体按顺序存放在数据体内；
由数据头和数据体构成差分增强服务数据包。
2.根据权利要求1所述的一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据编码方法，其特征在于：所述的消息体采用自解码机制，所述自解码机制为支持根据消息类型码值和消息类型定义无歧义解析消息内容。
3.根据权利要求1所述的一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据编码方法，其特征在于：所述的消息体采用字节码对齐机制进行编译。
4.根据权利要求1所述的一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据编码方法，其特征在于：还包括对伪距进行编码的步骤；
所述的对伪距进行编码的步骤，包括：
将伪距的具体数据拆分成高5位值和低6位值，编码时，将伪距的高5位值保存在卫星上，伪距的低6位值保存在卫星的不同频点上；
解码时，将伪距的高5位值恢复到卫星的不同频点上。
5.一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据传输方法，其特征在于：包括：
采用如权利要求1至4任意一项所述的一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据编码方法进行数据编码；
采用NTtrip应用协议实现N-RTK差分增强服务提供方与N-RTK差分增强服务使用方之间的网络通讯。
6.根据权利要求4所述的一种应用于GNSS的N-RTK差分增强服务的数据传输方法，其特征在于：所述N-RTK差分增强服务提供方采用NtripCaster模型，所述N-RTK差分增强服务使用方采用NtripClient模型。
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