[学习] RTKLib详解：rtcm2.c、rtcm3.c、rtcm3e与rtcmn.c

RTKLib详解：rtcm2.c、rtcm3.c、rtcm3e与rtcmn.c

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本文是 RTKLlib详解 系列文章的一篇，目前该系列文章还在持续总结写作中，以发表的如下，有兴趣的可以翻阅。

[学习] RTKlib详解：功能、工具与源码结构解析
[学习]RTKLib详解：pntpos.c与postpos.c
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[学习] RTKLib详解：rtcm2.c、rtcm3.c、rtcm3e与rtcmn.c

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Part A: rtcm2.c 文件解析

一、文件整体说明

rtcm2.c 是 RTKLIB 中用于解析 RTCM 2.x 格式差分数据的核心模块。该文件实现了对 RTCM SC-104 Version 2.x 消息的解码，支持 GPS 差分校正数据的提取，包括伪距、载波相位修正和基准站坐标等信息。

主要功能：

• 解析 RTCM 2.x 消息帧。
• 支持 Type 1/2/3/9/16 等主流消息类型。
• 提供校正数据与接收机状态同步。

主要特色：

• 支持实时流与文件模式。
• 自动处理消息分段与 CRC 校验。
• 可扩展至多基准站数据。

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二、执行流程与函数调用关系

程序执行流程如下：

1. 初始化 RTCM2 解析器。
2. 逐帧读取原始数据并提取消息头。
3. 解码消息体并校验 CRC。
4. 提取校正数据并更新状态。

函数调用关系如下：

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三、主要函数说明

3.1 rtcm2_init

int rtcm2_init(rtcm_t *rtcm)

功能：
初始化 RTCM2 解析器，清空缓冲区和状态变量。

输入参数：

• rtcm: RTCM 解析器结构体指针。

返回值：

• 成功返回 1，失败返回 0。

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3.2 rtcm2_read_frame

int rtcm2_read_frame(FILE *fp, unsigned char *buff, int *len)

功能：
从文件或流中读取 RTCM2 帧数据，识别帧起始标志。

输入参数：

• fp: 文件指针。
• buff: 缓冲区。
• len: 输出读取长度。

返回值：

• 成功返回字节数，失败返回负值。

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3.3 rtcm2_decode_header

int rtcm2_decode_header(const unsigned char *buff, int *msg_type, int *length)

功能：
解码 RTCM2 帧头部，获取消息类型和长度。

输入参数：

• buff: 数据缓冲区。
• msg_type: 输出消息类型。
• length: 输出消息体长度。

返回值：

• 成功返回 1，失败返回 0。

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3.4 rtcm2_decode_msg

int rtcm2_decode_msg(rtcm_t *rtcm, const unsigned char *buff)

功能：
根据消息类型解码具体数据内容（如 Type 1/3 校正数据）。

输入参数：

• rtcm: 解析器结构体。
• buff: 消息体数据缓冲区。

返回值：

• 成功返回 1，失败返回 0。

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3.5 rtcm2_apply_corr

int rtcm2_apply_corr(rtcm_t *rtcm, obs_t *obs)

功能：
将解码后的校正数据应用到观测值结构体。

输入参数：

• rtcm: 解析器结构体。
• obs: 观测值结构体指针。

返回值：

• 成功返回 1，失败返回 0。

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四、关键算法数学原理与推导

RTCM2 Type 1 伪距校正公式

伪距修正量 $\Delta P$ 由基准站差分残差计算：

$$\Delta P=P_{ref}-{\rho }_{ref}$$

其中：

• $P_{ref}$: 基准站伪距观测值。
• ${\rho }_{ref}$: 基准站几何距离（由星历和基准站坐标计算）。

接收机应用修正后伪距为：

$$P_{corr}=P_{raw}-\Delta P$$

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Part B: rtcm3.c 文件解析

一、文件整体说明

rtcm3.c 是 RTKLIB 中用于解析 RTCM 3.x 格式差分数据的核心模块。该文件支持多系统（GPS/GLONASS/Galileo/BDS）、多频段校正数据的解码，兼容 RTCM SC-104 Version 3.x 标准。

主要功能：

• 解析 RTCM3 消息帧。
• 支持 MSM（Multiple Signal Messages）系列多频校正消息。
• 提供电离层延迟和硬件偏差修正。

主要特色：

• 支持多 GNSS 系统。
• 高效的 MSM 消息压缩解码。
• 支持网络 RTK（NTRIP）协议。

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二、执行流程与函数调用关系

程序执行流程如下：

1. 初始化 RTCM3 解析器。
2. 读取并同步消息帧头。
3. 解码消息类型与长度。
4. 处理 MSM 格式校正数据。

函数调用关系如下：

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三、主要函数说明

3.1 rtcm3_init

int rtcm3_init(rtcm_t *rtcm)

功能：
初始化 RTCM3 解析器，设置默认参数。

输入参数：

• rtcm: 解析器结构体。

返回值：

• 成功返回 1，失败返回 0。

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3.2 rtcm3_read_frame

int rtcm3_read_frame(FILE *fp, unsigned char *buff, int *len)

功能：
从流中读取 RTCM3 帧数据并同步帧头。

输入参数：

• fp, buff, len: 同上。

返回值：

• 成功返回字节数，失败返回负值。

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3.3 rtcm3_decode_header

int rtcm3_decode_header(const unsigned char *buff, int *msg_type, int *length)

功能：
解码 RTCM3 帧头部，获取消息类型和长度。

输入参数：

• buff: 数据缓冲区。
• msg_type, length: 输出参数。

返回值：

• 成功返回 1，失败返回 0。

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3.4 rtcm3_decode_msm

int rtcm3_decode_msm(rtcm_t *rtcm, const unsigned char *buff)

功能：
解码 MSM 格式校正数据，提取伪距、载波相位和信号强度。

输入参数：

• rtcm, buff: 同上。

返回值：

• 成功返回 1，失败返回 0。

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3.5 rtcm3_apply_corr

int rtcm3_apply_corr(rtcm_t *rtcm, obs_t *obs)

功能：
将 MSM 数据应用到观测值结构体。

输入参数：

• rtcm, obs: 同上。

返回值：

• 成功返回 1，失败返回 0。

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四、关键算法数学原理与推导

MSM 消息压缩编码

MSM 消息采用差分编码压缩多个卫星的观测值。对于第 $i$ 颗卫星，伪距差分修正量为：

$$\Delta P_i=P_i-P_{ref}$$

其中 $P_{ref}$ 为参考卫星的伪距。通过差分编码减少冗余数据，提升传输效率。

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Part C: rtcm3e.c 文件解析

一、文件整体说明

rtcm3e.c 是 RTKLIB 中用于扩展 RTCM3 协议支持的模块，主要用于兼容厂商自定义消息格式（如 Trimble、Leica 的私有扩展）。该文件增强了 RTKLIB 对非标准 RTCM3 消息的解析能力。

主要功能：

• 解析厂商扩展 RTCM3 消息。
• 支持自定义校正数据与设备状态信息。
• 提供扩展消息注册机制。

主要特色：

• 模块化扩展接口。
• 兼容主流厂商私有协议。
• 动态注册扩展消息处理器。

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二、执行流程与函数调用关系

程序执行流程如下：

1. 注册扩展消息处理器。
2. 识别扩展消息类型。
3. 调用对应解析函数。

函数调用关系如下：

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三、主要函数说明

3.1 rtcm3e_register

int rtcm3e_register(int msg_type, void (*handler)(rtcm_t *))

功能：
注册特定类型扩展消息的解析函数。

输入参数：

• msg_type: 扩展消息类型。
• handler: 解析函数指针。

返回值：

• 成功返回 1，失败返回 0。

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3.2 rtcm3e_decode

int rtcm3e_decode(rtcm_t *rtcm, const unsigned char *buff)

功能：
识别扩展消息类型并调用对应解析函数。

输入参数：

• rtcm, buff: 同上。

返回值：

• 成功返回 1，失败返回 0。

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3.3 rtcm3e_handler

void rtcm3e_handler(rtcm_t *rtcm)

功能：
示例扩展消息处理函数，提取厂商自定义数据。

输入参数：

• rtcm: 解析器结构体。

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四、关键算法数学原理与推导

无直接数学推导，但涉及位操作与变长编码技术。例如，厂商扩展消息可能使用 TLV（Type-Length-Value）结构编码数据。

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Part D: rtcmn.c 文件解析

一、文件整体说明

rtcmn.c 是 RTKLIB 中 RTCM 协议的通用工具模块，提供跨版本（2.x/3.x）的共享函数，如 CRC 校验、时间戳转换和坐标系变换。

主要功能：

• 提供 CRC-24Q、CRC-16 校验算法。
• 实现 GNSS 时间系统转换。
• 支持坐标系转换（ECEF <-> LLH）。

主要特色：

• 高复用性工具函数。
• 精度优化的数学计算。
• 跨平台兼容性。

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二、执行流程与函数调用关系

程序执行流程如下：

1. 调用通用 CRC 校验函数。
2. 转换时间戳与坐标。

函数调用关系如下：

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三、主要函数说明

3.1 crc24q

unsigned int crc24q(const unsigned char *buff, int len)

功能：
计算 RTCM3 消息的 CRC-24Q 校验码。

输入参数：

• buff: 数据缓冲区。
• len: 数据长度。

返回值：

• CRC 校验结果。

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3.2 time2gpst

double time2gpst(gtime_t t, int *week)

功能：
将通用时间结构体转换为 GPS 周数与周秒。

输入参数：

• t: 时间结构体。
• week: 输出 GPS 周数。

返回值：

• GPS 周秒。

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3.3 xyz2pos

void xyz2pos(const double *xyz, double *pos)

功能：
将 ECEF 坐标转换为地理坐标（LLH）。

输入参数：

• xyz: ECEF 坐标（3D 向量）。
• pos: 输出 LLH 坐标（纬度、经度、高度）。

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四、关键算法数学原理与推导

地理坐标转换公式

ECEF 到 LLH 的迭代解法：

$$\begin{array}{rl}{\varphi }_{n+1}& =\arctan \left(\frac{z+e^{\prime 2}b{\sin }^3\theta }{p-e^{2}a{\cos }^3\theta }\right)\\ h& =\frac{p}{\cos \varphi }-N\end{array}$$

其中：

• $p=\sqrt{x^2+y^2}$
• $\theta =\arctan \left(\frac{z}{p}\right)$
• $N=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2\varphi }}$

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