[Robotics] 위성항법시스템(GNSS) 정리(3): 메시지 규격 및 프로토콜(NTRIP, RTCM, NMEA 등)

💡 본 문서는 '위성항법시스템(GNSS) 정리(3): 메시지 규격 및 프로토콜(NTRIP, RTCM, NMEA 등)'에 대해 정리해놓은 글입니다.
어떤 분야던 자신의 위치를 판단할 때 가장 먼저 고려하는 시스템인 '위성항법시스템(GNSS)'의 이론을 정리하였으니 참고하시기 바랍니다.

1. GPS 메시지 규격 및 프로토콜

1.1. GPS 메시지 규격

항법 메시지

항법 메시지(Navigation Message)는 GPS 위성에서 송출하는 반송파에 실리는 메시지로, 2진 부호화된 일련의 Pulse 신호의 형태를 띈다. 50bps의 속도로 지속적으로 방송된다. 항법 메시지 내에는 위성 탑재 시계의 시각 및 오차, 위성의 상태 정보, 모든 위성과 관련된 궤도 정보 및 상태(almanac), 각 궤도 정보와 이력(ephemeris), 오차 보정을 위한 계수 등이 있다.

이러한 위성 항법 시스템에서 사용하는 메시지는 여러 메시지 형식(규격)을 가지고 있으며, 대표적으로는 RINEX, RTCM, NMEA가 있습니다.

RINEX(Receiver Independent Exchange Format): For static data processing and archive

• GNSS 수신기에서 측정한 정보는 수신기의 종류와 제조사에 따라 다른 형식으로 저장되기 때문에, 이러한 다양한 형식의 정보를 효율적으로 관리하고 처리하기 위해서 'RINEX'라는 공통된 형식으로 변환
• GPS 측정값과 위성 정보를 다른 소프트웨어나 수학적 모델링에 사용할 수 있도록 구조화된 형식으로, Version 3은 Galileo, QZS, BeiDou와 같은 추가 GNSS 지원을 위해 개선됨

NMEA(National Marine Electronics Association): For Real-time positioning

• GPS 수신기에서 생성된 위치, 속도, 시간 등의 정보를 표준화된 형식으로 전달
• 이 메시지는 항해, 수상 스포츠 및 기타 GPS 사용 분야에서 널리 사용됨
• Most GPS receivers understand the most popular NMEA format -> NMEA 0183

RTCM(Radio Technical Commission for Maritime Services): For Real time DGPS/RTK corrections

• GPS 수신기의 DGPS(Differential GPS) 구성을 보완하고 보정 정보를 전달
• Binary file (more compact but difficult to understand)
• Most GPS receivers understand the most popular RTCM format -> RTCM SC-104

일반적으로 NMEA 메시지는 Rover의 Real Time Position를 전달하는 데 사용하며, RTCM 메시지는 NMEA 메시지를 바탕으로 Base Station에서 보정한 DGPS/RTK corrections 정보를 전달하는데 사용한다. 추가로 RINEX는 GPS 측정치의 실시간이 아닌 오프라인 처리를 위해 사용한다. 

1.2. GPS 메시지 프로토콜

NTRIP: RTCM 프로토콜

GPS 데이터를 수신하려면 인터넷 프로토콜이 있어야 한다. 지역기반보정시스템(LBAS, Local Based Augmentation System)인 NTRIP(Network Transport of RTCM via Internet Protocol)은 인터넷 프로토콜을 통해 GPS(GNSS) 보정 데이터인 'DGPS' 등을 전송하는 규약이다.

HTTP(Hypertext Transfer Protocol) 프로토콜을 기반으로 모바일 IP 네트워크를 통해 무선 인터넷 접속을 한다. RTK 보정 전송 프로토콜이기도 하다. NTRIP 서버(server)는 HTTP 서버로서 NTRIP 소스 데이터를 전송하는 주체이며, NTRIP 클라이언트(client)는 인터넷 접속이 가능한 단말기로 DGPS 데이터를 수신하는 주체이다.

주체	설명
NTRIP Source	RTK 데이터 스트리밍을 생성하는 GNSS 고정 기준국
NTRIP Server	HTTP를 이용해 NTRIP Caster에 연결해 데이터를 전달함
NTRIP Caster	한 서버에 너무 많은 Client가 접속하면 딜레이, 정보 유실 발생 가능성이 있음. 이를 방지하려 프록시 서버의 역할을 함. 약 1천여 명의 수신기에게 동시에 데이터 유포 가능
NTRIP Client	인터넷 접속 가능한 NTRIP 방식으로 데이터를 수신하는 이동국 단말기. TCP/IP 인터넷 프로토콜을 사용해 유동 IP 네트워크도 가능

2. NMEA

NMEA(National Marine Electronics Association)는 정확히는 '해양 전자공학 산업의 발달과 교육을 위해 모인 비영리 단체'이다. 이곳에서 정의한 프로토콜 중 NMEA-0183은 GPS 통신의 표준 프로토콜이며, 하단에서 자세히 설명하도록 하겠다.

2.1. NMEA Sentence

일반적으로 GPS 수신기가 위와 같은 내용을 Serial 출력의 형태로 내보내는데, $로 시작하는 한 줄이 NMEA 문장(메시지)이라 한다. NMEA 메시지는 여러 타입이 있고 각 타입은 고유의 프로토콜이 있으며, NMEA 메시지의 첫 5글자인 Sentence ID를 읽어 타입을 알 수 있다. 데이터 필드의 구분은 ,로 하고 *로 끝난다. 줄바꿈 문자 , 을 Linefeed라고 하여 문장의 끝에 붙인다.

• Device ID(Talker ID): 장치(제품)를 구분하는 ID로, $ 바로 뒤의 2개 문자이다. 예를 들어 GPS 제품은 GP, Loran-C receive는 LC, Omega Navigation receive는 OM, 레이더는 RA이다.
• Sentence ID: 해당 프로토콜이 가진 데이터의 종류이다. (Device ID까지 합쳐 앞 5개를 Sentence ID라고 하기도 한다)
• 맨 마지막 * 뒤에는 optional 하게 Checksum이 있어 $와 * 사이의 모든 데이터를 XOR(배타적 OR) 계산한다.

NMEA의 통신 프로토콜에는 다음과 같이 3가지의 규격의 메시지가 존재하며, 일반적으로 위치 데이터를 송신하기 위해서는 하단에서 Talker로 언급되어 있는 문장을 이용한다.

• Talker: output from talker (e.g. GPS receiver) to other devices (PAD)
  
  • e.g. $GPGGA,031956,2218.2035,N,11410.7595,E,1,04,3,9,005.9,M,-001.3,M,,*51
    
    • The talker sends the GPS data in GGA sentence format. 
• Query: means for listener (e.g. notebook) to request specified talker sentence from talker (GPS receiver)
  • e.g. CCGPQ,GGA, [CR][LF]
    • A computer (CC) is requesting from GPS device (GP) the GGA sentence
• Proprietary: means for manufactures to use non-standard sentences for special purpose
  • e.g. $PLEIS,AHT,0,1.90,0*34
    
    • “LEI" is Leica manufacturer, “S” for set command
    • The message set the antenna height at 1.9m in the configuration of the internal sensor setting.

하단에서는 일반적으로 사용하는 Talker 구조의 문장 중 대표적인 프로토콜인 NMEA-0183 에 대해 살펴볼 예정이다.

2.2. NMEA-0183

NMEA-0183은 GPS 통신의 표준 프로토콜이며, GPS 수신기가 위성 신호를 해석해 이 정보를 외부에 알릴 때 사용한다.

3개 레이어(Physical / DataLink / Application Layer)로 구성되어있다. 이 중 어플리케이션 레이어는 NMEA 문장에 대한 규약을 정의하며 GPS 등의 표준 프로토콜이 된다. ASCII 코드로 직렬(Serial) 방식의 통신을 사용한다. 아래는 그 예시이다.

$GPGGA,141113.999,3730.0308,N,12655.2369,E,1,06,1.7,98.9,M,,,,0000*3E

$GPGSA,A,3,02,07,01,20,04,13,,,,,,,3.7,1.7,3.2*31 

$GPRMC,141113.999,A,3730.0308,N,12655.2369,E,19.77,195.23,101200,,*3C

$GPGSV,2,1,07,07,84,025,47,04,51,289,48,20,40,048,47,02,32,203,46*74

• $GPGGA: Global positioning system fixed data 
• $GPGSA: GNSS DOP and active satellites
• $GPRMC: Recommended minimum specific GPS data
• $GPGSV: GNSS satellites in view
• 이 외의 GPS NMEA sentences 규격과 그 예시를 살펴보고 싶다면? 다음의 [PPT] Introduction to GPS Data NMEA & RTCM자료를 참고하기 바란다.

2.3. GPGGA

통상적으로 GPS 수신기에서는 GP, LC, OM 등 몇 가지 Device ID만 제한적으로 출력되는데, 대표적으로 GPGGA를 살펴본다. GPGGA는 Global Positioning System Fix Data로, 17개의 필드를 가지는 데이터 타입이다.

Index	Field	Value	Description
1	Sentence ID	GPGGA	Global Positioning System Fix Data
2	UTC Time	114455.532	그리니치 표준시 기준 시간으로, hhmmss.sss 형태. 날짜는 GPRMC에서 처리해야 함. 한국에서 사용 시 +9
3	Latitude	3735.0079	ddmm.mmmm(도분) 형식의 위도로, 예시에서는 37도 35.0079분. deg 단위 환산 시 37 + 35.0079 / 60 = 37.5도
4	N/S Indicator	N	남위가 S, 북위가 N
5	Longitude	12701.6446	dddmm.mmmm(도분) 형식의 경도로, 예시에서는 127도 1.6446분. deg 단위 환산은 위도와 동일
6	E/W Indicator	E	동경이 E, 서경이 W
7	Position Fix	1	위치가 결정되었는가를 나타냄. 0(Invalid 잘못된 데이터), 1(Valid SPS. GPS 제공 기본 위성만 사용), 2(Valid DGPS. DGPS 보정해 계산), 3(Valid PPS)
8	Satellites Used	03	계산에 쓸 위성 수. 최소 3개 이상이어야 함
9	HDOP	7.9	horizontal dilution of Precision. 2차원적 오차결정(수평방향)
10	Altitude	48.8	WGS-84 타원체의 평균해수면(MSL, Mean Sea Level) 기준 고도
11	Altitude Units	M	고도값의 단위. 예시에서는 meter
12	Geoid Seperation	19.6	지오이드(geoid) 고(height)
13	Seperation Units	M	지오이드고의 단위. 예시에서는 meter
14	DGPS Age	0.0	DGPS 사용시 마지막으로 업데이트한 시간(데이터의 Age)
15	DGPS Station ID	0000	DGPS 기지국의 ID
16	CheckSum	48	Checksum
17	Terminator	CR/LF	줄바꿈 문자

3. RTCM

RTCM은 Radio Technical Committee for Maritime Services의 약어로, 해당 조직에서 규정한 RTCM SC-104는 GPS 보정신호를 전송하는 데이터 포맷(규격)이다. (보정에 관한 사항은 밑에서 자세히 다룰 것이다. 지금은 단순히 이런 구조를 갖는다고만 알아두자.) 약어에서도 알 수 있듯이 선박에 사용되기 위해 처음 만들어졌고, 항공의 경우 RTCA를 사용한다.

3.1 RTCM SC-104

RTCM 메시지는 GNSS 보정신호를 전송하는 데이터 포멧이며, binary 데이터로 전송하여 실시간으로 전송이 가능하다. 이에 대한 데이터 포멧은 다음과 같다.

RTCM Data Format

A data record contains several message types for various contents

• Message 1, Message2…. Message N

Each message comprises header and body

• Header: message type, time, length of message, 
• Body: data for every data type 

Each data record may not include every message type

• Some send every second (e.g. code corrections)
• Others are sent at interval (e.g. base station coordinates)

이러한 RTCM 데이터는 RTCM 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 3.0 등 산업에 맞게 변해왔으며, 다음과 같은 history를 갖고 있다.

Features of various RTCM versions

• RTCM 2.0
  • for DGPS applications only (message 1,9) and no RTK data
• RTCM 2.1
  • retain the full content of RTCM 2.0
  • add new messages for carrier phase data and RTK corrections
• RTCM 2.2
  • contain GLONASS data and associated information
  • store in newly added messages 31-36
• RTCM 2.3
  • antenna types (message 23)
  • ARP information (message 24)
• RTCM 3.0
  • RTCM 2.3 requires 4800 bps to broadcast dual-frequency code and carrier
  • phase observation corrections of 12 satellites. The information content is send with 1800 bps in RTCM 3.0
  • accommodate for new GNSS systems that are under development (e.g. Galileo)

현재는 RTCM 3.0을 사용하고 있으며, 해당 메시지 포멧에서 전송하는 데이터는 다음과 같다.

3.2 RTCM 3.0 Message Types

RTCM의 데이터는 메시지 번호(타입)으로 구분되어 표시되며, 각 메시지들은 헤더와 데이터를 포함한다. 여기서 1004번의 경우 GPS RTK 관측정보를 담고 있으며, 1012 번의 경우 GLONASS RTK 관측 정보를 담고 있다.

• 추가로 더욱 자세한 메시지 타입을 확인하고 싶다면? 'An RTCM 3 message cheat sheet' 를 참고하도록 하자

참고

• [SNIP] An RTCM 3 message cheat sheet: https://www.use-snip.com/kb/knowledge-base/an-rtcm-message-cheat-sheet/
• [SNIP] SAE J2735 DSRC Message List: https://www.use-snip.com/kb/knowledge-base/sae-j2735-dsrc-message-list/
• [Blog] GPS 이론: GNSS, RTK 등: https://velog.io/@717lumos/GPS-GPS-%EC%9D%B4%EB%A1%A0-GNSS-RTK-%EB%93%B1
• [PPT] Introduction to GPS Data NMEA & RTCM: http://player.slideplayer.com/download/15/4620651/dm9qL5S8qO4Oq3BLNcr_1A/1679474445/4620651.ppt
• [PPT] Introduction to GPS Data Communications - NMEA and RTCM: http://player.slideplayer.com/download/19/5912768/vRmsVn7TueU7NpCcYU_K0g/1679475041/5912768.ppt
• [Blog] NMEA Data Format: http://www.gpsinformation.org/dale/nmea.html
• [Blog] SNIP: SAE J2735 DSRC Message List: https://www.use-snip.com/kb/knowledge-base/sae-j2735-dsrc-message-list/
• [Blog] SNIP: RTCM 3 Message List: https://www.use-snip.com/kb/knowledge-base/rtcm-3-message-list/?gclid=CjwKCAjwiOCgBhAgEiwAjv5whFlzVkweKActivKKVRrrGK0BK2WHKbUSx3FlKGzqSZGHr9yO8Pj-2BoCZBsQAvD_BwE