交通行業(yè)GNSS差分信息播發(fā)技術研究

吳曉東，沈 剛，夏 威，李 浩，李 濤，謝 悅，李 晶

（中國交通通信信息中心，北京100011）

交通行業(yè)GNSS差分信息播發(fā)技術研究

吳曉東，沈 剛，夏 威，李 浩，李 濤，謝 悅，李 晶

（中國交通通信信息中心，北京100011）

GNSS差分定位技術已經(jīng)廣泛應用在各個領域，而實現(xiàn)差分定位的關鍵是如何將差分信息通過一定的通信手段播發(fā)給用戶。本文介紹了基于現(xiàn)有AIS和RBN－DGPS系統(tǒng)的差分信息播發(fā)技術。對利用3G、FM調(diào)頻副載波等常用通信方式播發(fā)差分信息進行了分析，并首次驗證了FM播發(fā)差分信息的可行性。最后，在分析各種播發(fā)方式特點的基礎上，結(jié)合交通行業(yè)應用，分析了適合交通行業(yè)應用的差分信息播發(fā)方式。

GNSS；差分信息；播發(fā)技術；交通行業(yè)

0 引 言

交通運輸行業(yè)是衛(wèi)星導航應用的重要領域。交通行業(yè)的快速發(fā)展對衛(wèi)星導航性能的要求越來越高，現(xiàn)有普通的衛(wèi)星導航定位精度已經(jīng)無法完全滿足現(xiàn)有及未來交通行業(yè)應用需求。為了提高衛(wèi)星導航定位精度，最常用的手段是采用差分定位技術，消除具有空間相關性的公共誤差。

差分定位的關鍵是如何將差分信息通過一定的通信手段播發(fā)給用戶。目前交通運輸行業(yè)針對水上應用需求，主要基于已有的AIS和RBNDGPS系統(tǒng)播發(fā)差分信息，以滿足內(nèi)河、沿海船舶高精度導航與監(jiān)控應用。隨著無線通信技術的發(fā)展，差分信息的播發(fā)方式選擇面越來越廣。常用的3G/GPRS移動通信已經(jīng)被國內(nèi)外高精度衛(wèi)星導航終端廠商廣泛應用于差分信息播發(fā)。對于利用FM調(diào)頻副載波播發(fā)差分信息技術的研究，交通運輸部中國交通通信信息中心首次成功驗證該方式的可行性。

交通運輸行業(yè)不同領域?qū)πl(wèi)星導航性能需求具有一定的差異化。針對不同的性能需求，選擇技術可行、成本低廉的差分信息播發(fā)方式，是保證交通行業(yè)衛(wèi)星導航應用經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的關鍵。

1 交通行業(yè)現(xiàn)有差分信息播發(fā)方式

1.1 基于AIS系統(tǒng)的播發(fā)技術

通用船載自動識別系統(tǒng)（AIS）是一種利用海上VHF頻段的船載航行信息交換系統(tǒng)，它不僅能自動發(fā)出本船的相關信息，而且還可以接收周圍其它船舶所發(fā)出的信息，采用的主要技術是“自組織時分多址接續(xù)（SOTDMA）”方式進行信息交換[1］。

AIS工作頻率范圍為156.025～162.025 MHz，工作帶寬為25kHz或者12.5kHz.其中25 kHz的帶寬于公海上使用。在地方水域可以根據(jù)當?shù)匾?guī)定使用25kHz或者12.5kHz的帶寬。AIS使用不歸零的反相波進行數(shù)據(jù)編碼，采用高斯濾波最小移頻鍵控調(diào)頻（GMSK），傳輸速率為9 600bit/s.

在AIS通信系統(tǒng)中，通過第17號電文進行GNSS差分數(shù)據(jù)播發(fā)，電文格式如表1所示。其中RTCM差分修正數(shù)據(jù)主要在AIS電文17的第8項中，參考站信息在AIS電文17中的第5和第6項。

1.2 基于RBN－DGPS系統(tǒng)的播發(fā)技術

沿海無線電指向標－差分全球定位系統(tǒng)（RBNDGPS）是一種新型、高精度、全天候的海上導航定位系統(tǒng)，是中國海事局“九五”期間的重點建設項目，于2002年1月1日零時起全面開通，正式向公共用戶無償提供服務[2］。

表1 AIS第17號電文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成

RBN－DGPS符合國際化標準，電文格式采用RTCM SC－104標準信號格式。工作頻率范圍為283.5～325kHz，RBN－DGPS差分信號的調(diào)制方式為最小移頻鍵控（MSK），采用調(diào)相單行道數(shù)據(jù)傳遞（GID）方式發(fā)射，數(shù)據(jù)傳送速率為200bps.目前，中國沿海共有23個RBN－DGPS基準，主要提供整個中國沿海區(qū)域的覆蓋，定位精度高，該精度可滿足船舶引航服務的要求且由于采用標準化的數(shù)據(jù)格式，系統(tǒng)的通用性強。

RBN－DGPS播發(fā)的差分信息類型如表2所示，通用電文類型與格式參考《沿海無線電指向標－差分全球定位系統(tǒng)播發(fā)標準（中華人民共和國交通行業(yè)標準，JT 377－1998）》，每幀電文由2＋N個30位字組成，N個字中包含著電文數(shù)據(jù)，N隨電文類型變。

表2 RBN－DGPS差分信息類型

2 基于3G的差分信息播發(fā)技術分析

3G移動通信網(wǎng)絡技術針對“點對點”業(yè)務設計，移動通信網(wǎng)絡將差分數(shù)據(jù)播發(fā)到移動端主要基于TCP/IP透明傳輸協(xié)議[3］，具體過程如下：

1）差分數(shù)據(jù)按照傳輸控制協(xié)議（TCP）的格式封裝成TCP數(shù)據(jù)包，再生成IP數(shù)據(jù)包，從而建立起Internet和GGSN之間的路由。

2）由于TCP/IP協(xié)議組中含有點對點協(xié)議（PPP）用于支持TCP/IP四層模型中的數(shù)據(jù)鏈路層，因此，需要將IP數(shù)據(jù)包按照PPP幀的幀格式封裝成PPP幀，才能通過網(wǎng)卡將PPP幀發(fā)送到GGSN上。

3）GGSN接收到該PPP幀后，首先進行TCP/IP拆分，采用GPRS遂道協(xié)議對數(shù)據(jù)包做處理，實現(xiàn)從GGSN到服務GPRS支持節(jié)點（SGSN）的虛擬傳輸通道，即隧道。由于3G/GPRS骨干網(wǎng)是移動網(wǎng)內(nèi)部的TCP/IP網(wǎng)絡，GPRS遂道協(xié)議（GTP）數(shù)據(jù)包作為高層應用數(shù)據(jù)需要TCP或者UDP承載。TCP或者UDP承載的數(shù)據(jù)包被進一步封裝成IP包，此IP包的目的地址就是目標SGSN的地址。GGSN根據(jù)其地址選擇GPRS網(wǎng)內(nèi)的傳輸通道，傳給移動端所處的SGSN.

4）SGSN對到達的數(shù)據(jù)包層層解封，還原出IP包，依據(jù)子網(wǎng)匯聚協(xié)議（SNDCP）把IP包封裝成SNDC數(shù)據(jù)單元，再經(jīng)過邏輯鏈路控制（LLC）層處理為LLC幀單元，最后依據(jù)基站子系統(tǒng)GPRS協(xié)議（BSSGP）對LLC幀單元進行進一步封裝，加入SGSN對基準站子系統(tǒng)（BSS）的控制信息，通過網(wǎng)絡仿真器NS的幀中繼和PPP鏈路將數(shù)據(jù)傳送到移動端所處的BSS.

5）BSS還原出LLC幀數(shù)據(jù)之后，利用無線鏈路控制協(xié)議（RLC）將LLC數(shù)據(jù)幀拆分成便于空中接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊，加上媒體介入控制層（MAC）數(shù)據(jù)頭之后，便可將數(shù)據(jù)通過空中接口發(fā)送給終端，接收生成的差分數(shù)據(jù)。

3 基于FM調(diào)頻副載波的差分信息播發(fā)技術研究

3.1 FM調(diào)頻副載波技術

目前國際上主要的FM調(diào)頻副載波技術有無線數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（RDS）和調(diào)頻多工高速數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（DARC）.其參數(shù)對比如表3所示。

表3 RDS和DARC參數(shù)對比

RDS調(diào)頻廣播技術受其帶寬的影響，難以承載GNSS差分信息的播發(fā)，因此主要考慮采用DARC調(diào)制方式作為調(diào)頻副載波播發(fā)差分信息的方式。

3.2 FM差分數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

如圖所示，調(diào)頻副載波協(xié)議遵守ISO/OSI參考模型結(jié)構(gòu)，總共分為7層，如圖1所示。

圖1 DARC數(shù)據(jù)協(xié)議層

DARC系統(tǒng)協(xié)議中單位最大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為“幀（frame），每幀包含78 336比特數(shù)據(jù)。每幀由272行數(shù)據(jù)組成，每行為一個288比特的數(shù)據(jù)塊。一個數(shù)據(jù)塊包括16比特的BIC報頭和272比特的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊是協(xié)議中最基本的數(shù)據(jù)單位，又分為兩種：信息數(shù)據(jù)塊和糾錯校驗數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊（block）是本系統(tǒng)協(xié)議的最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單位，大小為288個比特（36byte）。其中，前16比特為BIC標志碼[5］。

數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)分為信息數(shù)據(jù)塊和糾錯校驗數(shù)據(jù)塊。前者用來存儲待發(fā)送的信息，而后者只負責數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的錯誤糾正，不包含待發(fā)送信息。具體來說，一個信息數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)由以下部分組成：176比特待發(fā)送信息和14比特循環(huán)冗余校驗碼（CRC），以及82比特糾錯校驗碼。DARC數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)具體如表4所示。

表4 DARC復用幀結(jié)構(gòu)

DARC傳輸協(xié)議和RTCM－SC－104不一致，需要二次封裝，才能在數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)中傳送；同時，在接收端也需要進行二次解析出RTCM－SC－104電文。

3.3 基于FM調(diào)頻副載波的差分信息播發(fā)系統(tǒng)

整個系統(tǒng)由三部分組成：信息采集系統(tǒng)，編碼系統(tǒng)，以及發(fā)射機組成。編碼系統(tǒng)由三部分組成：FM編輯裝置，協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置，L－MSK交換機。如圖2所示。

圖2 基于FM的差分信息播發(fā)系統(tǒng)示意圖

FM編輯裝置負責將信息采集系統(tǒng)的GNSS差分信息按照廣播協(xié)議的要求，完成第7層到第5層的編碼。

隨著大眾旅游的興起以及對文化的需求，人民生活水平的提高和國內(nèi)消費的升級，文化旅游成為新型旅游業(yè)態(tài)迅速崛起的代表[1]?！吨袊幕糜伟l(fā)展報告2017》指出，目前，文化旅游已經(jīng)進入了以資本、創(chuàng)意和技術為主導的文旅2.0時代。文旅2.0時代的顯著特征是“無中生有、變廢為寶”，其中創(chuàng)新能力在文旅產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起著越來越重要的作用。文旅2.0時代發(fā)展的重要特征之一是旅游演藝砥礪前行。2016年以來，作為文化旅游產(chǎn)業(yè)的一個重要領域，旅游演藝產(chǎn)業(yè)日趨成熟并開始進入調(diào)整期[2]。張家界作為國際著名旅游城市，如何在競爭激烈的旅游演藝市場中穩(wěn)定并發(fā)展旅游演藝品牌，是一個亟待解決的問題。

協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置負責將FM編輯裝置生成的第5層信息按照標準要求完成第4層、第3層的編碼，以及廣播鏈路第2層的編碼。

L－MSK交換機負責將協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置生成的第2層信息按照標準要求完成副載波第1層的編碼，最后送到發(fā)射機廣播發(fā)送。

3.4 基于FM調(diào)頻副載波的差分信息接收測試

在位于北京上莊水庫的海事衛(wèi)星移動地面站搭建基于FM的差分定位實驗系統(tǒng)，硬件主要包括司南M300基準站接收機一臺、司南K500板卡一塊、一臺用于控制差分數(shù)據(jù)播發(fā)的DELL R720xd服務器、ECRESO公司的激勵器Helios FM 20/100W、Audmat公司的編碼器FMX 410/480，基準站接收機輸出頻率設置為1Hz，激勵器廣播頻率設置為100MHz，功率設置為23W.

靜態(tài)條件下，基線距離為1.5km，測試時間從早上9點到下午14點，配置播發(fā)平臺并開始播發(fā)差分信息。在接收端配置專用的FM接收模塊，確保正常接收FM播發(fā)系統(tǒng)播發(fā)的數(shù)據(jù)，如圖3和4所示，基準站接收機原始差分數(shù)據(jù)以AA 44 12 1C開頭，F(xiàn)M模塊接收經(jīng)過FM系統(tǒng)編碼后的DARC數(shù)據(jù)，以幀頭5AFF封裝。

圖3 基準站接收機原始差分數(shù)據(jù)

圖4 DARC協(xié)議封裝的差分數(shù)據(jù)

利用FM模塊接收的差分信息進行偽距差分定位解算，對24h的定位數(shù)據(jù)進行分析，以95%圓概率誤差計算偽距差分定位精度，可以得到水平方向的誤差為1.095m，如圖5所示?；诖嗽诒本┍鼻迓烽_展了基于FM調(diào)頻副載波的高精度定位測試，經(jīng)試驗證明可以滿足車道級導航與監(jiān)控應用。

圖5 基于FM的偽距差分定位精度（95%）

4 各種播發(fā)方式對比及適合交通行業(yè)應用分析

從表5的對比可以得出，AIS、RBN－DGPS覆蓋范圍僅僅局限于內(nèi)河沿海港口及重要水域，主要用戶也局限于少數(shù)的行業(yè)用戶，難以支撐陸地應用需求。隨著3G等移動通信技術的發(fā)展，陸地用戶獲取差分數(shù)據(jù)已經(jīng)變得相當便利，針對“點對點”差分信息傳輸業(yè)務的雙向通信特點，適用于管理部分對交通行業(yè)用戶開展精細化監(jiān)管應用。FM調(diào)頻副載波技術可省去雙向通信連接建立的過程，是單向廣播的方式，可以低成本為大眾用戶大范圍提供亞米級的車道級導航服務。

表5 差分信息播發(fā)方式對比

5 結(jié)束語

本文主要介紹了基于現(xiàn)有AIS和RBN－DGPS系統(tǒng)的差分信息播發(fā)技術，以及利用3G播發(fā)差分信息的分析，首次將FM調(diào)頻副載波技術用于差分信息的播發(fā)并通過可行性驗證。最后分析了適合交通行業(yè)應用的差分信息播發(fā)方式。

[1]萬 林，侯建軍，張永勝，等.艦船自動識別系統(tǒng)（AIS）研究[C］//2002航海實用新技術論文集，2002.

[2]汪孔政.RBN/DGPS定位系統(tǒng)精度試驗及應用[J］.科技資訊，2007（26）：3.

[3]劉光林，李永奎.基于3G網(wǎng)絡的農(nóng)業(yè)機械GPS差分系統(tǒng)的研究[J］.農(nóng)機化研究，2012（11）：202－205.

[4]黃孝飛.DARC系統(tǒng)及其應用[J］.廣播與電視技術，1999（6）：114－117.

[5]北京市交通信息中心、中國航天標準化研究所.GB/T 27605－2011衛(wèi)星導航動態(tài)交通信息交換格式[S］.中國標準出版社，2012.

Research on Broadcasting Technology of GNSS Differential Information in Transportation

WU Xiaodong，SHEN Gang，XIA Wei，LI Hao，LI Tao，XIE Yue，LI Jing
（China Transport Telecommunications ＆Information Center，Beijing100011，China）

GNSS differential positioning technology has been widely used in various fields，and the key point of difference positioning is how to broadcast the difference information to the user by proper means of communication.This paper first introduced the differential information broadcast technology based on the existing AIS and RBN－DGPS system.Secondly，common communication like 3G，F(xiàn)M subcarriers used to broadcast differential information is analyzed，and the first time certified the feasibility of FM broadcasting the differential information.Finally based on analysis of various broadcast modes characteristics，combined with the application of transportation，this paper analyzed the suitable means for transportation industry application of differential information broadcasting mode.

GNSS；differential information；broadcasting；transportation

P228.4

A

1008－9268（2015）01－0041－05

10.13442/j.gnss.1008－9268.2015.01.009

吳曉東（1987－），男，碩士，助理工程師，主要從事交通行業(yè)高精度衛(wèi)星導航應用技術研究。

沈 剛（1963－），男，博士，高級工程師/處長，主要從事交通行業(yè)信息化工作。

夏 威（1986－），男，博士，工程師，主要從事高分辨率衛(wèi)星遙感交通應用研究。

李 浩（1977－），男，碩士，工程師，主要從事水上交通北斗應用研究。

李 濤（1979－），男，碩士，工程師，主要從事車聯(lián)網(wǎng)方面研究。

謝 悅（1977－），男，工程師，主要從事北斗產(chǎn)業(yè)化研究。

李 晶（1978－），男，碩士，高級工程師/副處長，主要從事衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)化工作。

2014－09－10

聯(lián)系人：吳曉東E－mail：wuxiaodong＠cttic.cn