基于多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分的RBN—DGNSS系統(tǒng)再改造設(shè)計(jì)

沈建華

摘要：船本文對我國現(xiàn)有RBN-DGNSS系統(tǒng)現(xiàn)狀，發(fā)揮的作用以及系統(tǒng)局限性進(jìn)行了分析，依據(jù)國際航標(biāo)協(xié)會（IALA）關(guān)于未來的DGNSS相關(guān)建議指南，設(shè)計(jì)了基于多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分的再改造方案，分析了系統(tǒng)原理和實(shí)現(xiàn)流程，提出了預(yù)播發(fā)完好性監(jiān)控的算法。方案通過整合RBN-DGNSS、BD-CORS系統(tǒng)資源，在RBN、AIS和4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多站聯(lián)合偽距差分綜合偽距差分信息的播發(fā)，以期實(shí)現(xiàn)我國沿海廣域米級、沿岸分米級、重點(diǎn)水域厘米級的定位服務(wù)。

關(guān)鍵詞： 多基準(zhǔn)站 偽距差分 RBN-DGNSS 改造

0引言

為提高船舶進(jìn)港靠泊時的定位精度，確保航行安全，國際航標(biāo)協(xié)會（IALA）在1994年發(fā)布了“關(guān)于差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（DGNSS）規(guī)劃的通函”，1999年發(fā)布了“關(guān)于提供在283.5—315kHz頻段（1區(qū)）和285—325kHz頻段（2和3區(qū)）的海上無線電導(dǎo)航服務(wù)的建議（IALA R115號建議）”，各成員國積極響應(yīng)，陸續(xù)建立了眾多覆蓋沿海的RBN-DGNSS系統(tǒng)，以向沿海航行船舶免費(fèi)提供高精度的定位導(dǎo)航服務(wù)。據(jù)IALA官方網(wǎng)站顯示，目前全球已有50余個國家和地區(qū)，運(yùn)行中的RBN-DGNSS臺站達(dá)400余座。我國從20世紀(jì)90年代開始，陸續(xù)建設(shè)該系統(tǒng)，截至目前，全國沿海運(yùn)行中的臺站有22座。該系統(tǒng)基于國際海運(yùn)事業(yè)無線電委員會RTCM 104特委會推薦標(biāo)準(zhǔn)，在無線電指向標(biāo)載頻（283.5-325kHz）上播發(fā)差分改正信息，船舶用戶接收該信息并對自身定位結(jié)果進(jìn)行修正以大幅提高精度，屬于單站偽距差分，定位精度達(dá)到5m（95%置信度）。

隨著全球海洋開發(fā)的深入，對于高精度定位導(dǎo)航的需求和精度等級都在不斷增加，現(xiàn)有RBN-DGNSS系統(tǒng)相對星基和其他地基增強(qiáng)系統(tǒng)已無明顯優(yōu)勢，為充分發(fā)揮該系統(tǒng)應(yīng)有的效能和作用，對其進(jìn)行全面評估和再設(shè)計(jì)，成為擺在全球航標(biāo)管理當(dāng)局面前不可回避的一項(xiàng)迫切任務(wù)。IALA對在確?，F(xiàn)有RBN-DGNSS服務(wù)的情況下，升級改造該系統(tǒng)持贊成的態(tài)度，并發(fā)布了一系列的建議指南，其中“關(guān)于未來的DGNSS”的建議指南，以及全球無線電導(dǎo)航規(guī)劃（版本2）中，對未來DGNSS系統(tǒng)改良進(jìn)行了部分概念的明確，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多模兼容以及多基準(zhǔn)站聯(lián)合差分是其考慮發(fā)展的方向。在國際上，德國和瑞典等航海發(fā)達(dá)國家已經(jīng)啟動了對現(xiàn)有RBN-DGNSS系統(tǒng)再改造和投資的前期研究[1]。在國內(nèi)，我國從2015年開始啟動了對全國沿海RBN-DGPS系統(tǒng)的升級改造，由原來的單一播發(fā)差分GPS信息過渡為差分北斗和差分GPS信息的融合播發(fā)，改造后的RBN-DGNSS系統(tǒng)精度達(dá)到了2m，系統(tǒng)可用性和可靠性都得到了大幅的提高。該改造工程對于推廣使用我國自主的北斗系統(tǒng)，以及提升沿海RBN-DGNSS系統(tǒng)整體服務(wù)水平都具有積極的意義，符合IALA對于未來DGNSS多模兼容的建議指南。為充分響應(yīng)IALA建議，全力提升現(xiàn)有RBN-DGNSS系統(tǒng)效能和服務(wù)水平，結(jié)合我國北斗系統(tǒng)發(fā)展需求以及沿海助航設(shè)施的現(xiàn)狀，本文對基于多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分的RBN-DGNSS系統(tǒng)再改造進(jìn)行了研究，并分析探討了系統(tǒng)的多種應(yīng)用模式，以期為今后系統(tǒng)的再升級，提供理論參考和實(shí)施建議。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分的RBN-DGNSS系統(tǒng)再改造設(shè)計(jì)，將整合現(xiàn)有的全國沿海RBN-DGNSS系統(tǒng)、全國沿海北斗/GPS連續(xù)運(yùn)行服務(wù)參考站系統(tǒng)（BD-CORS）以及全國沿海船舶自動識別系統(tǒng)（AIS），其中全國沿海運(yùn)行中的22座RBN-DGNSS臺站和2016年底將建成的60座（“十三五”規(guī)劃中近200座）BD-CORS站原始觀測數(shù)據(jù)作為多基站聯(lián)合偽距差分的數(shù)據(jù)來源?？紤]到規(guī)劃中北海、東海和南海海區(qū)3個BD-CORS數(shù)據(jù)中心，3個RBN差分北斗監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)信息聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)匯總?cè)氡倍肪C合數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控管理。本設(shè)計(jì)將直接從北斗綜合數(shù)據(jù)中心獲取原始觀測數(shù)據(jù)（北斗/GPS雙模）。

通信鏈路有三種方式，包括沿海無線電指向標(biāo)、AIS通信網(wǎng)絡(luò)以及公用4G網(wǎng)絡(luò)，不同的通信鏈路采用不同的多站聯(lián)合偽距差分策略，提供不同等級的定位精度。

（1） 沿海無線電指向標(biāo)播發(fā)方式：根據(jù)單個特定RBN-DGNSS播發(fā)臺與周邊基準(zhǔn)站相對地理位置的不同，在數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分改正數(shù)生成時，參考的基準(zhǔn)站距離播發(fā)臺越近，其計(jì)入的影響因子權(quán)重越大，播發(fā)數(shù)據(jù)采用RTCM V2.3格式，由于我國RBN-DGNSS系統(tǒng)采用200W功率發(fā)射，信號覆蓋區(qū)域?yàn)?00km，用戶終端采用北斗/GPS雙模聯(lián)合解算方式，可實(shí)現(xiàn)米級定位精度，該方式符合IALA 121號建議指南。

（2） AIS通信網(wǎng)絡(luò)方式：按照ITU-RM1371建議，使用17號專用電文進(jìn)行綜合偽距改正數(shù)播發(fā)，播發(fā)間隔不大于5分鐘數(shù)據(jù)齡有效期，一般情況下，AIS基站的覆蓋距離在20海里，近35公里左右，多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距改正信息空間相關(guān)性較大，即AIS基站附近的RBN-DGNSS和BD-CORS基準(zhǔn)站相對密集，可實(shí)現(xiàn)分米級定位精度。該方式符合IALA 124號建議指南。

（3） 公用4G網(wǎng)絡(luò)：由于可以采用雙向數(shù)據(jù)通信，通過請求的方式定位，先發(fā)送定位終端自身的概略位置，可以優(yōu)化多基準(zhǔn)站聯(lián)合差分時基準(zhǔn)站選取的模型，多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分?jǐn)?shù)據(jù)處理中心在綜合偽距改正生成時可以根據(jù)該位置選擇合適的（空間相關(guān)性最大）基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)，類似于CORS定位，也可采用RTCM 3.x格式播發(fā)載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)，提供厘米級的定位精度。

設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)如圖1-1所示：

2 多站聯(lián)合偽距差分原理和實(shí)現(xiàn)

2.1 多站聯(lián)合偽距差分原理

偽距差分定位的誤差，剔除接收機(jī)內(nèi)部噪聲、通道延遲和多路徑效應(yīng)等自身的誤差外，主要取決于其與基準(zhǔn)站的空間相關(guān)性，一般而言，定位精度隨著基線長度的增加而衰減，即接收設(shè)備與基準(zhǔn)站之間距離對偽距差分的精度有決定性影響[2]。

多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分的原理是采用各基準(zhǔn)站的原始觀測數(shù)據(jù)分別計(jì)算其偽距改正數(shù)，并根據(jù)用戶設(shè)備所處的相對位置（與各基準(zhǔn)站的不同距離），通過合理的內(nèi)插算法生成特定的偽距改正數(shù)并發(fā)送給用戶設(shè)備，用戶設(shè)備利用該偽距改正數(shù)進(jìn)行差分定位以獲得更高的定位精度[3]。

知道衛(wèi)星星歷和基準(zhǔn)站坐標(biāo)可以求出衛(wèi)星到基準(zhǔn)站真實(shí)距離，則偽距改正數(shù)可以表示為：

當(dāng)接收機(jī)距離基準(zhǔn)站在一定的范圍內(nèi)時，通過接收機(jī)偽距測量值加上偽距改正數(shù)：可以消除電離層，大氣層和星歷誤差。

其中可以由基準(zhǔn)站發(fā)送信息中得到?！鱀作為一個位置參數(shù)，通過觀測4顆以上共視衛(wèi)星，就可以解算出用戶接收機(jī)的坐標(biāo)，但隨著距離的增大，大氣誤差相關(guān)性減弱，定位精度必然降低。因此，當(dāng)用戶接收機(jī)周圍有多個基準(zhǔn)站時，就可以充分利用各個基準(zhǔn)站偽距改正數(shù)來綜合修正用戶接收機(jī)的偽距觀測值[4]。

從（2）式中可以看出，偽距改正數(shù)不僅包括電離層、大氣層誤差改正，而且還包含衛(wèi)星鐘差和基準(zhǔn)站接收機(jī)鐘差，在融合多基準(zhǔn)站偽距改正數(shù)時，因各基準(zhǔn)站接收機(jī)鐘差不存在一定的線性關(guān)系，若將該項(xiàng)也采用空間相關(guān)模型進(jìn)行融合改正，必將引起更大的偏差。根據(jù)參考文獻(xiàn)，可以采用偽距差分改進(jìn)模型，去除基準(zhǔn)站接收機(jī)鐘差影響[5]。改進(jìn)后的偽距改正數(shù)受測站空間距離影響較大，因此在進(jìn)行多基準(zhǔn)站偽距改正數(shù)融合計(jì)算時，可以采用與空間相關(guān)的誤差模型。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，采用Han等2000年提出的線性組合內(nèi)插模型，不僅可以消除空間相關(guān)誤差，還能有效減弱多路徑效應(yīng)及觀測噪聲的影響[3]。

北斗/GPS雙模偽距差分定位的原理與單系統(tǒng)偽距差分定位原理基本相同，但采用雙系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行偽距差分定位時，可用衛(wèi)星數(shù)會大大增加，考慮到各導(dǎo)航定位系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性，需要給北斗和GPS分配相應(yīng)不同的權(quán)重。除此之外，兩者在數(shù)學(xué)模型上并無區(qū)別。

2.2多站聯(lián)合偽距差分定位實(shí)現(xiàn)

多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分首先通過網(wǎng)絡(luò)獲取各基準(zhǔn)站偽距觀測值，根據(jù)各個基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)實(shí)時解算各衛(wèi)星對應(yīng)的偽距改正數(shù)，然后根據(jù)用戶和播發(fā)方式的不同，主要考慮空間地理相關(guān)性，采用不同的內(nèi)插模型融合生成綜合偽距改正數(shù)和改正數(shù)變化率，最后將綜合偽距改正信息編碼生成RTCM V2.3，經(jīng)一定的數(shù)據(jù)鏈路播發(fā)給用戶接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)差分定位。該方法，數(shù)學(xué)模型較為簡單，精度較單站偽距差分能有顯著提高，其實(shí)現(xiàn)流程如下圖2-1所示。

由圖2-1可見，如何綜合利用各基準(zhǔn)站偽距改正數(shù)解算出用戶終端偽距改正數(shù)是采用多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分定位的關(guān)鍵所在。

3 系統(tǒng)完好性監(jiān)控

現(xiàn)有的RBN-DGNSS系統(tǒng)的完好性監(jiān)控有本地監(jiān)控和遠(yuǎn)場監(jiān)控兩種模式，均是通過信標(biāo)接收機(jī)接收到發(fā)射臺發(fā)射的信號后，利用接收到的偽距改正數(shù)（PRC）和偽距改正數(shù)變化率（RRC）來計(jì)算自身的位置，如果計(jì)算出的位置超出了預(yù)設(shè)的門限值就會發(fā)出警告。而多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分采用多站聯(lián)合解算的模式，可以在綜合改正數(shù)分發(fā)前將差分?jǐn)?shù)據(jù)與基準(zhǔn)站偽距觀測值在數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行差分定位解算，再與基準(zhǔn)站精確位置進(jìn)行比對，如果超出預(yù)設(shè)的門限，該改正數(shù)就被認(rèn)為是無效的，做丟棄不發(fā)送處理，這種改正信息播發(fā)前進(jìn)行的完好性監(jiān)控稱為預(yù)播發(fā)監(jiān)控模式，相對傳統(tǒng)的RBN-DGNSS完好性監(jiān)控模式，減少了無效數(shù)據(jù)的發(fā)送，提高了鏈路效率和接收終端差分定位的可靠性。預(yù)播發(fā)監(jiān)控算法如圖3-1所示：

由于采用了預(yù)播發(fā)監(jiān)控，原有RBN-DGNSS臺站本地的完好性監(jiān)控理論上可以不要，使其作為基準(zhǔn)站備份，然而，由于本地完好性監(jiān)控能對無線電指向標(biāo)信號進(jìn)行接收和監(jiān)測，故本設(shè)計(jì)保留臺站本地完好性監(jiān)控站，繼續(xù)按照RTCM 基準(zhǔn)站完好性監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)（RSIM）執(zhí)行本地監(jiān)控。從圖3可以看出，預(yù)播發(fā)監(jiān)控分為以下兩個類型[1]：

（1）衛(wèi)星相關(guān)監(jiān)控

預(yù)播發(fā)監(jiān)控執(zhí)行對失效衛(wèi)星的檢測。如果有以下情況，表明衛(wèi)星失效：

○GPS、BDS系統(tǒng)提供者標(biāo)記衛(wèi)星為“unhealthy（不健康）”，

○DGNSS系統(tǒng)服務(wù)提供者標(biāo)記衛(wèi)星為“unhealthy（不健康）”，

○偽距改正數(shù)PRC或者偽距改正數(shù)變化率RRC超出了用戶預(yù)設(shè)的門限值。

由于進(jìn)行了以上各項(xiàng)的檢測，預(yù)播發(fā)監(jiān)控算法將會組織改正信息的播發(fā)，或者用RTCM電文（類型1、類型9-3、類型42）標(biāo)記衛(wèi)星狀態(tài)為“do not use（不要使用）”。

（2）對多基準(zhǔn)站生成的改正信息質(zhì)量進(jìn)行完好性監(jiān)控

預(yù)播發(fā)監(jiān)控的主要任務(wù)是檢測錯誤的或者不夠精確的多基準(zhǔn)站綜合偽距改正信息。計(jì)算的依據(jù)是解算的位置與給定位置的偏離量以及預(yù)設(shè)的門限值。對這種完好性監(jiān)控而言，改正信息生成時，使用的是獨(dú)立的GNSS原始數(shù)據(jù)流，而這些數(shù)據(jù)流并非多基準(zhǔn)站聯(lián)合生成改正信息過程中所產(chǎn)生的。如果是以下情形，就認(rèn)為多基準(zhǔn)站生成的綜合改正信息流是失效的。

○計(jì)算出來的位置誤差高于預(yù)設(shè)的門限

→虛擬基準(zhǔn)站將被標(biāo)記為“不健康（unhealthy）”

○不能獲取監(jiān)控對象或者監(jiān)控功能不能執(zhí)行

→虛擬基準(zhǔn)站將被標(biāo)記為“未被監(jiān)控（unmonitored）”

兩種完好性監(jiān)測功能必須在10s的警告時間（TTA）限制內(nèi)進(jìn)行。

4 結(jié)語

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，尤其是我國北斗系統(tǒng)的不斷完善，現(xiàn)有RBN-DGNSS系統(tǒng)必須適應(yīng)技術(shù)發(fā)展而進(jìn)行升級改造，在IALA相關(guān)建議框架下，通過多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分，以RBN、AIS以及其他通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)，是一種積極的探索，同時，這種解決方案也符合e-航海關(guān)于將不同功能分離至不同服務(wù)的架構(gòu)。相關(guān)多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分算法和預(yù)播發(fā)監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)還需要進(jìn)一步研發(fā)，并進(jìn)行實(shí)際效果測試，相信經(jīng)過軟硬件優(yōu)化，基于多基準(zhǔn)站聯(lián)合偽距差分的RBN-DGNSS系統(tǒng)再改造在不久的將來將會成為現(xiàn)實(shí)，真正在我國沿海實(shí)現(xiàn)廣域米級、沿岸分米級、重點(diǎn)水域厘米級的定位服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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