一種DGNSS軟差分實(shí)現(xiàn)方式

賈玉良+黃亮

摘 要：隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)GNSS的精度要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的差分定位系統(tǒng)（DGNSS）在給航運(yùn)、測(cè)繪等領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)的同時(shí)，隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，其系統(tǒng)兼容性差，無(wú)法拓展，升級(jí)維護(hù)困難等一系列問題也日益突出。國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）推薦使用“軟件參考值和完善性監(jiān)測(cè)（RSIM）”方案，即軟差分方式，來(lái)規(guī)劃未來(lái)DGNSS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)。本文結(jié)合軟件無(wú)線電技術(shù)，提出了一種合理的軟差分DGNSS架構(gòu)，為未來(lái)我國(guó)RBN_DGPS臺(tái)站升級(jí)提供有意義的參考。

關(guān)鍵詞：DGNSS 軟件無(wú)線電 MSK

1.引言

作為一種重要的岸基增強(qiáng)系統(tǒng)（Ground Based Augmentation S y s t e m），無(wú)線電信標(biāo)D G N S S（R B N _ D G P S）主要由基準(zhǔn)站（RS）、播發(fā)臺(tái)（TX）、完善性監(jiān)測(cè)站（IM）組成，見圖一。

基準(zhǔn)站由兩臺(tái)GPS接收機(jī)和兩臺(tái)調(diào)制器構(gòu)成。接收天線安放在位置已精確測(cè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)上，跟蹤視野內(nèi)的所有衛(wèi)星，計(jì)算出相對(duì)每顆衛(wèi)星的修正信息，然后依照特定格式送至調(diào)制器。調(diào)制器采用最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制方式將該修正信息調(diào)制到無(wú)線電信標(biāo)載頻上。

播發(fā)臺(tái)由兩臺(tái)發(fā)射機(jī)、天線調(diào)諧器和天線組成，按照規(guī)定強(qiáng)度和速率播發(fā)DGPS修正信息和信標(biāo)狀況及基準(zhǔn)站狀態(tài)信息。

完善性監(jiān)控臺(tái)由GPS接收機(jī)、信標(biāo)接收機(jī)和完善性監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。主要用于監(jiān)測(cè)GPS系統(tǒng)的完善性和播發(fā)的差分修正值的正確性。

IALA R-135建議中提到了影響現(xiàn)有DGNSS系統(tǒng)的幾個(gè)因素：一是現(xiàn)有設(shè)備以及算法過(guò)時(shí)，一些設(shè)備廠商已經(jīng)從這個(gè)市場(chǎng)消失，導(dǎo)致設(shè)備的維護(hù)變得困難；二是DGNSS的不斷發(fā)展，需要引入新的消息類型和新設(shè)備，發(fā)展一種新操作模式，來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻DGNSS服務(wù)；三是新技術(shù)的成熟，使得DGNSS系統(tǒng)原有實(shí)施方法需要被重新審視；四是IMO對(duì)GNSS接收機(jī)要求在不外加設(shè)備的前提下提供自主完善性監(jiān)控。而這是現(xiàn)有GNSS星圖無(wú)法滿足的。另外，現(xiàn)有DGNSS無(wú)法滿足IMO對(duì)未來(lái)GNSS的要求，例如，精度1m等。同時(shí)IALA指出了DGNSS服務(wù)改造的要求和原則：一是保持良好的向下兼容性；二是靈活的支持以后出現(xiàn)的服務(wù)需求，比如多模GNSS、測(cè)距和通訊功能；三是解決方案應(yīng)符合國(guó)際通用的規(guī)范；四是改造后的系統(tǒng)存活期至少十年。

在IALA提出的多種DGNSS改造方案中，軟件參考站和完善性監(jiān)測(cè)（RSIM）方案，也就是軟差分方式，使用軟件模擬原有硬件設(shè)備功能，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理，并通過(guò)模塊化的處理模塊，構(gòu)成了一個(gè)開放式的平臺(tái)，認(rèn)識(shí)的整個(gè)系統(tǒng)的兼容性和拓展性都得到了滿足。

2.軟差分DGNSS架構(gòu)

在RSIM模式中，通過(guò)軟件無(wú)線電技術(shù)，將將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元（這里就是接受天線、發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線等通用設(shè)備）以總線方式連接構(gòu)成基本的DGNSS系統(tǒng)平臺(tái)，并通過(guò)軟件加載實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)、RTCM報(bào)文編解碼、通信協(xié)議、性能監(jiān)控，遠(yuǎn)程控制等一系列的功能模塊。見圖二。

根據(jù)軟件無(wú)線電技術(shù)的原則，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該是A/D和D/A轉(zhuǎn)化器盡可能靠近天線。在本系統(tǒng)架構(gòu)中，原有的基準(zhǔn)站和完善性監(jiān)測(cè)被抽象成幾個(gè)彼此獨(dú)立的功能模塊，模塊之間通過(guò)通用接口傳輸數(shù)據(jù)，完成差分信息播發(fā)整個(gè)流程。

（1）GNSS中頻數(shù)據(jù)處理模塊和MSK解調(diào)模塊

這兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的是接收信號(hào)的解調(diào)功能，GNSS中頻數(shù)據(jù)處理模塊主要包括信號(hào)的捕獲、跟蹤、解調(diào)和同步，由于大量數(shù)據(jù)運(yùn)算要在臺(tái)式機(jī)內(nèi)完成，為了保證足夠的運(yùn)算速度，這里考慮使用DFT（Discrete Fourier Transform）和FFT（Fast Fourier Transform）算法來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)處理。MSK解調(diào)模塊中，考慮使用非相干解調(diào)中的差分?jǐn)?shù)字解調(diào)算法，該算法對(duì)信號(hào)的頻偏和相移不明顯，可以實(shí)現(xiàn)良好的解調(diào)效果，但是應(yīng)注意該算法對(duì)信號(hào)同步要求嚴(yán)格。同時(shí)，兩個(gè)模塊都要考慮串口數(shù)據(jù)接收模塊問題，這里推薦使用多線程技術(shù)。

（2）導(dǎo)航數(shù)據(jù)編解碼模塊

該模塊主要對(duì)鏈路層和傳輸層數(shù)據(jù)處理，主要包括對(duì)采處集的GNSS原始數(shù)據(jù)和RTCM數(shù)據(jù)進(jìn)行差分結(jié)果解算，RTCM報(bào)文的生成，NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和RSIM協(xié)議的支持等。由于RTCM委員會(huì)最新推出了RTCM3.2版本，該版本增加和擴(kuò)展了多種網(wǎng)絡(luò) RTK信息，定義了包含GPS、GLONASS、GALILEO和BDS的多信號(hào)信息組（MSM）。在對(duì)RTCM報(bào)文進(jìn)行編解碼模塊設(shè)計(jì)時(shí)，考慮對(duì)MSM電文組的支持，對(duì)軟差分DGNSS的拓展性有著極大的幫助。

（3）MSK解調(diào)制模塊

傳統(tǒng)MSK調(diào)制器采用將差分修正信息和信標(biāo)副載波進(jìn)行調(diào)制。在該模塊設(shè)計(jì)中，可以考慮使用兩種算法：一種是將雙極性不歸零矩形序列通過(guò)調(diào)頻指數(shù)為的調(diào)頻器直接生成相位連續(xù)，包絡(luò)恒定的信號(hào)；第二種是根據(jù)信號(hào)的正交調(diào)制表示形式，利用正交調(diào)制法產(chǎn)生信號(hào)。這兩種方式在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)MSK信號(hào)的調(diào)制都有很好的效果。

（4）完善性監(jiān)測(cè)模塊

該模塊主要是對(duì)應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層數(shù)據(jù)的處理，主要應(yīng)該包括性能參數(shù)監(jiān)控、異常告警處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)，硬件控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸、系統(tǒng)設(shè)置和安全管理。完善性監(jiān)測(cè)模塊面向終端用戶，要充分考慮設(shè)計(jì)的內(nèi)在邏輯性和用戶的易用性。

（5）模塊數(shù)據(jù)傳輸和接口設(shè)計(jì)

該架構(gòu)中各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸要充分考慮接口的通用性和拓展性，便于以后對(duì)平臺(tái)的拓展和升級(jí)。這里可以考慮使用企業(yè)總線服務(wù)（ESB，Enterprise Service Bus）實(shí)現(xiàn)。ESB提供了一種開放的、基于標(biāo)準(zhǔn)的消息機(jī)制，通過(guò)簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)適配器和接口，來(lái)完成粗粒度應(yīng)用（服務(wù)）和其他組件之間的互操作。ESB除了對(duì)基于軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)的DGNSS平臺(tái)各模塊數(shù)據(jù)交換傳輸有著良好的支持外，通過(guò)合適的接口設(shè)計(jì)，也能對(duì)現(xiàn)有DGNSS系統(tǒng)進(jìn)行兼容，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的充分利用。

3.總結(jié)

隨著原有DGNSS系統(tǒng)的老化和各個(gè)國(guó)家對(duì)IALA R-135建議書內(nèi)容的不斷實(shí)踐，美國(guó)等航運(yùn)大國(guó)都已在軟差分DGNSS平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)施上有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。我國(guó)沿海RBN_DGPS臺(tái)站大部分建設(shè)于2000年以前，面臨的設(shè)備老化技術(shù)落后的問題。該方案為將來(lái)我國(guó)沿海RBN_DGPS臺(tái)站的升級(jí)和R-135建議的落地提供了一些有意義的思考。由于篇幅和時(shí)間限制，本文沒有對(duì)架構(gòu)中各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的描述，同時(shí)隨著分布式軟件無(wú)線電技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的成熟，在未來(lái)實(shí)施中，具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)也會(huì)因技術(shù)的不斷進(jìn)步而有所不同。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣晞.我國(guó)RBN/DGPS的現(xiàn)狀與發(fā)展[A].中國(guó)航海學(xué)會(huì)船舶機(jī)電與通信導(dǎo)航專業(yè)委員會(huì).中國(guó)航海學(xué)會(huì)船舶機(jī)電與通信導(dǎo)航專業(yè)委員會(huì)2002年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（通信導(dǎo)航分冊(cè)）[C]. 中國(guó)航海學(xué)會(huì)船舶機(jī)電與通信導(dǎo)航專業(yè)委員會(huì)，2002：6.

[2]IALA Recommendation R-135 On The Future of DGNSS， Edition 2，December 2008.

[3]趙雪.MSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)[D].北京郵電大學(xué)，2013.

[4]劉濤，侯秀萍.基于E S B的S O A架構(gòu)的企業(yè)應(yīng)用研究[J ] .計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，（05）：230-233.endprint