北斗差分信息在航運(yùn)導(dǎo)航上的播發(fā)研究

趙顯峰 房延軍 張楊

摘 要：北斗差分信息是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的重要組成部分，在航運(yùn)導(dǎo)航上實(shí)現(xiàn)北斗差分信息的播發(fā)，能夠向社會(huì)船舶或行業(yè)用戶提供厘米級(jí)至米級(jí)精密導(dǎo)航定位和終端輔助差分服務(wù)，加大北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在我國(guó)航運(yùn)及更大范圍的應(yīng)用推廣，提升對(duì)船舶、港口等用戶機(jī)構(gòu)的服務(wù)質(zhì)量，為航運(yùn)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：北斗;AIS;播發(fā)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)）是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是國(guó)家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。國(guó)家穩(wěn)步推進(jìn)北斗系統(tǒng)建設(shè)，2012年底北斗系統(tǒng)已向亞太區(qū)域提供服務(wù)，2018年底面向“一帶一路”沿線及周邊國(guó)家提供基本服務(wù)，2020年前后完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，向全球提供服務(wù)。

北斗差分系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的重要組成部分，構(gòu)建北斗差分系統(tǒng)，能夠向社會(huì)船舶或社會(huì)用戶提供厘米級(jí)至米級(jí)精密導(dǎo)航定位和終端輔助增強(qiáng)服務(wù)。交通運(yùn)輸部對(duì)北斗系統(tǒng)應(yīng)用工作高度重視，緊跟北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展步伐，深入?yún)⑴c北斗系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)，在沿海和長(zhǎng)江干線建成了一批北斗增強(qiáng)基準(zhǔn)站，以提供高精度衛(wèi)星導(dǎo)航和基本數(shù)據(jù)服務(wù)為主，向行業(yè)、社會(huì)提供公益性、開放的普遍性服務(wù)。

1 需求分析

1.1用戶服務(wù)模式

我國(guó)通航水域環(huán)境復(fù)雜，船舶密度高，為了提高航運(yùn)管理水平和服務(wù)質(zhì)量，航運(yùn)船舶配置了AIS、VHF等設(shè)備，管理部門也建設(shè)了VTS等安全監(jiān)管系統(tǒng)，但上述設(shè)施所能提供的精度一般在5-10米左右。當(dāng)船舶航行在狹窄航道或者船舶高密度水域時(shí)，受制于定位精度和自動(dòng)化預(yù)警水平，水上交通事故仍屢有發(fā)生。保障船舶航行的安全和效率是航運(yùn)管理部門的核心目標(biāo)，而加強(qiáng)水上交通運(yùn)輸管理有賴于船舶導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的提高。

北斗差分系統(tǒng)應(yīng)能夠提供兩種服務(wù)模式，即提供基于偽距差分等技術(shù)的廣播模式和基于載波相位差分技術(shù)的用戶交互模式。

（1）實(shí)時(shí)廣播模式：利用播發(fā)臺(tái)站向周邊用戶無間斷連續(xù)播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，用戶可通過終端設(shè)備自動(dòng)接收差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，并解算自身精確的位置信息。就增強(qiáng)數(shù)據(jù)的獲得而言，信息的傳輸是單向的。

（2）用戶交互模式：用戶通過終端設(shè)備與差分服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，獲得差分網(wǎng)提供的差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，由此解算自身定位，信息傳輸是雙向的。

1.2信息播發(fā)方式

根據(jù)船舶用戶的使用需求，北斗差分系統(tǒng)普通導(dǎo)航的廣播播發(fā)服務(wù)方式選擇采用AIS系統(tǒng)來提供差分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)，其優(yōu)勢(shì)如下：

（1）不增加船舶用戶負(fù)擔(dān)。在現(xiàn)行規(guī)定下，AIS為國(guó)際通用并作為沿海和內(nèi)河航行的絕大部分船舶強(qiáng)制配置設(shè)備。

（2）節(jié)省投資。我國(guó)已建成有較為完善的AIS網(wǎng)絡(luò)覆蓋，利用現(xiàn)有AIS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)播發(fā)，體現(xiàn)資源共享、投資效益最大化的優(yōu)勢(shì)。

（3）便于監(jiān)管機(jī)關(guān)獲取大量船舶精確位置信息。AIS作為成熟的船舶安全監(jiān)管手段之一，在現(xiàn)有AIS及相關(guān)平臺(tái)上即可獲得經(jīng)北斗地基系統(tǒng)修正后的船舶精確位置，有利于與現(xiàn)有監(jiān)管手段的銜接。

（4）國(guó)際通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際海事無線電技術(shù)委員會(huì)第104專委會(huì)（RTCM SC104）發(fā)布RINEX3.03版本，作為導(dǎo)航領(lǐng)域最重要的國(guó)際通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式，RINEX已經(jīng)全面支持北斗系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)方案

2.1可行性

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）技術(shù)要求》（GB/T 20068-2017）11.3.16規(guī)定，AIS系統(tǒng)17號(hào)報(bào)文用于GNSS差分信息播發(fā)，RTCM協(xié)議的差分?jǐn)?shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為17號(hào)報(bào)文格式才能通過AIS基站播發(fā)。

其中，數(shù)據(jù)段有最大736比特的空間來發(fā)送消息，北斗差分信息可以通過數(shù)據(jù)段來發(fā)送。

根據(jù)《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）接收機(jī)差分?jǐn)?shù)據(jù)格式》（BD 410002-2015）規(guī)定，1、9號(hào)電文用于GPS差分信息播發(fā)，41號(hào)電文可用于北斗差分信息播發(fā)。導(dǎo)航系統(tǒng)中差分?jǐn)?shù)據(jù)一般按照RTCM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn);而在RTCM3.3的規(guī)定中，已經(jīng)為北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)信息提供了10個(gè)報(bào)文格式，這就為AIS接收北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)條件。目前，已有AIS設(shè)備廠家開發(fā)完成相應(yīng)的基站和用戶終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)AIS播發(fā)GPS/北斗雙模差分信息播發(fā)，并通過測(cè)試驗(yàn)證。

2.2時(shí)隙占用分析

在AIS系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)容量被定義為一個(gè)AIS系統(tǒng)每個(gè)信道可以承擔(dān)的臺(tái)站數(shù)量，其監(jiān)測(cè)容量是衡量其服務(wù)質(zhì)量好壞的一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。

當(dāng)北斗差分信息以AIS 17號(hào)報(bào)文的形式播發(fā)，17號(hào)報(bào)文信息最多需要7個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸，以每分鐘播發(fā)4次的頻率計(jì)算，共占AIS單通道總時(shí)隙數(shù)的1.25%，大致相當(dāng)于5艘船舶的信道容量。因此，采用17號(hào)報(bào)文播發(fā)北斗差分信息基本不會(huì)影響AIS系統(tǒng)的原有功能。

2.3實(shí)施方案

AIS播發(fā)服務(wù)器可從北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)接收差分增強(qiáng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并將格式轉(zhuǎn)換后的北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)分發(fā)至指定或全部的AIS基站，由AIS基站按照17號(hào)報(bào)文的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行播發(fā)。同時(shí)船舶可通過自身安裝的具有17號(hào)報(bào)文接收功能的AIS船臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，從而對(duì)自身定位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

3 建議

目前，北斗相關(guān)數(shù)據(jù)尚未納入現(xiàn)行AIS電文協(xié)議，為利于今后終端設(shè)備的應(yīng)用推廣，建議主管部門推動(dòng)制定相關(guān)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)AIS電文體系納入北斗增強(qiáng)數(shù)據(jù)格式。

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