基于AIS的BDS差分數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)研究、驗證及其應(yīng)用展望

沈建軍,龐波波,盧紅洋,于淵,王文良

(1. 交通運輸部長江通信管理局,湖北 武漢 430014;2. 中國交通通信信息中心,北京 100011; 3. 航天恒星科技有限公司,北京 100095)

0 引 言

交通運輸行業(yè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)應(yīng)用工作是一項戰(zhàn)略性、長期性工作,分階段穩(wěn)步推動BDS在交通行業(yè)實現(xiàn)全覆蓋,實現(xiàn)行業(yè)與BDS相互促進、共同發(fā)展,是建設(shè)交通強國的重要支撐[1]. 目前,自動識別系統(tǒng)(AIS)作為海事領(lǐng)域信息服務(wù)播發(fā)的重要方式,通過AIS實時廣播BDS差分數(shù)據(jù)是長江干線BDS地基增強系統(tǒng)工程的重點建設(shè)內(nèi)容. 但遺憾的是,AIS不支持BDS差分數(shù)據(jù)的播發(fā),所以本文通過播發(fā)方案設(shè)計和測試演示系統(tǒng)搭建,開展了基于AIS的BDS差分數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)的研究、驗證工作，并對其應(yīng)用進行了展望.

1 BDS差分數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 AIS差分信息電文傳輸及通信協(xié)議

“在VHF水上移動頻段內(nèi)使用時分多址的自動識別系統(tǒng)的技術(shù)特性標(biāo)準”(以下簡稱“ITU-R M.1371-5”),規(guī)定AIS 17號報文播發(fā)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)差分數(shù)據(jù),格式遵循ITU-R M.823《為工作在第一區(qū)283.5 kHz～315 kHz和第二區(qū)及第三區(qū)285 kHz～325 kHz頻帶水上無線電信標(biāo)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的差分傳送技術(shù)的特性》(以下簡稱“ITU-R M.823”)協(xié)議[2],見表1,但其中未定義BDS的消息類型. 所以本文對播放方式、內(nèi)容、格式和頻度上進行了重設(shè)和重組,如表2所示.

播放方式參照ITU-R M. 823-3協(xié)議[3]和BD 410002—2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機數(shù)據(jù)差分數(shù)據(jù)格式(一)》(以下簡稱“BD 410002—2015)[4],滿足AIS的相關(guān)協(xié)議要求.

播發(fā)內(nèi)容按照AIS 17號報文格式播發(fā)差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(DGNSS)數(shù)據(jù),固定電文41用于播發(fā)BDS差分數(shù)據(jù),可選電文1用于播發(fā)GPS差分數(shù)據(jù). 內(nèi)容上選擇國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會標(biāo)準協(xié)議2.3版本(RTCM 2.3)中包含的差分修正數(shù)據(jù)電文或?qū)μ岣叨ㄎ痪扔欣娢?參照BD 410002—2015中規(guī)定的用于改正差分基準站和流動站(用戶終端)各種誤差的數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容.

播發(fā)格式符合BD 410002—2015中第4部分“電文內(nèi)容和數(shù)據(jù)格式”中對數(shù)據(jù)格式的定義. 播發(fā)前需先將接收到的RTCM格式電文打包成AIS 17號報文,再進行播發(fā).

表2 RTCM差分數(shù)據(jù)格式

播發(fā)頻度上,GNSS動態(tài)差分定位的解算頻率取決于接收到的衛(wèi)星歷元的數(shù)量和頻率,對包含GNSS差分改正數(shù)的電文數(shù)據(jù)的播發(fā)需要盡可能頻繁,對于包含其他參數(shù)和信息的電文數(shù)據(jù)的播發(fā)頻率則可根據(jù)需要而定,參照ITU-R M.823-3.

1.2 信道接入

信道接入采用FATDMA方案,該方案用于靜態(tài)分配,僅用于基站報告,預(yù)先聲明并且固定的傳送計劃,避免使用己經(jīng)被分配的時隙[5],在AIS信號重疊區(qū)域內(nèi),需將相鄰基站的播發(fā)時隙錯開,避免時隙沖突. 在緊急情況下可使用RATDMA方案,廣播高時效性緊急電文,但應(yīng)盡量避免使用.

1.3 增強信號的播發(fā)頻率

根據(jù)IALA建議,單個衛(wèi)星系統(tǒng)最大可見星數(shù)一般不超過15顆,應(yīng)分配3個時隙. 本方案采用每間隔15 s發(fā)送數(shù)據(jù),每個通道1幀(60 s)發(fā)送兩次,共占用12個時隙的發(fā)送策略,如圖1所示.

圖1 時隙分配示意圖

1.4 差分數(shù)據(jù)生成和播發(fā)

AIS基準站將觀測的原始數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)中心,建立基站網(wǎng)絡(luò)的大氣模型,包括電離層、對流層模型等;AIS播發(fā)站模擬高精度定位用戶,向數(shù)據(jù)中心申請數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)中心經(jīng)過載波相位差分技術(shù)(RTK)解算生成差分數(shù)據(jù);解析RTCM電文轉(zhuǎn)換為17號報文,封裝成DGNSS二進制電文,再分發(fā)到各個AIS基站進行播發(fā).

1.5 差分數(shù)據(jù)的接收與使用

AIS基站廣播DGNSS二進制電文,AIS船載終端航行在附近水域時,可以通過天線接收到基站廣播的電文,終端將二進制電文解析并將其封裝成RTCM格式的數(shù)據(jù),通過串口發(fā)送到終端差分定位模塊,實現(xiàn)偽距差分定位,提高定位精度.

2 BDS差分數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)測試驗證

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

我們在南京搭建了測試驗證系統(tǒng),系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示,主要包括:

BDS基準站:BDS基準站接收BDS衛(wèi)星信號,生成的差分數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到地基增強服務(wù)器,分別在長江南京通信管理局樓頂、儀征派出所樓頂、鎮(zhèn)江港務(wù)局樓頂架設(shè)BDS基站,通過長江專網(wǎng)向數(shù)據(jù)中心發(fā)送基站數(shù)據(jù).

圖2 測試系統(tǒng)架構(gòu)

地基增強服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心軟件:服務(wù)器接收BDS基準站數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理軟件計算差分數(shù)據(jù),并通過網(wǎng)絡(luò)推送給用戶;服務(wù)器布設(shè)在長江南京通信管理局機房,并接入長江專網(wǎng),接收三個基準站的數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)中心軟件接收數(shù)據(jù)后進行解算,計算差分數(shù)據(jù),并通過NTRIP(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol)協(xié)議向用戶提供服務(wù),一個AIS播發(fā)站按照一個用戶來處理,同時數(shù)據(jù)中心還開通對外服務(wù)端口,可通過公網(wǎng)訪問服務(wù)獲取差分數(shù)據(jù).

AIS播發(fā)站:接收地基增強服務(wù)器生成的差分數(shù)據(jù),并通過AIS鏈路播發(fā)給AIS船臺. 在新生圩安裝AIS播發(fā)站,數(shù)據(jù)播發(fā)軟件從數(shù)據(jù)中心軟件獲取新生圩地區(qū)的差分數(shù)據(jù),并通過TCP協(xié)議推送給AIS播發(fā)站,播發(fā)站收到差分數(shù)據(jù),把差分數(shù)據(jù)打包到AIS17號報文播發(fā)出去.

船載設(shè)備:主要包括AIS船臺(普通船臺和BDS差分船臺),BDS差分船臺接收播發(fā)站的17號報文進行實現(xiàn)差分定位.

BDS高精度定位終端:通過公網(wǎng)訪問服務(wù)器的外網(wǎng)端口,直接從服務(wù)器獲取差分數(shù)據(jù),實現(xiàn)RTK厘米級定位.

2.2 系統(tǒng)測試驗證

2.2.1 BDS差分數(shù)據(jù)播發(fā)的功能測試

BDS AIS播發(fā)站通過長江數(shù)據(jù)專網(wǎng)接收差分數(shù)據(jù)服務(wù)器推送的差分報文(RTCM2.4協(xié)議,GPS 1號、BDS 41號消息),并打包成AIS-17號報文進行播發(fā),船臺接收AIS-17號報文后,解析17號報文提取差分報文并發(fā)送給船臺定位模塊,實現(xiàn)差分定位．測試過程中,差分船臺接收到AIS播發(fā)的BDS差分報文如圖3所示,差分船臺已完成BDS差分定位如圖4所示.

圖3 差分船臺接收到AIS-17號報文

圖4 差分船臺差分定位狀態(tài)

2.2.2 BDS差分定位的性能測試

1) AIS差分船臺靜態(tài)精度測試

靜止?fàn)顟B(tài)精度分析軟件接收船臺輸出的定位數(shù)據(jù),與測試點的坐標(biāo)真值(靜態(tài)后處理結(jié)果,毫米級精度)進行比較,計算船臺定位偏差量. 測試過程中,圖5為普通船臺的定位精度示意圖,計算定位數(shù)據(jù)與坐標(biāo)真值的參數(shù)偏差值,并統(tǒng)計各參數(shù)誤差和定位誤差的最大值,最小值和平均誤差值等. 圖6為差分船臺靜態(tài)定位示意圖,圖中固定距標(biāo)圈間隔為1 m,可直觀顯示定位數(shù)據(jù)與坐標(biāo)真值的偏差. 測試結(jié)果如表3所示.

圖5 普通船臺定位精度(BDS單點)

圖6 差分船臺靜態(tài)定位(BDS)

表3 AIS差分船臺靜態(tài)精度測試結(jié)果

2) AIS差分船臺動態(tài)精度測試

差分船臺RTD和載波相位差分RTK設(shè)置安裝在同一個移動載體上,兩個定位天線中心相距約10 cm,以RTK(厘米級精度)軌跡為基準,繪制兩種設(shè)備的軌跡,以軌跡偏差作為評判差分船臺的動態(tài)定位精度,測試過程如圖7、8所示,測試結(jié)果如表4所示.

圖7 AIS船位監(jiān)控平臺查詢到的動態(tài)定位精度測試軌跡

圖8 單BDS軌跡對比和偏差

表4 AIS差分船臺動態(tài)精度測試結(jié)果

2.2.3 測試結(jié)果分析

經(jīng)測試結(jié)果可知,BDS差分數(shù)據(jù)播發(fā)的功能上,AIS播發(fā)站可正常播發(fā)BDS差分數(shù)據(jù),AIS差分船臺可正常接收差分數(shù)據(jù)并實現(xiàn)BDS差分定位;BDS差分定位的性能上,AIS差分船臺動靜態(tài)定位精度可達到米級,符合預(yù)期.

上述驗證了AIS播發(fā)BDS差分數(shù)據(jù)的可行性和BDS在長江干線能夠提供高精度的差分定位服務(wù),為全面推進BDS AIS播發(fā)系統(tǒng)和BDS高精度AIS船載終端在船舶航行,海事監(jiān)管,AIS航標(biāo)和航運信息服務(wù)等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

3 BDS差分數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用展望

3.1 船舶航行應(yīng)用

BDS高精度AIS船載終端定位精度可達到米級.有效提升AIS基站覆蓋區(qū)船舶動態(tài)定位精度,提供準備的位置數(shù)據(jù),在狹水道,密集水域增加船舶定位位置可靠性,利于助航設(shè)備提供有效避讓決策建議,船上人員準確判斷周圍水域態(tài)勢,采取合理避讓措施. 此外,充分發(fā)揮AIS終端設(shè)備告警提示作用,通過水域船舶位置信息精度的提升,降低頻繁的無效報警,有效減少值班人員疏忽,保障船舶航行安全.

3.2 海事監(jiān)管應(yīng)用

AIS系統(tǒng)配合雷達自動標(biāo)繪儀(APRA)與閉路監(jiān)控(CCTV),實時獲取周圍水域船舶動靜態(tài)信息,生成可視化的水上交通態(tài)勢,便于海事部門進行轄區(qū)船舶的動態(tài)監(jiān)督與管理. 基于BDS AIS差分播發(fā)系統(tǒng),提供轄區(qū)水域船舶高精度位置數(shù)據(jù)和精準判斷水域態(tài)勢,高質(zhì)量地捕獲和跟蹤動態(tài)船只目標(biāo),提供有效的海事動態(tài)監(jiān)管. 此外,通過事后厘米級的船舶軌跡回放,為海事調(diào)查和事故分析提供可靠的數(shù)據(jù)支撐[6].

3.3 AIS航標(biāo)應(yīng)用

相比目前AIS航標(biāo),BDS高精度AIS系統(tǒng)和終端在航標(biāo)的應(yīng)用,可提供更為精確位置的航標(biāo)助航服務(wù),氣象和水文信息資料,提高航標(biāo)移位告警及時性和準確度. 一方面在航標(biāo)養(yǎng)護上,結(jié)合航標(biāo)電子巡檢,針對性地進行現(xiàn)場修理和維護,節(jié)省成本[7];另一方面對于經(jīng)常發(fā)生的航標(biāo)被撞事件,可提供及時告警和周圍船舶準確軌跡回放,及時有效追查.

3.4 航運信息服務(wù)應(yīng)用

基于AIS獲取的船舶位置、船舶動靜態(tài)信息,搭建船舶,航線,港口,貨物流向,船舶流向,構(gòu)建多維度、多時空航運數(shù)據(jù)服務(wù)[8]. 為港航物流、航運保險、船舶營運提供決策運營的大數(shù)據(jù)支撐服務(wù).

4 結(jié)束語

隨著長江干線BDS地基增強設(shè)施的建設(shè),基于BDS AIS增強信息播發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用,在內(nèi)河、港口和狹水道等水域提供面向各類型船舶提供高精度定位服務(wù),最大發(fā)揮AIS系統(tǒng)助航作用,推動BDS AIS終端產(chǎn)品的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化,推進BDS在內(nèi)河應(yīng)用的全覆蓋,保障水域安全監(jiān)管與服務(wù),助力交通強國的建設(shè).