AIS鏈路GPS/北斗區(qū)域差分精確引航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 鵬

(成都天奧信息科技有限公司,四川成都610036)

AIS鏈路GPS/北斗區(qū)域差分精確引航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 鵬

(成都天奧信息科技有限公司,四川成都610036)

研究GPS/北斗區(qū)域差分技術(shù)在三峽庫區(qū)船舶精確引航的應(yīng)用,提出建立三峽大壩區(qū)域差分增強(qiáng)AIS岸基站,利用AIS船舶自動識別系統(tǒng)的通信鏈路傳輸GPS/北斗偽距差分信號,實(shí)現(xiàn)船載AIS終端高精度定位引航的設(shè)計(jì)方案。闡明了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu),描述了系統(tǒng)各單元的原理設(shè)計(jì)和主要功能,分析了AIS技術(shù)和DGPS技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),提出了基于AIS播發(fā)GPS/北斗偽距差分信號的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)建議,具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。

區(qū)域差分 船舶自動識別系統(tǒng) 偽距差分 精確引航

0 引 言

AIS船舶自動識別系統(tǒng)是提高水上交通安全管理水平的重要設(shè)施,系統(tǒng)基于GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),通過甚高頻VHF通信鏈路,采用TDMA方式實(shí)現(xiàn)岸基站與船臺、船臺與船臺之間的自組網(wǎng)通信,此外,也可實(shí)現(xiàn)對AIS數(shù)字航標(biāo)的遙測遙控。目前,長江干線水域AIS工程已覆蓋2800多公里的長江黃金水道,為提高長江干線水上交通安全監(jiān)管水平和應(yīng)急快速反應(yīng)能力,保障船舶航行安全發(fā)揮了重要的作用。在三峽庫區(qū),由于排隊(duì)等候通過三峽大壩的來往船舶數(shù)量眾多,管理部門開始嘗試?yán)肁IS系統(tǒng)的通信示位功能進(jìn)行船舶報(bào)關(guān)過閘的調(diào)度和安全監(jiān)控?；贕PS的船舶定位精度可達(dá)10 m,但由于江面船只密集,特別是船舶航運(yùn)旺季三峽大壩船舶通行十分繁忙,為了保障船舶避碰和安全過閘,需要進(jìn)一步提高船舶定位的可靠性和定位精度。

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正式運(yùn)營,北斗在交通運(yùn)輸領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前,北斗具有與GPS相當(dāng)?shù)乃?0 m定位精度。采用GPS/北斗雙模組合的定位方式,在三峽庫區(qū)航道多山遮擋的條件下,可以提高可見星的數(shù)量,有效提高船只定位的穩(wěn)定性和可靠性,同時(shí)確保系統(tǒng)的安全性。但雙模定位方式仍無法提高船只定位的精度。文中提出一種AIS鏈路GPS/北斗區(qū)域差分精確引航系統(tǒng)設(shè)計(jì),基于現(xiàn)行的AIS通信基礎(chǔ)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)三峽大壩船舶高精度引航和AIS數(shù)字航標(biāo)高精度助航[1]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

文中將系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)分為區(qū)域差分增強(qiáng)AIS岸基站設(shè)計(jì)、信號傳輸擴(kuò)展協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和差分高精度AIS船載終端設(shè)計(jì)三個(gè)方面。區(qū)域差分AIS岸基站除傳統(tǒng)的AIS發(fā)射臺和AIS基站控制器外,增加了GPS/北斗區(qū)域差分增強(qiáng)基站與AIS基站控制器連接,實(shí)現(xiàn)偽距差分的計(jì)算播發(fā)、偽距差分完善性監(jiān)測；信號傳輸擴(kuò)展協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)依托國際電信聯(lián)盟ITU-R M.1371標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的AIS基站17號報(bào)文,設(shè)計(jì)了兼容GPS/北斗雙模偽距差分信息的擴(kuò)展協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)MSG-17Ex,使獨(dú)立的GPS接收機(jī)、北斗接收機(jī)和GPS/北斗組合定位模式接收機(jī)均可以獲取相應(yīng)的偽距差分信息進(jìn)行差分解算；差分高精度AIS船載終端采用了GPS/北斗兼容設(shè)計(jì),支持GPS模式、北斗模式和組合模式定位,同時(shí)利用AIS信道接收區(qū)域差分增強(qiáng)AIS岸基站播發(fā)的MSG-17Ex報(bào)文數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)差分高精度定位。最終,業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精確引航和船舶報(bào)關(guān)過閘安全監(jiān)管。AIS鏈路GPS/北斗區(qū)域差分精確引航系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig.1 Architecture of overall design

2 區(qū)域差分增強(qiáng)AIS岸基站

區(qū)域差分增強(qiáng)AIS岸基站是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施,其關(guān)鍵設(shè)計(jì)是GPS/北斗區(qū)域差分增強(qiáng)基站。GPS/北斗區(qū)域差分增強(qiáng)基站包括三個(gè)單元。一是GPS/北斗基準(zhǔn)臺[2],二是完善性監(jiān)控臺,三是區(qū)域差分控制臺。

2.1 GPS/北斗基準(zhǔn)臺

GPS/北斗基準(zhǔn)臺是一臺兼容GPS L1頻點(diǎn)和北斗B1頻點(diǎn)的高性能衛(wèi)星信號接收機(jī)。接收機(jī)分為天線單元、信道單元、信號處理單元和數(shù)據(jù)處理單元四部分,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對GPS、B1衛(wèi)星信號的跟蹤、鎖定、測量,采用偽碼測距方式解出導(dǎo)航電文并計(jì)算偽距,然后由數(shù)據(jù)處理軟件根據(jù)區(qū)域差分控制臺輸入的本地已知精確坐標(biāo)建立數(shù)學(xué)方程,解算出測量衛(wèi)星信號各自的偽距修正值和偽距變化率修正值,并進(jìn)行數(shù)據(jù)打包工作。GPS/北斗基準(zhǔn)臺的組成設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 GPS/北斗基準(zhǔn)臺組成設(shè)計(jì)Fig.2 Structural design of GPS/COMPASS base station

2.2 完善性監(jiān)控臺

完善性監(jiān)控臺是一臺GPS/北斗差分接收機(jī),其硬件設(shè)計(jì)與GPS/北斗基準(zhǔn)臺相同,只是在接收GPS/北斗衛(wèi)星信號的同時(shí)通過串口接收區(qū)域差分控制臺轉(zhuǎn)發(fā)的基準(zhǔn)臺產(chǎn)生的偽距差分信息,其主要作用是對播發(fā)的GPS/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的差分信號進(jìn)行監(jiān)測,判斷其是否符合播發(fā)指標(biāo)要求。具體功能包括:

1)實(shí)現(xiàn)完善性監(jiān)控臺接收機(jī)本地監(jiān)控位置的差分定位。

2)對各衛(wèi)星偽距殘差的監(jiān)測。

3)對差分解算位置殘差的監(jiān)測。

完善性監(jiān)測的大致流程如下:

完善性監(jiān)控臺連續(xù)測量出視野范圍內(nèi)GPS/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星的偽距Pi和收集全部衛(wèi)星的星歷,利用已采集到的軌道參數(shù),分別計(jì)算出衛(wèi)星在該時(shí)刻的瞬間位置,由于完善性監(jiān)控臺的坐標(biāo)精確已知,可以計(jì)算出各顆衛(wèi)星到臺站的真實(shí)距離Ri,完善性監(jiān)控臺還接收區(qū)域差分控制臺轉(zhuǎn)發(fā)的多星差分信息ΔPi,通過求解殘差Pi+ΔPi-Ri,與人工設(shè)定的殘差門限作比較,即可監(jiān)測各顆衛(wèi)星的偽距殘差的完善性。

對差分解算位置范圍的監(jiān)測按照GPS模式、北斗模式、GPS/北斗組合模式分別進(jìn)行解算。解算得到不同定位模式的差分位置結(jié)果,與本地精確位置坐標(biāo)進(jìn)行比較得出位置殘差,從而實(shí)現(xiàn)三種定位模式下的對位置殘差的完善性監(jiān)測。

完善性監(jiān)控臺的監(jiān)測過程如圖3所示。

圖3 完善性監(jiān)測過程示意Fig.3 Sketch map of integrity monitor procedure

2.3 區(qū)域差分控制臺

區(qū)域差分控制臺實(shí)質(zhì)是一臺工控機(jī),并配置有控制軟件,負(fù)責(zé)本GPS/北斗區(qū)域差分增強(qiáng)基站的全面運(yùn)行控制。其主要功能包括以下三個(gè)方面:

1)實(shí)現(xiàn)本地GPS/北斗基準(zhǔn)臺的數(shù)據(jù)監(jiān)控,監(jiān)控內(nèi)容包括衛(wèi)星健康狀況、衛(wèi)星載噪比、衛(wèi)星分布、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、衛(wèi)星偽距修正數(shù)據(jù)等；實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲和超差預(yù)警；實(shí)現(xiàn)偽距修正數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到完善性監(jiān)控臺。

2)實(shí)現(xiàn)完善性監(jiān)控臺的數(shù)據(jù)監(jiān)控,監(jiān)控內(nèi)容包括星健康狀況、衛(wèi)星載噪比、衛(wèi)星分布、差分定位結(jié)果、偽距殘差數(shù)據(jù)、位置殘差數(shù)據(jù)等；實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲和完善性監(jiān)測預(yù)警。

3)實(shí)現(xiàn)偽距差分播發(fā)協(xié)議的數(shù)據(jù)封裝,實(shí)現(xiàn)與AIS基站控制器的數(shù)據(jù)接口,控制差分?jǐn)?shù)據(jù)的播發(fā)時(shí)間。

3 信號傳輸擴(kuò)展協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

3.1 MSG-17EX標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議框架

由于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是新興的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),目前在國內(nèi)行業(yè)乃至國際上尚缺乏應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。交通海事船舶導(dǎo)航領(lǐng)域,北斗有著廣泛的應(yīng)用前景,研究基于北斗船舶精確引航的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),對推動北斗民用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有著重要的意義。文中充分參考RTCM SC-104、ITU-R M.823、ITU-R M.1371等國際通用的衛(wèi)星導(dǎo)航差分播發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和AIS播發(fā)標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合《中國沿海無線電指向標(biāo)-差分全球定位系統(tǒng)播發(fā)標(biāo)準(zhǔn)(JT377-1998)》[3]和《差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(DGNSS)技術(shù)要求(GB/T 17424-2009)》[4]等國內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),基于AIS鏈路GPS/北斗區(qū)域差分精確引航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,提出了切實(shí)可行的兼容GNSS和北斗偽距差分信號通過AIS鏈路播發(fā)的信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)的核心依托ITU-R M.1371標(biāo)準(zhǔn)[5]的17號報(bào)文,對兼容北斗偽距差分信號進(jìn)行了擴(kuò)展,形成了MSG-17EX推薦協(xié)議,可以滿足在長江內(nèi)河航道的應(yīng)用。具體內(nèi)容見表1。差分校正數(shù)據(jù)部分應(yīng)按照表2所列加以組織。

3.2 擴(kuò)展定義說明

表2中,消息類型參數(shù)在ITU-R M.823標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了定義,在ITU-R M.823標(biāo)準(zhǔn)[6]中已增加了對GLONASS的擴(kuò)展。其具體的定義見表3。

表1 MSG-17EX協(xié)議內(nèi)容Table 1 MSG-17EX protocol content

表2 差分校正數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Table 2 Differential data structure

表3 消息類型定義Table 3 Message type definotion

從表3可以看出,ITU-R M.823標(biāo)準(zhǔn)定義的消息類型與美國航海無線電技術(shù)委員會104特委會RTCM SC-104 2.3版本的定義是兼容的。ITU-R M.1371標(biāo)準(zhǔn)的17號報(bào)文如果播發(fā)的是GPS差分信息,消息類型的數(shù)值應(yīng)為1或者9；如果播發(fā)的是GLONASS差分信息,消息類型的數(shù)值應(yīng)為31或者34。RTCM SC-104 2.3標(biāo)準(zhǔn)目前尚未引入北斗的相關(guān)類型定義,但有預(yù)留空間可供北斗應(yīng)用的擴(kuò)展。表4是RTCM SC-104 2.3標(biāo)準(zhǔn)[7]的現(xiàn)有類型定義。

表4 RTCM SC-104 2.3協(xié)議信息類型定義Table 4 Message type definition of RTCM SC-104 2.3 protocol

信息類型序號狀態(tài)定義7固定DGPS信標(biāo)歷書8暫時(shí)偽歷書9固定GPS部分修正集10保留P碼差分修正11保留C/A碼L1,L2殘差修正12保留偽星基準(zhǔn)站參數(shù)13暫時(shí)地面?zhèn)鬏攨?shù)14暫時(shí)GPS周時(shí)間15暫時(shí)電離層延遲改正模型參數(shù)16固定GPS專用電文17暫時(shí)GPS星歷18固定未修正的RTK載波相位19固定未修正的RTK偽距20暫時(shí)RTK載波相位修正21暫時(shí)RTK高精度偽距修正22暫時(shí)擴(kuò)展參考站參數(shù)23-30-未定義31暫時(shí)差分GLONASS修正32暫時(shí)差分GLONASS參考站參數(shù)33暫時(shí)GLONASS星座健康狀態(tài)34暫時(shí)GLONASS部分差分校正集或空幀35暫時(shí)GLONASS信標(biāo)歷書36暫時(shí)GLONASS特殊信息37暫時(shí)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間偏移量38-58-未定義59固定所有者信息60-63暫時(shí)多用途使用

文中利用RTCM SC-104 2.3標(biāo)準(zhǔn)信息類型未定義的序號38-58部分對北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用信息類型進(jìn)行擴(kuò)展。具體見表5。

表5 北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)信息類型定義Table 5 Message type definition of COMPASS differential data

如此,ITU-R M.1371標(biāo)準(zhǔn)的17號報(bào)文如果播發(fā)的是北斗差分信息,消息類型的數(shù)值應(yīng)為38或者42。

表2中,Z-計(jì)數(shù)參數(shù)表示差分?jǐn)?shù)據(jù)消息的參考時(shí)間。Z-計(jì)數(shù)在GPS或北斗時(shí)間的每小時(shí)的開頭以0開始并且范圍的最大值是3 599.4 s,具有0.6 s的分辨度。它被用于計(jì)算GPS的校正時(shí)間或北斗的校正時(shí)間。時(shí)間計(jì)算的方法與在用戶接收機(jī)中采用的其他時(shí)間計(jì)算方法一樣。

表2中,健康狀況參數(shù)涉及衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)健康狀態(tài)。對于GPS三個(gè)零表示所有的數(shù)據(jù)是有效的, 3比特中的任何一個(gè)置為“1”表示一些數(shù)據(jù)或所有的數(shù)據(jù)有問題。對于北斗,第1比特位置為“1”表示衛(wèi)星工作不正常,置為“0”表示衛(wèi)星是正常的,第2和第3比特位是備用的并且用戶設(shè)備忽略它們。

表2中,DGNSS數(shù)據(jù)字參數(shù)是各導(dǎo)航衛(wèi)星星座偽距修正數(shù)據(jù)的具體編碼。其中比例因子1個(gè)比特位,UDRE 2個(gè)比特位,衛(wèi)星識別5個(gè)比特位,偽距改正數(shù)16個(gè)比特位,偽距變化率改正值8個(gè)比特位,衛(wèi)星發(fā)布日期8個(gè)位,共計(jì)24個(gè)比特位。

3.3 差分播發(fā)

MSG-17EX擴(kuò)展協(xié)議差分?jǐn)?shù)據(jù)的播發(fā)時(shí)隙是由AIS基站控制器軟件下達(dá)標(biāo)準(zhǔn)ECB語句指令控制的,或者由AIS岸基網(wǎng)絡(luò)通過業(yè)務(wù)管理終端下達(dá)設(shè)置遠(yuǎn)程指令到AIS基站控制器間接實(shí)施播發(fā)時(shí)隙的統(tǒng)籌規(guī)劃。由于可以通過消息類型區(qū)分GPS偽距差分信息和北斗偽距差分信息,系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為輪次發(fā)送的方式采用MSG-17EX協(xié)議分別發(fā)送GPS和北斗的偽距差分?jǐn)?shù)據(jù)。MSG-17EX協(xié)議報(bào)文的最大長度為816比特,發(fā)布能接收的單衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全部可見星座偽距差分信息最多占用AIS基站4個(gè)時(shí)隙。相關(guān)理論已經(jīng)證明,區(qū)域差分校正的效果主要受用戶機(jī)與基準(zhǔn)站之間的距離即空間相關(guān)性的影響,電離層和對流層等其他誤差在比較長的時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的。為了不更多的占用AIS通信鏈路的資源,系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為30秒或1分鐘為一個(gè)周期依次播一次GPS偽距差分信息報(bào)文和北斗偽距差分信息報(bào)文。

4 差分高精度AIS船載終端設(shè)計(jì)

基于GPS的AIS船載終端已經(jīng)是技術(shù)相當(dāng)成熟的產(chǎn)品。產(chǎn)品主要組成單元包括GPS衛(wèi)星天線單元、VHF船載天線單元、AIS核心板單元、GPS定位模塊、顯控單元、電源單元等。差分高精度AIS船載終端設(shè)計(jì)核心是要通過AIS鏈路接收到區(qū)域差分增強(qiáng)AIS岸基站播發(fā)的MSG-17EX標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文,解析出里面的GPS偽距差分信息和北斗偽距差分信息,并反饋給內(nèi)置升級的GPS/北斗雙模定位模塊,實(shí)現(xiàn)兼容組合模式下的差分高精度解算定位。其組成設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 差分AIS船載終端組成設(shè)計(jì)Fig.4 Structural design of differential AIS terminal

GPS/北斗雙模定位模塊可設(shè)置GPS/北斗組合定位、GPS單獨(dú)定位和北斗單獨(dú)定位三種定位模式,并預(yù)留管腳接口支持GPS偽距差分信息和北斗偽距差分信息的輸入和差分定位計(jì)算。此外,現(xiàn)有正在航運(yùn)應(yīng)用的AIS船臺設(shè)備,如果其GPS模塊支持GPS偽距差分功能,只需AIS核心板的AIS信息處理模塊軟件稍加處理升級,即可實(shí)現(xiàn)單GPS系統(tǒng)的差分高精度定位引航。

5 結(jié) 語

AIS船舶自動識別系統(tǒng)是船舶避碰的重要技術(shù)手段,現(xiàn)在主要采用的是GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為定位源。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),目前已經(jīng)具備了與GPS相當(dāng)?shù)亩ㄎ恍阅?。文中從工程?shí)際應(yīng)用著手,結(jié)合AIS技術(shù)在航運(yùn)安全監(jiān)管方面運(yùn)用的現(xiàn)狀,提出將GPS/北斗區(qū)域差分技術(shù)與AIS技術(shù)有機(jī)整合的解決方案,能夠有效提高三峽大壩報(bào)關(guān)過閘的高密度船舶的引航精度和航行安全性,具有針對性強(qiáng)、兼容性好、實(shí)用性佳、經(jīng)濟(jì)易推廣的特點(diǎn)。結(jié)合國際國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的研究論證,提出的兼容GPS/北斗雙模偽距差分信息的擴(kuò)展協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),對國家推動北斗在國內(nèi)及國際上的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和推廣北斗在行業(yè)的應(yīng)用,也極具參考價(jià)值。

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[6] ITU.Recommendation M.823-3[EB/OL].(2006-03-20)[2014-02-01].http://www.itu.int/rec/R-RECM.823/en.

[7] RTCM Special Committe No.104.RTCM Recommended Standrds for Differential GNSS(Global Navigation Satellite Systems)Service.Version2.3[EB/OL].(2001-08-20)[2014-02-01].http://wenku.baidu.com/link?url =ChfEe_PM-DMx1PNlymW-ltfViLdBLjTAUEnU3EB-oUUQVV2L1kdjEIh0w4-eezZTbmf4-ZLighGrYzu4Oya-ESZxb-kQy8t1kT07ozRynx_m.

ZHANG Peng(1978-),male,M.Sci., engineer,majoring in navigation,information processing and system application technology.

Design on AIS Data Link Regional Differential GPS/COMPASS Precision-Navigation System

ZHANG Peng
(Chengdu Spaceon Information Technology Co.,Ltd,Chengdu Sichuan 610036,China)

The thesis discusses the technology of regional differential GPS/COMPASS for application of ship precise navigation at the Three Gorges Region,proposes the design scheme for building regional differential GPS/COMPASS enhanced AIS station at the Three Gorges Dam by transferring GPS/COMPASS differential pseudo-range signal,thus to realize the precise navigation for shipboard AIS terminal.The thesis clarifies the general design architecture of the system,describes the structural design of its each unit,analyzes the related standards of AIS and DGPS technologies,and proposes the suggestion for extended standards in transferring GPS/COMPASS differential pseudo-range signal by AIS.And all this is valuable in broad application and popularization of the related technologies.

regional differential；AIS；differential pseudo-range；precision navigation

TN967.7

A

1002-0802(2014)03-0296-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.03.013

張 鵬(1978—),男,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航、信息處理及系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)。