基于AIS岸臺的DGPS校正量播發(fā)應(yīng)用

(交通運輸部 東海航海保障中心， 上海 200086)

基于AIS岸臺的DGPS校正量播發(fā)應(yīng)用

劉嘉華

(交通運輸部東海航海保障中心，上海200086)

為提升上海洋山港通航安全的航海保障技術(shù)支持能力，上海洋山港E航海示范工程建設(shè)和完善相關(guān)航海保障支持服務(wù)設(shè)施。介紹利用洋山港周邊水域船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)岸臺播發(fā)差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System,DGPS)校正量的方法,并對測試結(jié)果進行分析。分析結(jié)果表明,在AIS岸臺的有效覆蓋范圍內(nèi)，AIS船舶在接收到差分報文后能提高定位精度，有利于船舶安全航行。

E航海;航海保障;AIS岸臺;差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng);差分全球定位系統(tǒng);校正量

Abstract: Quite a few development and refinement of facilities and services have been made under the Yangshan E-Navigation demonstration project, aimed to improve the navigation support technologies and the performance of the port. Broadcasting Differential Global Positioning System(DGPS) correction through adjacent Automatic Identification System(AIS) base stations is on of the developments. The broadcasting arrangement and the results are illustrated. Within the coverage of the AIS base stations the vessels with AIS equipment can improve the positioning precision and navigation safety by means of the additional information.

Keywords: E-Navigation; navigation support; AIS base station; DGNSS; DGPS; correction

上海國際航運中心和上海自貿(mào)區(qū)建設(shè)自納入國家發(fā)展戰(zhàn)略以來，依托洋山港的港口和航運經(jīng)濟發(fā)展,在深化國家戰(zhàn)略方面發(fā)揮著重要的支撐作用。通往洋山港的主要國際航線所經(jīng)航區(qū)每年都會有不利于船舶安全航行的能見度不良的天氣出現(xiàn)，造成船舶停航或滯航，嚴重影響港口貨物裝卸，進而影響港口和船公司的經(jīng)營效益。船舶在能見度不良的海區(qū)航行時,應(yīng)采用適合當(dāng)時環(huán)境的安全航速謹慎行駛[1]，而提高和改善能見度不良條件下大型集裝箱船舶航行和離靠泊的助航安全保障條件，為引航員提供助航保障支持，則顯得尤為迫切和重要。

船載自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)[3]是一種新型數(shù)字助航設(shè)備，由岸基設(shè)備和船載設(shè)備共同組成，可有效避免系統(tǒng)干擾因素,保證船舶航行和通信功能的有效性,對保證船舶安全航行具有重大意義。然而，AIS的可靠性是建立在船舶定位精度較高的基礎(chǔ)上的,現(xiàn)有的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)因存在一定的誤差而使得定位精度不高,成為影響船舶安全航行的隱患。[4]因此,研究一種高定位精度的差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Differential Global Navigation Satellite System,DGNSS)具有重要的現(xiàn)實意義。

這里介紹洋山港海域附近的大戢山和下三星2座AIS岸臺的改造實施和測試情況，使其能播發(fā)DGNSS校正量。目前關(guān)于AIS岸臺播發(fā)DGNSS校正量尚無強制性要求，這2座AIS岸臺自主播發(fā)DGNSS校正量為AIS的拓展應(yīng)用開辟了一條新途徑，是E航海(E-Navigation)框架[4]下海事服務(wù)集[5]中岸基服務(wù)產(chǎn)品的具體體現(xiàn)。

1 基于AIS岸臺的DGNSS校正量播發(fā)原理

常規(guī)GNSS是通過獲取一組衛(wèi)星的偽距、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星信號發(fā)送時間及其他觀測量來獲取位置信息、實現(xiàn)定位的，同時還須知道用戶鐘差。[5]在進行導(dǎo)航定位和測量時，會伴隨有衛(wèi)星自身誤差、信號傳播誤差和接收機誤差等多種誤差,對GNSS的定位精度有很大影響，誤差通常有數(shù)十米的量級,在特殊情況(如人為干擾)下甚至達到百米的量級。對于在狹水道或繁忙近海水域航行的船舶而言,該情況會帶來極大的安全隱患。

差分增強技術(shù)[2]作為GNSS的補充和改進措施，能有效提高系統(tǒng)服務(wù)的精度、可用性、連續(xù)性和完善性指標，一直是GNSS領(lǐng)域研究的熱點。AIS基站與DGNSS基準站相連，可通過AIS VDL發(fā)射DGNSS校正量，作為無線電信標DGNSS服務(wù)的后備系統(tǒng)。[3]通過AIS播發(fā)DNSS校正量只是一項增值服務(wù)，可提高AIS位置報告的精度，但不會對外接衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的定位精度產(chǎn)生影響。

這里在差分技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種基于AIS的DGNSS差分技術(shù)。DGNSS是基于GNSS的校正，利用GNSS誤差源在空間和時間上高度相關(guān)的特性來改善整個系統(tǒng)的性能，有效消除衛(wèi)星自身誤差及信號傳播過程中的誤差。[6]同時,以AIS基站作為差分參考站計算差分修正信息，通過AIS通信信道將差分修正信息播發(fā)給覆蓋區(qū)的AIS移動站，使AIS支持GNSS差分系統(tǒng)，進一步提高GNSS的定位精度，使得AIS船舶位置信息更加精確，從而降低船舶碰撞概率，確保船舶安全航行。

2 基于AIS岸臺的DGNSS校正量播發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

為向AIS岸臺提供校正量數(shù)據(jù)，需要有DGNSS基準站和完善性監(jiān)測站(RSIM)。獲取GNSS差分信號有以下2種方法。

1)在現(xiàn)有的RBN-DGNSS臺站覆蓋范圍內(nèi)，用1臺MSK接收機(信標)接收差分信號,并將其輸出給AIS岸臺作為校正量信號源。

2)在AIS岸臺同址建立專用的GNSS基準站，產(chǎn)生DGNSS修正數(shù)據(jù)。

這里介紹的基于AIS岸臺的DGNSS校正量播發(fā)研究以洋山港海域的大戢山AIS基站為試驗播發(fā)臺站，基站覆蓋海域最遠可達50 n mile。

基于AIS岸臺的DGNSS校正量播發(fā)系統(tǒng)由差分信號源、AIS基站DGNSS播發(fā)子系統(tǒng)和AIS船載子系統(tǒng)構(gòu)成,系統(tǒng)框圖見圖1。

2.1 差分信號源

依據(jù)DGNSS信號的來源，此次基于AIS岸臺的DGNSS校正量播發(fā)測試方案的差分信號源采用以下2種模式。

圖1 基于AIS岸臺的DGNSS校正量播發(fā)系統(tǒng)框圖

2.1.1RBN-DGNSS信號轉(zhuǎn)發(fā)模式

RBN-DGNSS差分臺站利用的是現(xiàn)有的沿海RBN-DGNSS差分臺站,持續(xù)檢測GNSS衛(wèi)星的運行狀況，產(chǎn)生DGNSS校正量，并通過中波發(fā)射機向海面播發(fā)，覆蓋范圍為200 n mile。測試中選用xxxRBN-GNSS差分臺站差分信號作為信號源。

2.1.2DGNSS自主站模式

在AIS基站同址選擇GNSS天線位置，要求開闊無遮擋。通過高精度的定位設(shè)備標定GNSS天線位置，定位精度達到毫米級。選擇安裝支持全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)及GLONASS的GNSS接收機；GNSS接收機連續(xù)觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)，參考GNSS的精確位置參數(shù)生成偽距差分校正量，并按RTCM格式將其發(fā)送至DGNSS差分服務(wù)器中。測試中選用C-Nav3050G作為DGNSS自主站設(shè)備。

2.2 AIS基站DGNSS播發(fā)子系統(tǒng)

AIS基站DGNSS播發(fā)子系統(tǒng)由MSK接收機、DGNSS差分服務(wù)器和AIS基站構(gòu)成。

1)MSK接收機實時接收RBN-DGNSS差分臺站播發(fā)的中波信號，輸出DGNSS差分數(shù)據(jù)到DGNSS差分服務(wù)器中。

2)DGNSS差分服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行處理，對DGNSS中的DGPS和DBDS數(shù)據(jù)進行解析，根據(jù)設(shè)置或指令將DGPS和DBDS數(shù)據(jù)單獨或混合封裝成AIS的MSG17電文，并將其發(fā)送至AIS基站。

3)AIS基站根據(jù)時隙規(guī)劃,采用FATDMA模式播發(fā)MSG17電文。

2.3 AIS船載子系統(tǒng)

在AIS基站無線電覆蓋水域航行的船舶，其所載AIS設(shè)備接收到的來自于基站的MSG17電文在輸出給船載其他設(shè)備(如ECS系統(tǒng)、雷達系統(tǒng))的同時，從中恢復(fù)RTCM SC-104格式的差分校正，并通過串口送至內(nèi)置的GNSS單元中。船舶位置的差分校正可采用內(nèi)置GNSS模式或外置GNSS模式。此次測試AIS船臺采用SAAB R4。

2.3.1內(nèi)置GNSS模式

在內(nèi)置GNSS模式下，船載AIS設(shè)備的內(nèi)置GNSS單元在接收到差分校正數(shù)據(jù)之后進行差分修正，輸出精度更高的定位信息(見圖2)。

圖2 內(nèi)置GNSS模式下的AIS船臺

2.3.2外置GNSS模式

在外置GNSS模式下，船載AIS設(shè)備將接收到的MSG17電文輸出至外置GNSS接收機，GNSS接收機從MSG17電文中恢復(fù)出RTCM SC-104格式的差分校正量并進行差分修正，輸出精度更高的定位信息給船載電子設(shè)備，并通過串行接口將定位信息反饋給AIS設(shè)備(見圖3)。

圖3 外置GNSS模式下的AIS船臺

3 測試及分析

為檢驗差分信號應(yīng)用的實際效果，在2015年3月以大戢山為測試點進行精度測試和播發(fā)有效性測試。為保證測試結(jié)果的科學(xué)性，制訂測試計劃和測試方案。通過對測試設(shè)備進行安裝和調(diào)試，分組比對AIS岸臺播發(fā)測試，詳細記錄測試數(shù)據(jù)，并對其進行細致的分析。大戢山基站天線和設(shè)備見圖4。

圖4 大戢山基站天線和設(shè)備

3.1 測試方法

此次測試采用AIS船臺定點測試法,方法如下。

1)選擇距離AIS岸臺40 km的位置作為測試點。

2)采用高精度RTK設(shè)備標定測試點的位置坐標。

3)在測試點上準確假設(shè)AIS船臺的GNSS天線。

4)搭建并調(diào)試AIS船臺的測試環(huán)境，此次測試采用2臺AIS船臺,利用GNSS天線功分器;2臺AIS船臺共享測試點GNSS天線,分別采用內(nèi)置GPS工作模式和外置GNSS工作模式。AIS船臺通過RS422接口與AIS船臺數(shù)據(jù)記錄計算機連接,AIS船臺數(shù)據(jù)記錄計算機記錄AIS船臺測試中的VDO和VDM報文。

5)在AIS岸臺停止播發(fā)DGNSS校正量時，記錄AIS船臺報文輸出1 h，AIS船臺數(shù)據(jù)記錄計算機記錄測試數(shù)據(jù)。

6)AIS岸臺采用RBN-DGNSS信號轉(zhuǎn)發(fā)模式，調(diào)整DGNSS數(shù)據(jù)服務(wù)器單一處理GPS校正數(shù)據(jù)，通過AIS鏈路播發(fā)MSG17電文，持續(xù)1 h；AIS船臺數(shù)據(jù)記錄計算機記錄測試數(shù)據(jù)。

7)AIS岸臺采用RBN-DGNSS信號轉(zhuǎn)發(fā)模式，調(diào)整DGNSS數(shù)據(jù)服務(wù)器處理GNSS校正數(shù)據(jù)，通過AIS鏈路播發(fā)MSG17電文，持續(xù)1 h；AIS船臺數(shù)據(jù)記錄計算機記錄測試數(shù)據(jù)。

8)AIS岸臺采用DGNSS自主站模式，調(diào)整DGNSS數(shù)據(jù)服務(wù)器單一處理GPS校正數(shù)據(jù)，通過AIS鏈路播發(fā)MSG17電文，持續(xù)1 h；AIS船臺數(shù)據(jù)記錄計算機記錄測試數(shù)據(jù)。

9)AIS岸臺采用DGNSS自主站模式，調(diào)整DGNSS數(shù)據(jù)服務(wù)器處理GNSS校正數(shù)據(jù)，通過AIS鏈路播發(fā)MSG17電文，持續(xù)1 h；AIS船臺數(shù)據(jù)記錄計算機記錄測試數(shù)據(jù)。

10)分析AIS船臺數(shù)據(jù)記錄計算機記錄的測試數(shù)據(jù)。AIS岸臺播發(fā)DGNSS數(shù)據(jù)時，在記錄中檢索VDM報文是否含有MSG17電文，并比對DGNSS數(shù)據(jù)的正確性；分析VDO報文中輸出的位置信息，檢查DGNSS數(shù)據(jù)的校正結(jié)果，并與測試點坐標比對。

3.2 測試結(jié)果

對AIS船臺數(shù)據(jù)記錄計算機記錄的測試數(shù)據(jù)進行分析，得到以下結(jié)果。

1)基于AIS岸臺的DGNSS校正量播發(fā)系統(tǒng)的差分信號源采用RBN-DGNSS信號轉(zhuǎn)發(fā)模式或DGNSS自主站模式均能有效滿足DGNSS校正量的生成要求。但是,DGNSS自主站參考點的精度劣于RBN-DGNSS差分臺站，導(dǎo)致AIS船臺修正后定位精度降低；同時,系統(tǒng)的可靠性也較低。

2)在內(nèi)置GPS工作模式下，受測AIS船臺能有效接收MSG17電文并恢復(fù)DGPS校正量，作用于內(nèi)置GPS中。通過比對定位結(jié)果可看出,定位精度有明顯的提高。受AIS標準的歷史局限，AIS船臺只能處理DGPS數(shù)據(jù)。該模式下未差分和差分后輸出數(shù)據(jù)及定位誤差統(tǒng)計情況見圖5和表1。

a) 未差分輸出數(shù)據(jù)

b) 差分后輸出數(shù)據(jù)

差分情況誤差算術(shù)平均值/m95%置信度/m<5m概率/%差分前3.706.6567差分后2.254.8496

3)在外置GNSS工作模式下，受測AIS船臺能有效接收MSG17電文，并通過VDM輸出至外置GNSS接收機;GNSS接收機能從VDM中解析出MSG17電文并恢復(fù)DGPS校正量，作用于位置校正。通過比對定位結(jié)果可看出,定位精度顯著提高。外置GNSS接收機不僅能處理DGPS數(shù)據(jù)，還能處理DBDS數(shù)據(jù)，并將DGPS和DBDS融合差分處理,進一步提高定位精度。該模式下的未差分、差分及融合差分測試結(jié)果和定位誤差統(tǒng)計情況見圖6及表2。

a) 未差分測試結(jié)果

b) 差分測試結(jié)果

c) 融合差分測試結(jié)果

差分情況誤差算術(shù)平均值/m95%置信度/m<5m概率/%差分前2.455.00100差分后0.804.84100融合差分0.452.00100

4 結(jié)束語

通過搭建基于AIS岸臺的DGNSS播發(fā)環(huán)境，利用AIS基站來播發(fā)GPS差分信息，AIS船舶在AIS基站的有效覆蓋范圍內(nèi)接收到17號差分報文后定位精度達到亞米級，確實能提高船舶的定位精度，有利于船舶安全航行。通過比對測試，RBN-DGNSS信號轉(zhuǎn)發(fā)模式可作為今后基于AIS岸臺DGNSS播發(fā)系統(tǒng)的主要工作模式；DGNSS自主站可構(gòu)建離岸AIS基站的DGNSS播發(fā)系統(tǒng)，如鉆井平臺、遠海島嶼等。從測試結(jié)果來看，AIS船臺采用內(nèi)置GPS具有局限性，差分定位精度明顯差于外置GNSS，并不支持BDS。

在測試過程中，觀察到B類AIS船臺和部分A類AIS船臺不支持AIS岸臺的DGNSS差分功能；洋山港海域安裝B類AIS船臺的船舶較多；建議結(jié)合我國BDS的推廣，將船用北斗接收機作為AIS船臺的外置GNSS單元，建設(shè)基于AIS岸臺的DGNSS播發(fā)系統(tǒng)，保證船舶安全航行。

在E航海戰(zhàn)略中，繁忙水域、狹水道及港口將實現(xiàn)亞米級定位導(dǎo)航。此次測試為未來船載綜合定位導(dǎo)航授時系統(tǒng)(INS-PNT)的發(fā)展及洋山港E航海演示驗證的設(shè)計提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。

[1] 湯旭紅.AIS技術(shù)及其對航行安全和VTS的影響[C]//2001航海技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢論文集.21世紀航海科技發(fā)展動向研討會，2001.

[2] 劉傳潤.AIS應(yīng)用的研究與綜述[C].中國航海學(xué)會通信導(dǎo)航專業(yè)委員會2007年學(xué)術(shù)年會,2007.

[3] 代彥博.船舶自動識別系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研宄[M].黑龍江:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2006: 12-13.

[4] 曲清泉.基于AIS多船自動避碰專家系統(tǒng)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2005:26-27.

[5] 李征航,黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2010.

[6] 徐愛功.全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.

[7] 全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范:GB/T 18314—2009[S].

[8] Radio Technical Sommission for Maritime Services RTCM Standard 10403.1 for Differential GNSS (GLOBAL Navigation Satellite System) Services-Version 3[S].

[9] 國家測繪局.測繪技術(shù)設(shè)計規(guī)定:CH/T 1004—2005[S].

[10] IALA Recommendation A-124 Appendix 16 DGNSS Broadcasts From an AIS Service, Edition 2[S]. 2011.

[11] DGNSS 系統(tǒng)RTCM 推薦標準V2.3: RTCM PAPER 136—2001/SC104-STD[S].2001.

Broadcasting DGPS Corrections by AIS Base Station

LIUJiahua

(The Navigation Guarantee Centre of East China Sea, MOT, Shanghai 200086, China)

1000-4653(2016)04-0015-04

U675.7

A

2016-07-28

劉嘉華(1961—),男,上海人,高級工程師,從事航海保障工作。E-mail:liujiahua_sh@vip.sohu.com