一種DGNSS軟差分實現方式

賈玉良+黃亮

摘 要：隨著全球衛星導航系統（GNSS）的廣泛應用，人們對GNSS的精度要求也越來越高。傳統的差分定位系統（DGNSS）在給航運、測繪等領域做出重要貢獻的同時，隨著通信技術的高速發展，其系統兼容性差，無法拓展，升級維護困難等一系列問題也日益突出。國際航標協會（IALA）推薦使用“軟件參考值和完善性監測（RSIM）”方案，即軟差分方式，來規劃未來DGNSS系統的設計和建設。本文結合軟件無線電技術，提出了一種合理的軟差分DGNSS架構，為未來我國RBN_DGPS臺站升級提供有意義的參考。

關鍵詞：DGNSS 軟件無線電 MSK

1.引言

作為一種重要的岸基增強系統（Ground Based Augmentation S y s t e m），無線電信標D G N S S（R B N _ D G P S）主要由基準站（RS）、播發臺（TX）、完善性監測站（IM）組成，見圖一。

基準站由兩臺GPS接收機和兩臺調制器構成。接收天線安放在位置已精確測定的基準點上，跟蹤視野內的所有衛星，計算出相對每顆衛星的修正信息，然后依照特定格式送至調制器。調制器采用最小頻移鍵控（MSK）調制方式將該修正信息調制到無線電信標載頻上。

播發臺由兩臺發射機、天線調諧器和天線組成，按照規定強度和速率播發DGPS修正信息和信標狀況及基準站狀態信息。

完善性監控臺由GPS接收機、信標接收機和完善性監控計算機組成。主要用于監測GPS系統的完善性和播發的差分修正值的正確性。

IALA R-135建議中提到了影響現有DGNSS系統的幾個因素：一是現有設備以及算法過時，一些設備廠商已經從這個市場消失，導致設備的維護變得困難；二是DGNSS的不斷發展，需要引入新的消息類型和新設備，發展一種新操作模式，來實現多頻DGNSS服務；三是新技術的成熟，使得DGNSS系統原有實施方法需要被重新審視；四是IMO對GNSS接收機要求在不外加設備的前提下提供自主完善性監控。而這是現有GNSS星圖無法滿足的。另外，現有DGNSS無法滿足IMO對未來GNSS的要求，例如，精度1m等。同時IALA指出了DGNSS服務改造的要求和原則：一是保持良好的向下兼容性；二是靈活的支持以后出現的服務需求，比如多模GNSS、測距和通訊功能；三是解決方案應符合國際通用的規范；四是改造后的系統存活期至少十年。

在IALA提出的多種DGNSS改造方案中，軟件參考站和完善性監測（RSIM）方案，也就是軟差分方式，使用軟件模擬原有硬件設備功能，實現信號的處理，并通過模塊化的處理模塊，構成了一個開放式的平臺，認識的整個系統的兼容性和拓展性都得到了滿足。

2.軟差分DGNSS架構

在RSIM模式中，通過軟件無線電技術，將將模塊化、標準化的硬件單元（這里就是接受天線、發射機和發射天線等通用設備）以總線方式連接構成基本的DGNSS系統平臺，并通過軟件加載實現調制解調、RTCM報文編解碼、通信協議、性能監控，遠程控制等一系列的功能模塊。見圖二。

根據軟件無線電技術的原則，系統設計應該是A/D和D/A轉化器盡可能靠近天線。在本系統架構中，原有的基準站和完善性監測被抽象成幾個彼此獨立的功能模塊，模塊之間通過通用接口傳輸數據，完成差分信息播發整個流程。

（1）GNSS中頻數據處理模塊和MSK解調模塊

這兩個模塊實現的是接收信號的解調功能，GNSS中頻數據處理模塊主要包括信號的捕獲、跟蹤、解調和同步，由于大量數據運算要在臺式機內完成，為了保證足夠的運算速度，這里考慮使用DFT（Discrete Fourier Transform）和FFT（Fast Fourier Transform）算法來實現相關數據處理。MSK解調模塊中，考慮使用非相干解調中的差分數字解調算法，該算法對信號的頻偏和相移不明顯，可以實現良好的解調效果，但是應注意該算法對信號同步要求嚴格。同時，兩個模塊都要考慮串口數據接收模塊問題，這里推薦使用多線程技術。

（2）導航數據編解碼模塊

該模塊主要對鏈路層和傳輸層數據處理，主要包括對采處集的GNSS原始數據和RTCM數據進行差分結果解算，RTCM報文的生成，NMEA0183標準協議和RSIM協議的支持等。由于RTCM委員會最新推出了RTCM3.2版本，該版本增加和擴展了多種網絡 RTK信息，定義了包含GPS、GLONASS、GALILEO和BDS的多信號信息組（MSM）。在對RTCM報文進行編解碼模塊設計時，考慮對MSM電文組的支持，對軟差分DGNSS的拓展性有著極大的幫助。

（3）MSK解調制模塊

傳統MSK調制器采用將差分修正信息和信標副載波進行調制。在該模塊設計中，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調頻指數為的調頻器直接生成相位連續，包絡恒定的信號；第二種是根據信號的正交調制表示形式，利用正交調制法產生信號。這兩種方式在實際應用中對MSK信號的調制都有很好的效果。

（4）完善性監測模塊

該模塊主要是對應用層、表示層、會話層數據的處理，主要應該包括性能參數監控、異常告警處理，數據存儲統計，硬件控制、網絡傳輸、系統設置和安全管理。完善性監測模塊面向終端用戶，要充分考慮設計的內在邏輯性和用戶的易用性。

（5）模塊數據傳輸和接口設計

該架構中各個模塊之間的數據傳輸要充分考慮接口的通用性和拓展性，便于以后對平臺的拓展和升級。這里可以考慮使用企業總線服務（ESB，Enterprise Service Bus）實現。ESB提供了一種開放的、基于標準的消息機制，通過簡單的標準適配器和接口，來完成粗粒度應用（服務）和其他組件之間的互操作。ESB除了對基于軟件無線電設計的DGNSS平臺各模塊數據交換傳輸有著良好的支持外，通過合適的接口設計，也能對現有DGNSS系統進行兼容，實現現有系統的充分利用。

3.總結

隨著原有DGNSS系統的老化和各個國家對IALA R-135建議書內容的不斷實踐，美國等航運大國都已在軟差分DGNSS平臺設計實施上有了實質性的進展。我國沿海RBN_DGPS臺站大部分建設于2000年以前，面臨的設備老化技術落后的問題。該方案為將來我國沿海RBN_DGPS臺站的升級和R-135建議的落地提供了一些有意義的思考。由于篇幅和時間限制，本文沒有對架構中各個模塊的實現進行詳細的描述，同時隨著分布式軟件無線電技術和云計算技術的成熟，在未來實施中，具體的實現細節也會因技術的不斷進步而有所不同。

參考文獻：

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