長江干線北斗AIS差分數據播發系統的構建及應用展望

文 ∣ 熊輝 龐波波 盧紅洋 于淵 王文良

1.交通運輸部長江通信管理局

2.中國交通通信信息中心

3.航天恒星科技有限公司

一、引言

交通運輸行業北斗系統應用工作是一項戰略性、長期性工作，分階段穩步推動北斗系統在交通行業實現全覆蓋，實現行業與北斗系統相互促進，共同發展，是建設交通強國的重要支撐[1]。隨著長江干線北斗地基增強系統工程的建設，推進了北斗差分服務對長江內河的覆蓋，目前，依據長江干線的特點及用戶群體，開展北斗差分數據播發服務模式和長江干線的北斗差分數據播發系統的應用研究顯得尤為重要。本文論述了長江干線播發服務模式的確立和播發系統的構建與應用展望，既可為長江內河船舶航行提供實時的高精度定位導航服務，又可為基于北斗的終端設備在長江內河的應用推廣提供有力支撐。

二、長江干線北斗差分數據播發服務模式

北斗地基增強系統是北斗衛星導航系統的重要組成部分，是專門建設的以北斗為主、兼容其他衛星導航系統，提供連續、穩定、可靠的高精度衛星導航服務體系。工作模式分為提供較高精度的偽距差分（RTD）或位置差分技術模式和提供高精度的載波相位差分技術（RTK）模式，服務模式分為實時廣播模式和用戶交互模式。長江干線重點服務對象是船舶定位導航，米級的偽距差分服務已滿足精度要求；但船舶定位導航對差分定位的實時性和連續性有較高要求，所以適合采用實時廣播模式。

實時廣播模式是利用播發臺站向周邊用戶無間斷連續播發差分數據信息，用戶可通過終端設備自動接收差分數據信息，并解算自身精確的位置信息，如圖1所示。實時廣播模式有400MHz電臺播發、中頻無線電播發（RBN）、AIS報文播發和數字廣播播發，但考慮到400MHz電臺播發的頻率未得到認可，數字廣播播發尚在試驗測試階段，目前在船舶差分定位導航服務領域，應用較為成熟的是RBN播發方式[2]和AIS報文播發方式[3]。RBN播發和AIS播發對比見表1。

圖1 實時廣播差分定位模式

表1 RBN播發和AIS播發的比對

根據表1所示的RBN播發和AIS播發特點，結合長江干線的特征可知：

1）長江干線呈長約2838km、寬約30km（長江中心線向外擴15km）的狹長帶狀區域，江面平均寬度1.5～2km；通過AIS基站的合理分布，完全可以實現全部覆蓋。

2）長江作為黃金水道，水流湍急，航道繁忙，船只密度大；隨著長江運力的不斷增長，目前GPS/北斗提供的10m左右定位精度已不能滿足需求。而基于AIS播發的北斗差分定位服務既可以提供較高精度的米級定位服務，又利于讓海事監管獲取船舶的精確位置信息，提升水上監管服務。

3）相比沿海，長江內河的船舶種類繁多，不同航區、不同噸位的船舶設備配置標準和執行標準各異，又有三峽庫區通航的特殊性。相比在RBN播發的接收終端，AIS終端設備的強制性配置標準涉及航區范圍、船舶類型及噸位大小更廣，如圖1所示，AIS播發更適合內河干線的實際應用情況。此外，AIS設備終端費用較低，利于后期進一步推廣。

4）可以依托長航系統已建設的站點包括甚高頻（VHF）、AIS接收站或雷達站和各類業務用房等，進行資源復用。

綜上，北斗AIS差分數據播發方式更適合長江干線的播發應用，滿足長江干線的實際需求。

三、長江干線北斗AIS差分數據播發系統架構與功能

1.系統總體框架

本系統總體框架如圖2所示，系統主要分為四個應用模塊和兩個數據接口，四個應用模塊分為衛星跟蹤基準站模塊、AIS播發模塊、數據處理中心模塊和業務管理模塊；兩個數據接口分別對應長航專網和信息專網。

呂：你一定讀過許多與美國越南戰爭相關的書籍，可以說它們是你創作《德克薩斯》的源泉，那段歷史給了你不竭的思考，在你文學性和史學性皆備卓爾不群的敘述中，我們能夠感受到你對這段歷史的“當代性”的思考。

圖2 北斗AIS差分數據播發系統總體框架圖

衛星跟蹤基準站模塊是長江干線北斗地基增強系統的數據源，用于實現對衛星信號捕獲、跟蹤、記錄和傳輸。每個基準站建立本地局域網，通過路由器等設備與通信終端連接，并通過長航專網接口將原始觀測數據傳輸至數據中心。

AIS播發模塊是本系統的播發核心，負責完成從數據處理中心模塊獲取的北斗差分數據轉換和以17號電文形式進行廣播。每個AIS基站都由AIS管理中心進行統一管理和數據分發。

數據處理中心模塊是整個服務系統的核心，數據處理中心一方面通過長航專網接口從衛星基準站獲取原始觀測數據，進行數據檢核，處理和分類存儲，并根據北斗資源中心的必要數據建立對流層延遲、電離層延遲等誤差模型，解算AIS播發站的差分數據，并推送至AIS管理中心。另一方面，根據業務管理模塊的需求，完成基礎數據和基本數據的分類存儲和管理。

業務管理模塊主要是基于信息專網接口，根據不同的功能需求，進行數據的提供和管理。如提供海事監控數據、原始數據下載等。

2.系統總體功能

（1）原始數據觀測并記錄

差分技術主要目的是消除、減弱或修正用戶定位解算過程中的誤差項影響，提升用戶的定位精度、連續性、完好性和可用性等方面的性能。利用長江干線區域合理分布的基準站網絡，獲取北斗衛星數據信息的觀測數據，通過連續不間斷的觀測數據的記錄，獲得一定時間內數據偏差觀測信息，為消除電離層、對流層對衛星信號的干擾提供基礎數據。

（2）AIS基準站網數據解算

基準站到數據中心進行實時傳輸并對各站點的數據進行質量檢查、冗余備份檢查；存儲不同采樣間隔和不同時段的北斗原始觀測數據；對接入系統的基準站數據進行同步并建立電離層、對流層模型；解算GNSS星座的軌道誤差、時鐘誤差、大氣影響、多徑效應及其他誤差數據；定期進行整網的解算保障基準框架的穩定。

（3）信息播發及用戶服務

利用長江干線已建的AIS岸基網絡，通過報文格式將各站點差分改正數據信息對外播發，重點為船舶用戶提供導航服務；同時面向長江航運用戶和社會用戶。針對各類用戶的不同需求，充分考慮用戶需求、用戶量、用戶終端推廣等方面因素，將相關數據及服務進行推送。利用信息專網方式，基準站原始觀測數據下載服務，實現事后精密相對定位；此外，也可為測繪、水利、環保等其他用戶提供數據服務，可為用戶提供擴展的二次開發的數據接口，滿足不同層次的需求。

（4）設備控制和監管

監控各基準站的運行，并實現服務與不同系統的實時數據共享；實現機房設備的控制功能，通過對機房設備信息的采集，自動對設備工作狀態數據進行分析處理，實現自動報警功能，同時對歷史數據進行存儲，提供完善的授權和安全管理功能。

（5）系統完好性監測

系統能夠監測為用戶提供正確定位信息的可信度，當地基增強系統不可靠時，具有及時的報警能力。系統應能夠對原始數據的完整性主要包括數據缺口、丟失歷元的統計以及衛星星歷的完整性和有效性進行監測；監控北斗衛星的健康狀態，并對異常衛星提供報警信息；驗證系統播發的增強數據信息，當系統提供的增強信息不能夠達到標準時，向系統發出報警。

3.播發系統的差分定位實現

（1）播發實現流程

首先，AIS基準站將原始觀測數據通過長江專網傳輸至數據中心，數據中心根據各基站GNSS原始觀測數據建立基站網絡的大氣模型，包括電離層、對流層模型等誤差模型。然后AIS播發站模擬高精度定位用戶向中心申請數據，數據中心經過RTK網絡解算生成差分數據，傳輸至AIS播發站，AIS播發站解析國際海運事業無線電技術委員會（RTCM）差分電文，并封裝成AIS 17號報文格式[4]，向周圍水域進行實時廣播。

（2）接收實現流程

AIS播發站廣播差分全球導航衛星系統（DGNSS）二進制電文，附近水域的AIS船載終端通過天線接收到廣播的差分電文后，進行DGNSS電文的解析和RTCM電文的封裝，然后DGNSS接收機通過串口接收到AIS信道恢復出來的RTCM差分數據，經內部處理實現偽距差分定位功能。

綜上，隨著長江干線北斗地基增強系統的推進，北斗AIS差分數據播發系統的構建，可為長江內河的船舶導航服務提供米級的差分定位服務，為進一步推進北斗應用服務和北斗高精度AIS終端在船舶避碰、航行預警、海事監管、航運服務等關鍵領域的普及提供了廣闊空間。

四、AIS播發北斗差分數據系統的應用展望

1.船舶避碰服務

北斗高精度AIS船載終端定位精度可達到米級，一方面利于精確掌握附近水域船舶的動靜態信息，輔助船舶進行協調避讓，有效避免雷達或視野盲區及小型船只等目標的遺漏；另一方面，利于發揮AIS終端設備的報警警示作用，減少人為疏忽，大幅降低AIS設備警戒圈設置的誤報警或無效的頻繁報警。尤其在狹水道、密集水域和船舶進出港航行避讓中，作用更加明顯。

2.海事監管服務

北斗AIS系統讓轄區船舶的動靜態信息可視化，配合雷達自動標繪系統（APRA）與視頻監控系統，便于海事部門進行水上交通的管理和組織；北斗AIS終端提供的實時米級精度定位，讓船舶目標的捕獲和跟蹤更加精準化，提升海事動態監管的有效性；北斗AIS系統會自動記錄與保存覆蓋范圍內的船舶航行數據，可提供事后厘米級的回放，為海事調查和事故分析提供可靠的數據支撐；北斗系統獨有的短報文與回執功能與AIS的結合，讓海事部門發布的航行警告和安全預警等緊急重要的信息可以得到有效回應[5]。

3.航標助航服務

北斗高精度AIS終端與航標的結合，可提供精準實時的航標位置信息，受外界天氣干擾小，更易于辨識，同時可提供形式多樣的氣象和水文信息，為船舶的安全航行提供參考；通過北斗高精度定位和AIS鏈路實現航標狀況的監控[6]，對燈浮標的被撞移位飄失進行及時預警和報警，實現電子巡檢，延長現場巡檢的周期，提升航標保障工作的效率，節省維護成本和方便追查被撞航標。

4.航運信息服務

北斗AIS系統既可以實時提供又可以記錄保存船舶的動靜態信息，基于這些信息的提取與氣象信息、航運市場信息的融合，可提供基于船舶，航線，港口，貨物流向、船舶流向的多維度、多時空的數據服務[7]。為船舶管理提供基于船舶航行監控的可視化信息服務；為港航物流提供基于市場營運與市場決策的數據支撐服務。

五、結論

隨著長江干線北斗地基增強系統示范工程的建設，為基于北斗差分定位的AIS高精度終端的規范化應用打造了良好的產業生態系統；基于AIS的北斗差分信號播發系統的穩步推進和北斗高精度AIS終端的規模化推廣，能更好地助力“智能航海”和“智慧航運”的發展，成為交通強國建設中的重要內容。