北斗差分信息在航運導航上的播發研究

趙顯峰 房延軍 張楊

摘 要：北斗差分信息是北斗衛星導航系統應用的重要組成部分，在航運導航上實現北斗差分信息的播發，能夠向社會船舶或行業用戶提供厘米級至米級精密導航定位和終端輔助差分服務，加大北斗導航系統在我國航運及更大范圍的應用推廣，提升對船舶、港口等用戶機構的服務質量，為航運轉型升級發展提供技術支撐。

關鍵詞：北斗;AIS;播發

北斗衛星導航系統（以下簡稱北斗系統）是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是國家重要空間基礎設施。國家穩步推進北斗系統建設，2012年底北斗系統已向亞太區域提供服務，2018年底面向“一帶一路”沿線及周邊國家提供基本服務，2020年前后完成35顆衛星發射組網，向全球提供服務。

北斗差分系統是北斗衛星導航系統應用的重要組成部分，構建北斗差分系統，能夠向社會船舶或社會用戶提供厘米級至米級精密導航定位和終端輔助增強服務。交通運輸部對北斗系統應用工作高度重視，緊跟北斗系統建設發展步伐，深入參與北斗系統建設和應用的各個環節，在沿海和長江干線建成了一批北斗增強基準站，以提供高精度衛星導航和基本數據服務為主，向行業、社會提供公益性、開放的普遍性服務。

1 需求分析

1.1用戶服務模式

我國通航水域環境復雜，船舶密度高，為了提高航運管理水平和服務質量，航運船舶配置了AIS、VHF等設備，管理部門也建設了VTS等安全監管系統，但上述設施所能提供的精度一般在5-10米左右。當船舶航行在狹窄航道或者船舶高密度水域時，受制于定位精度和自動化預警水平，水上交通事故仍屢有發生。保障船舶航行的安全和效率是航運管理部門的核心目標，而加強水上交通運輸管理有賴于船舶導航系統技術的提高。

北斗差分系統應能夠提供兩種服務模式，即提供基于偽距差分等技術的廣播模式和基于載波相位差分技術的用戶交互模式。

（1）實時廣播模式：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。就增強數據的獲得而言，信息的傳輸是單向的。

（2）用戶交互模式：用戶通過終端設備與差分服務中心進行數據交換，獲得差分網提供的差分數據信息，由此解算自身定位，信息傳輸是雙向的。

1.2信息播發方式

根據船舶用戶的使用需求，北斗差分系統普通導航的廣播播發服務方式選擇采用AIS系統來提供差分數據服務，其優勢如下：

（1）不增加船舶用戶負擔。在現行規定下，AIS為國際通用并作為沿海和內河航行的絕大部分船舶強制配置設備。

（2）節省投資。我國已建成有較為完善的AIS網絡覆蓋，利用現有AIS網絡系統播發，體現資源共享、投資效益最大化的優勢。

（3）便于監管機關獲取大量船舶精確位置信息。AIS作為成熟的船舶安全監管手段之一，在現有AIS及相關平臺上即可獲得經北斗地基系統修正后的船舶精確位置，有利于與現有監管手段的銜接。

（4）國際通用數據標準。國際海事無線電技術委員會第104專委會（RTCM SC104）發布RINEX3.03版本，作為導航領域最重要的國際通用數據標準格式，RINEX已經全面支持北斗系統。

2 系統方案

2.1可行性

根據國家標準《船載自動識別系統（AIS）技術要求》（GB/T 20068-2017）11.3.16規定，AIS系統17號報文用于GNSS差分信息播發，RTCM協議的差分數據需要轉換為17號報文格式才能通過AIS基站播發。

其中，數據段有最大736比特的空間來發送消息，北斗差分信息可以通過數據段來發送。

根據《北斗/全球衛星導航系統（GNSS）接收機差分數據格式》（BD 410002-2015）規定，1、9號電文用于GPS差分信息播發，41號電文可用于北斗差分信息播發。導航系統中差分數據一般按照RTCM數據標準;而在RTCM3.3的規定中，已經為北斗差分數據信息提供了10個報文格式，這就為AIS接收北斗差分數據提供了基礎條件。目前，已有AIS設備廠家開發完成相應的基站和用戶終端設備，實現AIS播發GPS/北斗雙模差分信息播發，并通過測試驗證。

2.2時隙占用分析

在AIS系統中，監測容量被定義為一個AIS系統每個信道可以承擔的臺站數量，其監測容量是衡量其服務質量好壞的一項重要的性能指標。

當北斗差分信息以AIS 17號報文的形式播發，17號報文信息最多需要7個時隙進行傳輸，以每分鐘播發4次的頻率計算，共占AIS單通道總時隙數的1.25%，大致相當于5艘船舶的信道容量。因此，采用17號報文播發北斗差分信息基本不會影響AIS系統的原有功能。

2.3實施方案

AIS播發服務器可從北斗差分數據中心實時接收差分增強數據產品，并將格式轉換后的北斗差分數據分發至指定或全部的AIS基站，由AIS基站按照17號報文的數據格式進行播發。同時船舶可通過自身安裝的具有17號報文接收功能的AIS船臺進行數據接收，從而對自身定位數據進行修正。

3 建議

目前，北斗相關數據尚未納入現行AIS電文協議，為利于今后終端設備的應用推廣，建議主管部門推動制定相關的協議標準，推動AIS電文體系納入北斗增強數據格式。

參考文獻：

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