AIS鏈路GPS/北斗區域差分精確引航系統設計

張 鵬

(成都天奧信息科技有限公司,四川成都610036)

AIS鏈路GPS/北斗區域差分精確引航系統設計

張 鵬

(成都天奧信息科技有限公司,四川成都610036)

研究GPS/北斗區域差分技術在三峽庫區船舶精確引航的應用,提出建立三峽大壩區域差分增強AIS岸基站,利用AIS船舶自動識別系統的通信鏈路傳輸GPS/北斗偽距差分信號,實現船載AIS終端高精度定位引航的設計方案。闡明了系統總體設計架構,描述了系統各單元的原理設計和主要功能,分析了AIS技術和DGPS技術的相關標準,提出了基于AIS播發GPS/北斗偽距差分信號的擴展標準建議,具有廣泛的應用推廣價值。

區域差分 船舶自動識別系統 偽距差分 精確引航

0 引 言

AIS船舶自動識別系統是提高水上交通安全管理水平的重要設施,系統基于GPS全球衛星導航系統,通過甚高頻VHF通信鏈路,采用TDMA方式實現岸基站與船臺、船臺與船臺之間的自組網通信,此外,也可實現對AIS數字航標的遙測遙控。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管水平和應急快速反應能力,保障船舶航行安全發揮了重要的作用。在三峽庫區,由于排隊等候通過三峽大壩的來往船舶數量眾多,管理部門開始嘗試利用AIS系統的通信示位功能進行船舶報關過閘的調度和安全監控。基于GPS的船舶定位精度可達10 m,但由于江面船只密集,特別是船舶航運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,需要進一步提高船舶定位的可靠性和定位精度。

隨著我國北斗衛星導航系統的正式運營,北斗在交通運輸領域具有廣泛的應用前景。目前,北斗具有與GPS相當的水平10 m定位精度。采用GPS/北斗雙模組合的定位方式,在三峽庫區航道多山遮擋的條件下,可以提高可見星的數量,有效提高船只定位的穩定性和可靠性,同時確保系統的安全性。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/北斗區域差分精確引航系統設計,基于現行的AIS通信基礎機制,實現三峽大壩船舶高精度引航和AIS數字航標高精度助航[1]。

1 系統總體方案設計

文中將系統總體方案設計分為區域差分增強AIS岸基站設計、信號傳輸擴展協議標準設計和差分高精度AIS船載終端設計三個方面。區域差分AIS岸基站除傳統的AIS發射臺和AIS基站控制器外,增加了GPS/北斗區域差分增強基站與AIS基站控制器連接,實現偽距差分的計算播發、偽距差分完善性監測；信號傳輸擴展協議標準設計依托國際電信聯盟ITU-R M.1371標準協議的AIS基站17號報文,設計了兼容GPS/北斗雙模偽距差分信息的擴展協議標準MSG-17Ex,使獨立的GPS接收機、北斗接收機和GPS/北斗組合定位模式接收機均可以獲取相應的偽距差分信息進行差分解算；差分高精度AIS船載終端采用了GPS/北斗兼容設計,支持GPS模式、北斗模式和組合模式定位,同時利用AIS信道接收區域差分增強AIS岸基站播發的MSG-17Ex報文數據實現差分高精度定位。最終,業務系統可以實現精確引航和船舶報關過閘安全監管。AIS鏈路GPS/北斗區域差分精確引航系統的總體設計架構如圖1所示。

圖1 總體設計架構Fig.1 Architecture of overall design

2 區域差分增強AIS岸基站

區域差分增強AIS岸基站是本系統的基礎設施,其關鍵設計是GPS/北斗區域差分增強基站。GPS/北斗區域差分增強基站包括三個單元。一是GPS/北斗基準臺[2],二是完善性監控臺,三是區域差分控制臺。

2.1 GPS/北斗基準臺

GPS/北斗基準臺是一臺兼容GPS L1頻點和北斗B1頻點的高性能衛星信號接收機。接收機分為天線單元、信道單元、信號處理單元和數據處理單元四部分,可同時實現對GPS、B1衛星信號的跟蹤、鎖定、測量,采用偽碼測距方式解出導航電文并計算偽距,然后由數據處理軟件根據區域差分控制臺輸入的本地已知精確坐標建立數學方程,解算出測量衛星信號各自的偽距修正值和偽距變化率修正值,并進行數據打包工作。GPS/北斗基準臺的組成設計如圖2所示。

圖2 GPS/北斗基準臺組成設計Fig.2 Structural design of GPS/COMPASS base station

2.2 完善性監控臺

完善性監控臺是一臺GPS/北斗差分接收機,其硬件設計與GPS/北斗基準臺相同,只是在接收GPS/北斗衛星信號的同時通過串口接收區域差分控制臺轉發的基準臺產生的偽距差分信息,其主要作用是對播發的GPS/北斗衛星導航系統的差分信號進行監測,判斷其是否符合播發指標要求。具體功能包括:

1)實現完善性監控臺接收機本地監控位置的差分定位。

2)對各衛星偽距殘差的監測。

3)對差分解算位置殘差的監測。

完善性監測的大致流程如下:

完善性監控臺連續測量出視野范圍內GPS/北斗衛星導航系統衛星的偽距Pi和收集全部衛星的星歷,利用已采集到的軌道參數,分別計算出衛星在該時刻的瞬間位置,由于完善性監控臺的坐標精確已知,可以計算出各顆衛星到臺站的真實距離Ri,完善性監控臺還接收區域差分控制臺轉發的多星差分信息ΔPi,通過求解殘差Pi+ΔPi-Ri,與人工設定的殘差門限作比較,即可監測各顆衛星的偽距殘差的完善性。

對差分解算位置范圍的監測按照GPS模式、北斗模式、GPS/北斗組合模式分別進行解算。解算得到不同定位模式的差分位置結果,與本地精確位置坐標進行比較得出位置殘差,從而實現三種定位模式下的對位置殘差的完善性監測。

完善性監控臺的監測過程如圖3所示。

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

2.3 區域差分控制臺

區域差分控制臺實質是一臺工控機,并配置有控制軟件,負責本GPS/北斗區域差分增強基站的全面運行控制。其主要功能包括以下三個方面:

1)實現本地GPS/北斗基準臺的數據監控,監控內容包括衛星健康狀況、衛星載噪比、衛星分布、衛星定位數據、衛星偽距修正數據等；實現監控數據的存儲和超差預警；實現偽距修正數據轉發到完善性監控臺。

2)實現完善性監控臺的數據監控,監控內容包括星健康狀況、衛星載噪比、衛星分布、差分定位結果、偽距殘差數據、位置殘差數據等；實現監控數據的存儲和完善性監測預警。

3)實現偽距差分播發協議的數據封裝,實現與AIS基站控制器的數據接口,控制差分數據的播發時間。

3 信號傳輸擴展協議標準設計

3.1 MSG-17EX標準協議框架

由于北斗衛星導航系統是新興的衛星導航系統,目前在國內行業乃至國際上尚缺乏應用標準。交通海事船舶導航領域,北斗有著廣泛的應用前景,研究基于北斗船舶精確引航的應用標準,對推動北斗民用產業化發展有著重要的意義。文中充分參考RTCM SC-104、ITU-R M.823、ITU-R M.1371等國際通用的衛星導航差分播發標準和AIS播發標準,并結合《中國沿海無線電指向標-差分全球定位系統播發標準(JT377-1998)》[3]和《差分全球導航衛星系統(DGNSS)技術要求(GB/T 17424-2009)》[4]等國內有關標準,基于AIS鏈路GPS/北斗區域差分精確引航系統的設計和應用,提出了切實可行的兼容GNSS和北斗偽距差分信號通過AIS鏈路播發的信號傳輸標準設計。

本設計的核心依托ITU-R M.1371標準[5]的17號報文,對兼容北斗偽距差分信號進行了擴展,形成了MSG-17EX推薦協議,可以滿足在長江內河航道的應用。具體內容見表1。差分校正數據部分應按照表2所列加以組織。

3.2 擴展定義說明

表2中,消息類型參數在ITU-R M.823標準中進行了定義,在ITU-R M.823標準[6]中已增加了對GLONASS的擴展。其具體的定義見表3。

表1 MSG-17EX協議內容Table 1 MSG-17EX protocol content

表2 差分校正數據結構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標準定義的消息類型與美國航海無線電技術委員會104特委會RTCM SC-104 2.3版本的定義是兼容的。ITU-R M.1371標準的17號報文如果播發的是GPS差分信息,消息類型的數值應為1或者9；如果播發的是GLONASS差分信息,消息類型的數值應為31或者34。RTCM SC-104 2.3標準目前尚未引入北斗的相關類型定義,但有預留空間可供北斗應用的擴展。表4是RTCM SC-104 2.3標準[7]的現有類型定義。

表4 RTCM SC-104 2.3協議信息類型定義Table 4 Message type definition of RTCM SC-104 2.3 protocol

信息類型序號狀態定義7固定DGPS信標歷書8暫時偽歷書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保留偽星基準站參數13暫時地面傳輸參數14暫時GPS周時間15暫時電離層延遲改正模型參數16固定GPS專用電文17暫時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RTK載波相位修正21暫時RTK高精度偽距修正22暫時擴展參考站參數23-30-未定義31暫時差分GLONASS修正32暫時差分GLONASS參考站參數33暫時GLONASS星座健康狀態34暫時GLONASS部分差分校正集或空幀35暫時GLONASS信標歷書36暫時GLONASS特殊信息37暫時全球衛星導航系統時間偏移量38-58-未定義59固定所有者信息60-63暫時多用途使用

文中利用RTCM SC-104 2.3標準信息類型未定義的序號38-58部分對北斗差分數據應用信息類型進行擴展。具體見表5。

表5 北斗差分數據信息類型定義Table 5 Message type definition of COMPASS differential data

如此,ITU-R M.1371標準的17號報文如果播發的是北斗差分信息,消息類型的數值應為38或者42。

表2中,Z-計數參數表示差分數據消息的參考時間。Z-計數在GPS或北斗時間的每小時的開頭以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。它被用于計算GPS的校正時間或北斗的校正時間。時間計算的方法與在用戶接收機中采用的其他時間計算方法一樣。

表2中,健康狀況參數涉及衛星導航數據健康狀態。對于GPS三個零表示所有的數據是有效的, 3比特中的任何一個置為“1”表示一些數據或所有的數據有問題。對于北斗,第1比特位置為“1”表示衛星工作不正常,置為“0”表示衛星是正常的,第2和第3比特位是備用的并且用戶設備忽略它們。

表2中,DGNSS數據字參數是各導航衛星星座偽距修正數據的具體編碼。其中比例因子1個比特位,UDRE 2個比特位,衛星識別5個比特位,偽距改正數16個比特位,偽距變化率改正值8個比特位,衛星發布日期8個位,共計24個比特位。

3.3 差分播發

MSG-17EX擴展協議差分數據的播發時隙是由AIS基站控制器軟件下達標準ECB語句指令控制的,或者由AIS岸基網絡通過業務管理終端下達設置遠程指令到AIS基站控制器間接實施播發時隙的統籌規劃。由于可以通過消息類型區分GPS偽距差分信息和北斗偽距差分信息,系統可設計為輪次發送的方式采用MSG-17EX協議分別發送GPS和北斗的偽距差分數據。MSG-17EX協議報文的最大長度為816比特,發布能接收的單衛星導航系統全部可見星座偽距差分信息最多占用AIS基站4個時隙。相關理論已經證明,區域差分校正的效果主要受用戶機與基準站之間的距離即空間相關性的影響,電離層和對流層等其他誤差在比較長的時間內是穩定的。為了不更多的占用AIS通信鏈路的資源,系統可設計為30秒或1分鐘為一個周期依次播一次GPS偽距差分信息報文和北斗偽距差分信息報文。

4 差分高精度AIS船載終端設計

基于GPS的AIS船載終端已經是技術相當成熟的產品。產品主要組成單元包括GPS衛星天線單元、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船載終端設計核心是要通過AIS鏈路接收到區域差分增強AIS岸基站播發的MSG-17EX標準報文,解析出里面的GPS偽距差分信息和北斗偽距差分信息,并反饋給內置升級的GPS/北斗雙模定位模塊,實現兼容組合模式下的差分高精度解算定位。其組成設計如圖4所示。

圖4 差分AIS船載終端組成設計Fig.4 Structural design of differential AIS terminal

GPS/北斗雙模定位模塊可設置GPS/北斗組合定位、GPS單獨定位和北斗單獨定位三種定位模式,并預留管腳接口支持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算。此外,現有正在航運應用的AIS船臺設備,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,即可實現單GPS系統的差分高精度定位引航。

5 結 語

AIS船舶自動識別系統是船舶避碰的重要技術手段,現在主要采用的是GPS衛星導航系統作為定位源。北斗衛星導航系統是我國自主建設的衛星導航系統,目前已經具備了與GPS相當的定位性能。文中從工程實際應用著手,結合AIS技術在航運安全監管方面運用的現狀,提出將GPS/北斗區域差分技術與AIS技術有機整合的解決方案,能夠有效提高三峽大壩報關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、兼容性好、實用性佳、經濟易推廣的特點。結合國際國內相關標準協議的研究論證,提出的兼容GPS/北斗雙模偽距差分信息的擴展協議標準設計,對國家推動北斗在國內及國際上的標準建設和推廣北斗在行業的應用,也極具參考價值。

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[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,主要研究方向為導航、信息處理及系統應用技術。