交通行業(yè)GNSS差分信息播發(fā)技術(shù)研究

吳曉東，沈 剛，夏 威，李 浩，李 濤，謝 悅，李 晶

（中國(guó)交通通信信息中心，北京100011）

交通行業(yè)GNSS差分信息播發(fā)技術(shù)研究

吳曉東，沈 剛，夏 威，李 浩，李 濤，謝 悅，李 晶

（中國(guó)交通通信信息中心，北京100011）

GNSS差分定位技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，而實(shí)現(xiàn)差分定位的關(guān)鍵是如何將差分信息通過一定的通信手段播發(fā)給用戶。本文介紹了基于現(xiàn)有AIS和RBN－DGPS系統(tǒng)的差分信息播發(fā)技術(shù)。對(duì)利用3G、FM調(diào)頻副載波等常用通信方式播發(fā)差分信息進(jìn)行了分析，并首次驗(yàn)證了FM播發(fā)差分信息的可行性。最后，在分析各種播發(fā)方式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合交通行業(yè)應(yīng)用，分析了適合交通行業(yè)應(yīng)用的差分信息播發(fā)方式。

GNSS；差分信息；播發(fā)技術(shù)；交通行業(yè)

0 引 言

交通運(yùn)輸行業(yè)是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的重要領(lǐng)域。交通行業(yè)的快速發(fā)展對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航性能的要求越來(lái)越高，現(xiàn)有普通的衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度已經(jīng)無(wú)法完全滿足現(xiàn)有及未來(lái)交通行業(yè)應(yīng)用需求。為了提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度，最常用的手段是采用差分定位技術(shù)，消除具有空間相關(guān)性的公共誤差。

差分定位的關(guān)鍵是如何將差分信息通過一定的通信手段播發(fā)給用戶。目前交通運(yùn)輸行業(yè)針對(duì)水上應(yīng)用需求，主要基于已有的AIS和RBNDGPS系統(tǒng)播發(fā)差分信息，以滿足內(nèi)河、沿海船舶高精度導(dǎo)航與監(jiān)控應(yīng)用。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，差分信息的播發(fā)方式選擇面越來(lái)越廣。常用的3G/GPRS移動(dòng)通信已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外高精度衛(wèi)星導(dǎo)航終端廠商廣泛應(yīng)用于差分信息播發(fā)。對(duì)于利用FM調(diào)頻副載波播發(fā)差分信息技術(shù)的研究，交通運(yùn)輸部中國(guó)交通通信信息中心首次成功驗(yàn)證該方式的可行性。

交通運(yùn)輸行業(yè)不同領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星導(dǎo)航性能需求具有一定的差異化。針對(duì)不同的性能需求，選擇技術(shù)可行、成本低廉的差分信息播發(fā)方式，是保證交通行業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

1 交通行業(yè)現(xiàn)有差分信息播發(fā)方式

1.1 基于AIS系統(tǒng)的播發(fā)技術(shù)

通用船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）是一種利用海上VHF頻段的船載航行信息交換系統(tǒng)，它不僅能自動(dòng)發(fā)出本船的相關(guān)信息，而且還可以接收周圍其它船舶所發(fā)出的信息，采用的主要技術(shù)是“自組織時(shí)分多址接續(xù)（SOTDMA）”方式進(jìn)行信息交換[1］。

AIS工作頻率范圍為156.025～162.025 MHz，工作帶寬為25kHz或者12.5kHz.其中25 kHz的帶寬于公海上使用。在地方水域可以根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)定使用25kHz或者12.5kHz的帶寬。AIS使用不歸零的反相波進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，采用高斯濾波最小移頻鍵控調(diào)頻（GMSK），傳輸速率為9 600bit/s.

在AIS通信系統(tǒng)中，通過第17號(hào)電文進(jìn)行GNSS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)，電文格式如表1所示。其中RTCM差分修正數(shù)據(jù)主要在AIS電文17的第8項(xiàng)中，參考站信息在AIS電文17中的第5和第6項(xiàng)。

1.2 基于RBN－DGPS系統(tǒng)的播發(fā)技術(shù)

沿海無(wú)線電指向標(biāo)－差分全球定位系統(tǒng)（RBNDGPS）是一種新型、高精度、全天候的海上導(dǎo)航定位系統(tǒng)，是中國(guó)海事局“九五”期間的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，于2002年1月1日零時(shí)起全面開通，正式向公共用戶無(wú)償提供服務(wù)[2］。

表1 AIS第17號(hào)電文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成

RBN－DGPS符合國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)，電文格式采用RTCM SC－104標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)格式。工作頻率范圍為283.5～325kHz，RBN－DGPS差分信號(hào)的調(diào)制方式為最小移頻鍵控（MSK），采用調(diào)相單行道數(shù)據(jù)傳遞（GID）方式發(fā)射，數(shù)據(jù)傳送速率為200bps.目前，中國(guó)沿海共有23個(gè)RBN－DGPS基準(zhǔn)，主要提供整個(gè)中國(guó)沿海區(qū)域的覆蓋，定位精度高，該精度可滿足船舶引航服務(wù)的要求且由于采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式，系統(tǒng)的通用性強(qiáng)。

RBN－DGPS播發(fā)的差分信息類型如表2所示，通用電文類型與格式參考《沿海無(wú)線電指向標(biāo)－差分全球定位系統(tǒng)播發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（中華人民共和國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，JT 377－1998）》，每幀電文由2＋N個(gè)30位字組成，N個(gè)字中包含著電文數(shù)據(jù)，N隨電文類型變。

表2 RBN－DGPS差分信息類型

2 基于3G的差分信息播發(fā)技術(shù)分析

3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)針對(duì)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)到移動(dòng)端主要基于TCP/IP透明傳輸協(xié)議[3］，具體過程如下：

1）差分?jǐn)?shù)據(jù)按照傳輸控制協(xié)議（TCP）的格式封裝成TCP數(shù)據(jù)包，再生成IP數(shù)據(jù)包，從而建立起Internet和GGSN之間的路由。

2）由于TCP/IP協(xié)議組中含有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（PPP）用于支持TCP/IP四層模型中的數(shù)據(jù)鏈路層，因此，需要將IP數(shù)據(jù)包按照PPP幀的幀格式封裝成PPP幀，才能通過網(wǎng)卡將PPP幀發(fā)送到GGSN上。

3）GGSN接收到該P(yáng)PP幀后，首先進(jìn)行TCP/IP拆分，采用GPRS遂道協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)包做處理，實(shí)現(xiàn)從GGSN到服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）的虛擬傳輸通道，即隧道。由于3G/GPRS骨干網(wǎng)是移動(dòng)網(wǎng)內(nèi)部的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，GPRS遂道協(xié)議（GTP）數(shù)據(jù)包作為高層應(yīng)用數(shù)據(jù)需要TCP或者UDP承載。TCP或者UDP承載的數(shù)據(jù)包被進(jìn)一步封裝成IP包，此IP包的目的地址就是目標(biāo)SGSN的地址。GGSN根據(jù)其地址選擇GPRS網(wǎng)內(nèi)的傳輸通道，傳給移動(dòng)端所處的SGSN.

4）SGSN對(duì)到達(dá)的數(shù)據(jù)包層層解封，還原出IP包，依據(jù)子網(wǎng)匯聚協(xié)議（SNDCP）把IP包封裝成SNDC數(shù)據(jù)單元，再經(jīng)過邏輯鏈路控制（LLC）層處理為L(zhǎng)LC幀單元，最后依據(jù)基站子系統(tǒng)GPRS協(xié)議（BSSGP）對(duì)LLC幀單元進(jìn)行進(jìn)一步封裝，加入SGSN對(duì)基準(zhǔn)站子系統(tǒng)（BSS）的控制信息，通過網(wǎng)絡(luò)仿真器NS的幀中繼和PPP鏈路將數(shù)據(jù)傳送到移動(dòng)端所處的BSS.

5）BSS還原出LLC幀數(shù)據(jù)之后，利用無(wú)線鏈路控制協(xié)議（RLC）將LLC數(shù)據(jù)幀拆分成便于空中接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊，加上媒體介入控制層（MAC）數(shù)據(jù)頭之后，便可將數(shù)據(jù)通過空中接口發(fā)送給終端，接收生成的差分?jǐn)?shù)據(jù)。

3 基于FM調(diào)頻副載波的差分信息播發(fā)技術(shù)研究

3.1 FM調(diào)頻副載波技術(shù)

目前國(guó)際上主要的FM調(diào)頻副載波技術(shù)有無(wú)線數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（RDS）和調(diào)頻多工高速數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（DARC）.其參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 RDS和DARC參數(shù)對(duì)比

RDS調(diào)頻廣播技術(shù)受其帶寬的影響，難以承載GNSS差分信息的播發(fā)，因此主要考慮采用DARC調(diào)制方式作為調(diào)頻副載波播發(fā)差分信息的方式。

3.2 FM差分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

如圖所示，調(diào)頻副載波協(xié)議遵守ISO/OSI參考模型結(jié)構(gòu)，總共分為7層，如圖1所示。

圖1 DARC數(shù)據(jù)協(xié)議層

DARC系統(tǒng)協(xié)議中單位最大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為“幀（frame），每幀包含78 336比特?cái)?shù)據(jù)。每幀由272行數(shù)據(jù)組成，每行為一個(gè)288比特的數(shù)據(jù)塊。一個(gè)數(shù)據(jù)塊包括16比特的BIC報(bào)頭和272比特的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊是協(xié)議中最基本的數(shù)據(jù)單位，又分為兩種：信息數(shù)據(jù)塊和糾錯(cuò)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊（block）是本系統(tǒng)協(xié)議的最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單位，大小為288個(gè)比特（36byte）。其中，前16比特為BIC標(biāo)志碼[5］。

數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)分為信息數(shù)據(jù)塊和糾錯(cuò)校驗(yàn)數(shù)據(jù)塊。前者用來(lái)存儲(chǔ)待發(fā)送的信息，而后者只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的錯(cuò)誤糾正，不包含待發(fā)送信息。具體來(lái)說，一個(gè)信息數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)由以下部分組成：176比特待發(fā)送信息和14比特循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC），以及82比特糾錯(cuò)校驗(yàn)碼。DARC數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)具體如表4所示。

表4 DARC復(fù)用幀結(jié)構(gòu)

DARC傳輸協(xié)議和RTCM－SC－104不一致，需要二次封裝，才能在數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)中傳送；同時(shí)，在接收端也需要進(jìn)行二次解析出RTCM－SC－104電文。

3.3 基于FM調(diào)頻副載波的差分信息播發(fā)系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：信息采集系統(tǒng)，編碼系統(tǒng)，以及發(fā)射機(jī)組成。編碼系統(tǒng)由三部分組成：FM編輯裝置，協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置，L－MSK交換機(jī)。如圖2所示。

圖2 基于FM的差分信息播發(fā)系統(tǒng)示意圖

FM編輯裝置負(fù)責(zé)將信息采集系統(tǒng)的GNSS差分信息按照廣播協(xié)議的要求，完成第7層到第5層的編碼。

隨著大眾旅游的興起以及對(duì)文化的需求，人民生活水平的提高和國(guó)內(nèi)消費(fèi)的升級(jí)，文化旅游成為新型旅游業(yè)態(tài)迅速崛起的代表[1]。《中國(guó)文化旅游發(fā)展報(bào)告2017》指出，目前，文化旅游已經(jīng)進(jìn)入了以資本、創(chuàng)意和技術(shù)為主導(dǎo)的文旅2.0時(shí)代。文旅2.0時(shí)代的顯著特征是“無(wú)中生有、變廢為寶”，其中創(chuàng)新能力在文旅產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起著越來(lái)越重要的作用。文旅2.0時(shí)代發(fā)展的重要特征之一是旅游演藝砥礪前行。2016年以來(lái)，作為文化旅游產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要領(lǐng)域，旅游演藝產(chǎn)業(yè)日趨成熟并開始進(jìn)入調(diào)整期[2]。張家界作為國(guó)際著名旅游城市，如何在競(jìng)爭(zhēng)激烈的旅游演藝市場(chǎng)中穩(wěn)定并發(fā)展旅游演藝品牌，是一個(gè)亟待解決的問題。

協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置負(fù)責(zé)將FM編輯裝置生成的第5層信息按照標(biāo)準(zhǔn)要求完成第4層、第3層的編碼，以及廣播鏈路第2層的編碼。

L－MSK交換機(jī)負(fù)責(zé)將協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置生成的第2層信息按照標(biāo)準(zhǔn)要求完成副載波第1層的編碼，最后送到發(fā)射機(jī)廣播發(fā)送。

3.4 基于FM調(diào)頻副載波的差分信息接收測(cè)試

在位于北京上莊水庫(kù)的海事衛(wèi)星移動(dòng)地面站搭建基于FM的差分定位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，硬件主要包括司南M300基準(zhǔn)站接收機(jī)一臺(tái)、司南K500板卡一塊、一臺(tái)用于控制差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)的DELL R720xd服務(wù)器、ECRESO公司的激勵(lì)器Helios FM 20/100W、Audmat公司的編碼器FMX 410/480，基準(zhǔn)站接收機(jī)輸出頻率設(shè)置為1Hz，激勵(lì)器廣播頻率設(shè)置為100MHz，功率設(shè)置為23W.

靜態(tài)條件下，基線距離為1.5km，測(cè)試時(shí)間從早上9點(diǎn)到下午14點(diǎn)，配置播發(fā)平臺(tái)并開始播發(fā)差分信息。在接收端配置專用的FM接收模塊，確保正常接收FM播發(fā)系統(tǒng)播發(fā)的數(shù)據(jù)，如圖3和4所示，基準(zhǔn)站接收機(jī)原始差分?jǐn)?shù)據(jù)以AA 44 12 1C開頭，F(xiàn)M模塊接收經(jīng)過FM系統(tǒng)編碼后的DARC數(shù)據(jù)，以幀頭5AFF封裝。

圖3 基準(zhǔn)站接收機(jī)原始差分?jǐn)?shù)據(jù)

圖4 DARC協(xié)議封裝的差分?jǐn)?shù)據(jù)

利用FM模塊接收的差分信息進(jìn)行偽距差分定位解算，對(duì)24h的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以95%圓概率誤差計(jì)算偽距差分定位精度，可以得到水平方向的誤差為1.095m，如圖5所示。基于此在北京北清路開展了基于FM調(diào)頻副載波的高精度定位測(cè)試，經(jīng)試驗(yàn)證明可以滿足車道級(jí)導(dǎo)航與監(jiān)控應(yīng)用。

圖5 基于FM的偽距差分定位精度（95%）

4 各種播發(fā)方式對(duì)比及適合交通行業(yè)應(yīng)用分析

從表5的對(duì)比可以得出，AIS、RBN－DGPS覆蓋范圍僅僅局限于內(nèi)河沿海港口及重要水域，主要用戶也局限于少數(shù)的行業(yè)用戶，難以支撐陸地應(yīng)用需求。隨著3G等移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，陸地用戶獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)變得相當(dāng)便利，針對(duì)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”差分信息傳輸業(yè)務(wù)的雙向通信特點(diǎn)，適用于管理部分對(duì)交通行業(yè)用戶開展精細(xì)化監(jiān)管應(yīng)用。FM調(diào)頻副載波技術(shù)可省去雙向通信連接建立的過程，是單向廣播的方式，可以低成本為大眾用戶大范圍提供亞米級(jí)的車道級(jí)導(dǎo)航服務(wù)。

表5 差分信息播發(fā)方式對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了基于現(xiàn)有AIS和RBN－DGPS系統(tǒng)的差分信息播發(fā)技術(shù)，以及利用3G播發(fā)差分信息的分析，首次將FM調(diào)頻副載波技術(shù)用于差分信息的播發(fā)并通過可行性驗(yàn)證。最后分析了適合交通行業(yè)應(yīng)用的差分信息播發(fā)方式。

[1]萬(wàn) 林，侯建軍，張永勝，等.艦船自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）研究[C］//2002航海實(shí)用新技術(shù)論文集，2002.

[2]汪孔政.RBN/DGPS定位系統(tǒng)精度試驗(yàn)及應(yīng)用[J］.科技資訊，2007（26）：3.

[3]劉光林，李永奎.基于3G網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)機(jī)械GPS差分系統(tǒng)的研究[J］.農(nóng)機(jī)化研究，2012（11）：202－205.

[4]黃孝飛.DARC系統(tǒng)及其應(yīng)用[J］.廣播與電視技術(shù)，1999（6）：114－117.

[5]北京市交通信息中心、中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所.GB/T 27605－2011衛(wèi)星導(dǎo)航動(dòng)態(tài)交通信息交換格式[S］.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

Research on Broadcasting Technology of GNSS Differential Information in Transportation

WU Xiaodong，SHEN Gang，XIA Wei，LI Hao，LI Tao，XIE Yue，LI Jing
（China Transport Telecommunications ＆Information Center，Beijing100011，China）

GNSS differential positioning technology has been widely used in various fields，and the key point of difference positioning is how to broadcast the difference information to the user by proper means of communication.This paper first introduced the differential information broadcast technology based on the existing AIS and RBN－DGPS system.Secondly，common communication like 3G，F(xiàn)M subcarriers used to broadcast differential information is analyzed，and the first time certified the feasibility of FM broadcasting the differential information.Finally based on analysis of various broadcast modes characteristics，combined with the application of transportation，this paper analyzed the suitable means for transportation industry application of differential information broadcasting mode.

GNSS；differential information；broadcasting；transportation

P228.4

A

1008－9268（2015）01－0041－05

10.13442/j.gnss.1008－9268.2015.01.009

吳曉東（1987－），男，碩士，助理工程師，主要從事交通行業(yè)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)研究。

沈 剛（1963－），男，博士，高級(jí)工程師/處長(zhǎng)，主要從事交通行業(yè)信息化工作。

夏 威（1986－），男，博士，工程師，主要從事高分辨率衛(wèi)星遙感交通應(yīng)用研究。

李 浩（1977－），男，碩士，工程師，主要從事水上交通北斗應(yīng)用研究。

李 濤（1979－），男，碩士，工程師，主要從事車聯(lián)網(wǎng)方面研究。

謝 悅（1977－），男，工程師，主要從事北斗產(chǎn)業(yè)化研究。

李 晶（1978－），男，碩士，高級(jí)工程師/副處長(zhǎng)，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)化工作。

2014－09－10

聯(lián)系人：吳曉東E－mail：wuxiaodong＠cttic.cn