基于AIS的BDS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)研究、驗(yàn)證及其應(yīng)用展望

沈建軍,龐波波,盧紅洋,于淵,王文良

(1. 交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江通信管理局,湖北 武漢 430014;2. 中國(guó)交通通信信息中心,北京 100011; 3. 航天恒星科技有限公司,北京 100095)

0 引 言

交通運(yùn)輸行業(yè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)應(yīng)用工作是一項(xiàng)戰(zhàn)略性、長(zhǎng)期性工作,分階段穩(wěn)步推動(dòng)BDS在交通行業(yè)實(shí)現(xiàn)全覆蓋,實(shí)現(xiàn)行業(yè)與BDS相互促進(jìn)、共同發(fā)展,是建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的重要支撐[1]. 目前,自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)作為海事領(lǐng)域信息服務(wù)播發(fā)的重要方式,通過(guò)AIS實(shí)時(shí)廣播BDS差分?jǐn)?shù)據(jù)是長(zhǎng)江干線BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)工程的重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容. 但遺憾的是,AIS不支持BDS差分?jǐn)?shù)據(jù)的播發(fā),所以本文通過(guò)播發(fā)方案設(shè)計(jì)和測(cè)試演示系統(tǒng)搭建,開(kāi)展了基于AIS的BDS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)的研究、驗(yàn)證工作，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了展望.

1 BDS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 AIS差分信息電文傳輸及通信協(xié)議

“在VHF水上移動(dòng)頻段內(nèi)使用時(shí)分多址的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的技術(shù)特性標(biāo)準(zhǔn)”(以下簡(jiǎn)稱“ITU-R M.1371-5”),規(guī)定AIS 17號(hào)報(bào)文播發(fā)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)差分?jǐn)?shù)據(jù),格式遵循ITU-R M.823《為工作在第一區(qū)283.5 kHz～315 kHz和第二區(qū)及第三區(qū)285 kHz～325 kHz頻帶水上無(wú)線電信標(biāo)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的差分傳送技術(shù)的特性》(以下簡(jiǎn)稱“ITU-R M.823”)協(xié)議[2],見(jiàn)表1,但其中未定義BDS的消息類型. 所以本文對(duì)播放方式、內(nèi)容、格式和頻度上進(jìn)行了重設(shè)和重組,如表2所示.

播放方式參照ITU-R M. 823-3協(xié)議[3]和BD 410002—2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)數(shù)據(jù)差分?jǐn)?shù)據(jù)格式(一)》(以下簡(jiǎn)稱“BD 410002—2015)[4],滿足AIS的相關(guān)協(xié)議要求.

播發(fā)內(nèi)容按照AIS 17號(hào)報(bào)文格式播發(fā)差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(DGNSS)數(shù)據(jù),固定電文41用于播發(fā)BDS差分?jǐn)?shù)據(jù),可選電文1用于播發(fā)GPS差分?jǐn)?shù)據(jù). 內(nèi)容上選擇國(guó)際海運(yùn)事業(yè)無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議2.3版本(RTCM 2.3)中包含的差分修正數(shù)據(jù)電文或?qū)μ岣叨ㄎ痪扔欣娢?參照BD 410002—2015中規(guī)定的用于改正差分基準(zhǔn)站和流動(dòng)站(用戶終端)各種誤差的數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容.

播發(fā)格式符合BD 410002—2015中第4部分“電文內(nèi)容和數(shù)據(jù)格式”中對(duì)數(shù)據(jù)格式的定義. 播發(fā)前需先將接收到的RTCM格式電文打包成AIS 17號(hào)報(bào)文,再進(jìn)行播發(fā).

表2 RTCM差分?jǐn)?shù)據(jù)格式

播發(fā)頻度上,GNSS動(dòng)態(tài)差分定位的解算頻率取決于接收到的衛(wèi)星歷元的數(shù)量和頻率,對(duì)包含GNSS差分改正數(shù)的電文數(shù)據(jù)的播發(fā)需要盡可能頻繁,對(duì)于包含其他參數(shù)和信息的電文數(shù)據(jù)的播發(fā)頻率則可根據(jù)需要而定,參照ITU-R M.823-3.

1.2 信道接入

信道接入采用FATDMA方案,該方案用于靜態(tài)分配,僅用于基站報(bào)告,預(yù)先聲明并且固定的傳送計(jì)劃,避免使用己經(jīng)被分配的時(shí)隙[5],在AIS信號(hào)重疊區(qū)域內(nèi),需將相鄰基站的播發(fā)時(shí)隙錯(cuò)開(kāi),避免時(shí)隙沖突. 在緊急情況下可使用RATDMA方案,廣播高時(shí)效性緊急電文,但應(yīng)盡量避免使用.

1.3 增強(qiáng)信號(hào)的播發(fā)頻率

根據(jù)IALA建議,單個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)最大可見(jiàn)星數(shù)一般不超過(guò)15顆,應(yīng)分配3個(gè)時(shí)隙. 本方案采用每間隔15 s發(fā)送數(shù)據(jù),每個(gè)通道1幀(60 s)發(fā)送兩次,共占用12個(gè)時(shí)隙的發(fā)送策略,如圖1所示.

圖1 時(shí)隙分配示意圖

1.4 差分?jǐn)?shù)據(jù)生成和播發(fā)

AIS基準(zhǔn)站將觀測(cè)的原始數(shù)據(jù)傳回?cái)?shù)據(jù)中心,建立基站網(wǎng)絡(luò)的大氣模型,包括電離層、對(duì)流層模型等;AIS播發(fā)站模擬高精度定位用戶,向數(shù)據(jù)中心申請(qǐng)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)中心經(jīng)過(guò)載波相位差分技術(shù)(RTK)解算生成差分?jǐn)?shù)據(jù);解析RTCM電文轉(zhuǎn)換為17號(hào)報(bào)文,封裝成DGNSS二進(jìn)制電文,再分發(fā)到各個(gè)AIS基站進(jìn)行播發(fā).

1.5 差分?jǐn)?shù)據(jù)的接收與使用

AIS基站廣播DGNSS二進(jìn)制電文,AIS船載終端航行在附近水域時(shí),可以通過(guò)天線接收到基站廣播的電文,終端將二進(jìn)制電文解析并將其封裝成RTCM格式的數(shù)據(jù),通過(guò)串口發(fā)送到終端差分定位模塊,實(shí)現(xiàn)偽距差分定位,提高定位精度.

2 BDS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

我們?cè)谀暇┐罱藴y(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng),系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示,主要包括:

BDS基準(zhǔn)站:BDS基準(zhǔn)站接收BDS衛(wèi)星信號(hào),生成的差分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到地基增強(qiáng)服務(wù)器,分別在長(zhǎng)江南京通信管理局樓頂、儀征派出所樓頂、鎮(zhèn)江港務(wù)局樓頂架設(shè)BDS基站,通過(guò)長(zhǎng)江專網(wǎng)向數(shù)據(jù)中心發(fā)送基站數(shù)據(jù).

圖2 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

地基增強(qiáng)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心軟件:服務(wù)器接收BDS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算差分?jǐn)?shù)據(jù),并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)推送給用戶;服務(wù)器布設(shè)在長(zhǎng)江南京通信管理局機(jī)房,并接入長(zhǎng)江專網(wǎng),接收三個(gè)基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)中心軟件接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行解算,計(jì)算差分?jǐn)?shù)據(jù),并通過(guò)NTRIP(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol)協(xié)議向用戶提供服務(wù),一個(gè)AIS播發(fā)站按照一個(gè)用戶來(lái)處理,同時(shí)數(shù)據(jù)中心還開(kāi)通對(duì)外服務(wù)端口,可通過(guò)公網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)獲取差分?jǐn)?shù)據(jù).

AIS播發(fā)站:接收地基增強(qiáng)服務(wù)器生成的差分?jǐn)?shù)據(jù),并通過(guò)AIS鏈路播發(fā)給AIS船臺(tái). 在新生圩安裝AIS播發(fā)站,數(shù)據(jù)播發(fā)軟件從數(shù)據(jù)中心軟件獲取新生圩地區(qū)的差分?jǐn)?shù)據(jù),并通過(guò)TCP協(xié)議推送給AIS播發(fā)站,播發(fā)站收到差分?jǐn)?shù)據(jù),把差分?jǐn)?shù)據(jù)打包到AIS17號(hào)報(bào)文播發(fā)出去.

船載設(shè)備:主要包括AIS船臺(tái)(普通船臺(tái)和BDS差分船臺(tái)),BDS差分船臺(tái)接收播發(fā)站的17號(hào)報(bào)文進(jìn)行實(shí)現(xiàn)差分定位.

BDS高精度定位終端:通過(guò)公網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)器的外網(wǎng)端口,直接從服務(wù)器獲取差分?jǐn)?shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)RTK厘米級(jí)定位.

2.2 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

2.2.1 BDS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)的功能測(cè)試

BDS AIS播發(fā)站通過(guò)長(zhǎng)江數(shù)據(jù)專網(wǎng)接收差分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)器推送的差分報(bào)文(RTCM2.4協(xié)議,GPS 1號(hào)、BDS 41號(hào)消息),并打包成AIS-17號(hào)報(bào)文進(jìn)行播發(fā),船臺(tái)接收AIS-17號(hào)報(bào)文后,解析17號(hào)報(bào)文提取差分報(bào)文并發(fā)送給船臺(tái)定位模塊,實(shí)現(xiàn)差分定位．測(cè)試過(guò)程中,差分船臺(tái)接收到AIS播發(fā)的BDS差分報(bào)文如圖3所示,差分船臺(tái)已完成BDS差分定位如圖4所示.

圖3 差分船臺(tái)接收到AIS-17號(hào)報(bào)文

圖4 差分船臺(tái)差分定位狀態(tài)

2.2.2 BDS差分定位的性能測(cè)試

1) AIS差分船臺(tái)靜態(tài)精度測(cè)試

靜止?fàn)顟B(tài)精度分析軟件接收船臺(tái)輸出的定位數(shù)據(jù),與測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)真值(靜態(tài)后處理結(jié)果,毫米級(jí)精度)進(jìn)行比較,計(jì)算船臺(tái)定位偏差量. 測(cè)試過(guò)程中,圖5為普通船臺(tái)的定位精度示意圖,計(jì)算定位數(shù)據(jù)與坐標(biāo)真值的參數(shù)偏差值,并統(tǒng)計(jì)各參數(shù)誤差和定位誤差的最大值,最小值和平均誤差值等. 圖6為差分船臺(tái)靜態(tài)定位示意圖,圖中固定距標(biāo)圈間隔為1 m,可直觀顯示定位數(shù)據(jù)與坐標(biāo)真值的偏差. 測(cè)試結(jié)果如表3所示.

圖5 普通船臺(tái)定位精度(BDS單點(diǎn))

圖6 差分船臺(tái)靜態(tài)定位(BDS)

表3 AIS差分船臺(tái)靜態(tài)精度測(cè)試結(jié)果

2) AIS差分船臺(tái)動(dòng)態(tài)精度測(cè)試

差分船臺(tái)RTD和載波相位差分RTK設(shè)置安裝在同一個(gè)移動(dòng)載體上,兩個(gè)定位天線中心相距約10 cm,以RTK(厘米級(jí)精度)軌跡為基準(zhǔn),繪制兩種設(shè)備的軌跡,以軌跡偏差作為評(píng)判差分船臺(tái)的動(dòng)態(tài)定位精度,測(cè)試過(guò)程如圖7、8所示,測(cè)試結(jié)果如表4所示.

圖7 AIS船位監(jiān)控平臺(tái)查詢到的動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試軌跡

圖8 單BDS軌跡對(duì)比和偏差

表4 AIS差分船臺(tái)動(dòng)態(tài)精度測(cè)試結(jié)果

2.2.3 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)測(cè)試結(jié)果可知,BDS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)的功能上,AIS播發(fā)站可正常播發(fā)BDS差分?jǐn)?shù)據(jù),AIS差分船臺(tái)可正常接收差分?jǐn)?shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)BDS差分定位;BDS差分定位的性能上,AIS差分船臺(tái)動(dòng)靜態(tài)定位精度可達(dá)到米級(jí),符合預(yù)期.

上述驗(yàn)證了AIS播發(fā)BDS差分?jǐn)?shù)據(jù)的可行性和BDS在長(zhǎng)江干線能夠提供高精度的差分定位服務(wù),為全面推進(jìn)BDS AIS播發(fā)系統(tǒng)和BDS高精度AIS船載終端在船舶航行,海事監(jiān)管,AIS航標(biāo)和航運(yùn)信息服務(wù)等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

3 BDS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用展望

3.1 船舶航行應(yīng)用

BDS高精度AIS船載終端定位精度可達(dá)到米級(jí).有效提升AIS基站覆蓋區(qū)船舶動(dòng)態(tài)定位精度,提供準(zhǔn)備的位置數(shù)據(jù),在狹水道,密集水域增加船舶定位位置可靠性,利于助航設(shè)備提供有效避讓決策建議,船上人員準(zhǔn)確判斷周圍水域態(tài)勢(shì),采取合理避讓措施. 此外,充分發(fā)揮AIS終端設(shè)備告警提示作用,通過(guò)水域船舶位置信息精度的提升,降低頻繁的無(wú)效報(bào)警,有效減少值班人員疏忽,保障船舶航行安全.

3.2 海事監(jiān)管應(yīng)用

AIS系統(tǒng)配合雷達(dá)自動(dòng)標(biāo)繪儀(APRA)與閉路監(jiān)控(CCTV),實(shí)時(shí)獲取周圍水域船舶動(dòng)靜態(tài)信息,生成可視化的水上交通態(tài)勢(shì),便于海事部門(mén)進(jìn)行轄區(qū)船舶的動(dòng)態(tài)監(jiān)督與管理. 基于BDS AIS差分播發(fā)系統(tǒng),提供轄區(qū)水域船舶高精度位置數(shù)據(jù)和精準(zhǔn)判斷水域態(tài)勢(shì),高質(zhì)量地捕獲和跟蹤動(dòng)態(tài)船只目標(biāo),提供有效的海事動(dòng)態(tài)監(jiān)管. 此外,通過(guò)事后厘米級(jí)的船舶軌跡回放,為海事調(diào)查和事故分析提供可靠的數(shù)據(jù)支撐[6].

3.3 AIS航標(biāo)應(yīng)用

相比目前AIS航標(biāo),BDS高精度AIS系統(tǒng)和終端在航標(biāo)的應(yīng)用,可提供更為精確位置的航標(biāo)助航服務(wù),氣象和水文信息資料,提高航標(biāo)移位告警及時(shí)性和準(zhǔn)確度. 一方面在航標(biāo)養(yǎng)護(hù)上,結(jié)合航標(biāo)電子巡檢,針對(duì)性地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修理和維護(hù),節(jié)省成本[7];另一方面對(duì)于經(jīng)常發(fā)生的航標(biāo)被撞事件,可提供及時(shí)告警和周圍船舶準(zhǔn)確軌跡回放,及時(shí)有效追查.

3.4 航運(yùn)信息服務(wù)應(yīng)用

基于AIS獲取的船舶位置、船舶動(dòng)靜態(tài)信息,搭建船舶,航線,港口,貨物流向,船舶流向,構(gòu)建多維度、多時(shí)空航運(yùn)數(shù)據(jù)服務(wù)[8]. 為港航物流、航運(yùn)保險(xiǎn)、船舶營(yíng)運(yùn)提供決策運(yùn)營(yíng)的大數(shù)據(jù)支撐服務(wù).

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著長(zhǎng)江干線BDS地基增強(qiáng)設(shè)施的建設(shè),基于BDS AIS增強(qiáng)信息播發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用,在內(nèi)河、港口和狹水道等水域提供面向各類型船舶提供高精度定位服務(wù),最大發(fā)揮AIS系統(tǒng)助航作用,推動(dòng)BDS AIS終端產(chǎn)品的規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化,推進(jìn)BDS在內(nèi)河應(yīng)用的全覆蓋,保障水域安全監(jiān)管與服務(wù),助力交通強(qiáng)國(guó)的建設(shè).