基于AIS岸台的DGPS校正量播发应用

(交通运输部 东海航海保障中心， 上海 200086)

基于AIS岸台的DGPS校正量播发应用

刘嘉华

(交通运输部东海航海保障中心，上海200086)

为提升上海洋山港通航安全的航海保障技术支持能力，上海洋山港E航海示范工程建设和完善相关航海保障支持服务设施。介绍利用洋山港周边水域船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)岸台播发差分全球定位系统(Differential Global Positioning System,DGPS)校正量的方法,并对测试结果进行分析。分析结果表明,在AIS岸台的有效覆盖范围内，AIS船舶在接收到差分报文后能提高定位精度，有利于船舶安全航行。

E航海;航海保障;AIS岸台;差分全球导航卫星系统;差分全球定位系统;校正量

Abstract: Quite a few development and refinement of facilities and services have been made under the Yangshan E-Navigation demonstration project, aimed to improve the navigation support technologies and the performance of the port. Broadcasting Differential Global Positioning System(DGPS) correction through adjacent Automatic Identification System(AIS) base stations is on of the developments. The broadcasting arrangement and the results are illustrated. Within the coverage of the AIS base stations the vessels with AIS equipment can improve the positioning precision and navigation safety by means of the additional information.

Keywords: E-Navigation; navigation support; AIS base station; DGNSS; DGPS; correction

上海国际航运中心和上海自贸区建设自纳入国家发展战略以来，依托洋山港的港口和航运经济发展,在深化国家战略方面发挥着重要的支撑作用。通往洋山港的主要国际航线所经航区每年都会有不利于船舶安全航行的能见度不良的天气出现，造成船舶停航或滞航，严重影响港口货物装卸，进而影响港口和船公司的经营效益。船舶在能见度不良的海区航行时,应采用适合当时环境的安全航速谨慎行驶[1]，而提高和改善能见度不良条件下大型集装箱船舶航行和离靠泊的助航安全保障条件，为引航员提供助航保障支持，则显得尤为迫切和重要。

船载自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)[3]是一种新型数字助航设备，由岸基设备和船载设备共同组成，可有效避免系统干扰因素,保证船舶航行和通信功能的有效性,对保证船舶安全航行具有重大意义。然而，AIS的可靠性是建立在船舶定位精度较高的基础上的,现有的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)因存在一定的误差而使得定位精度不高,成为影响船舶安全航行的隐患。[4]因此,研究一种高定位精度的差分全球导航卫星系统(Differential Global Navigation Satellite System,DGNSS)具有重要的现实意义。

这里介绍洋山港海域附近的大戢山和下三星2座AIS岸台的改造实施和测试情况，使其能播发DGNSS校正量。目前关于AIS岸台播发DGNSS校正量尚无强制性要求，这2座AIS岸台自主播发DGNSS校正量为AIS的拓展应用开辟了一条新途径，是E航海(E-Navigation)框架[4]下海事服务集[5]中岸基服务产品的具体体现。

1 基于AIS岸台的DGNSS校正量播发原理

常规GNSS是通过获取一组卫星的伪距、卫星星历、卫星信号发送时间及其他观测量来获取位置信息、实现定位的，同时还须知道用户钟差。[5]在进行导航定位和测量时，会伴随有卫星自身误差、信号传播误差和接收机误差等多种误差,对GNSS的定位精度有很大影响，误差通常有数十米的量级,在特殊情况(如人为干扰)下甚至达到百米的量级。对于在狭水道或繁忙近海水域航行的船舶而言,该情况会带来极大的安全隐患。

差分增强技术[2]作为GNSS的补充和改进措施，能有效提高系统服务的精度、可用性、连续性和完善性指标，一直是GNSS领域研究的热点。AIS基站与DGNSS基准站相连，可通过AIS VDL发射DGNSS校正量，作为无线电信标DGNSS服务的后备系统。[3]通过AIS播发DNSS校正量只是一项增值服务，可提高AIS位置报告的精度，但不会对外接卫星导航接收机的定位精度产生影响。

这里在差分技术的基础上提出一种基于AIS的DGNSS差分技术。DGNSS是基于GNSS的校正，利用GNSS误差源在空间和时间上高度相关的特性来改善整个系统的性能，有效消除卫星自身误差及信号传播过程中的误差。[6]同时,以AIS基站作为差分参考站计算差分修正信息，通过AIS通信信道将差分修正信息播发给覆盖区的AIS移动站，使AIS支持GNSS差分系统，进一步提高GNSS的定位精度，使得AIS船舶位置信息更加精确，从而降低船舶碰撞概率，确保船舶安全航行。

2 基于AIS岸台的DGNSS校正量播发系统设计

为向AIS岸台提供校正量数据，需要有DGNSS基准站和完善性监测站(RSIM)。获取GNSS差分信号有以下2种方法。

1)在现有的RBN-DGNSS台站覆盖范围内，用1台MSK接收机(信标)接收差分信号,并将其输出给AIS岸台作为校正量信号源。

2)在AIS岸台同址建立专用的GNSS基准站，产生DGNSS修正数据。

这里介绍的基于AIS岸台的DGNSS校正量播发研究以洋山港海域的大戢山AIS基站为试验播发台站，基站覆盖海域最远可达50 n mile。

基于AIS岸台的DGNSS校正量播发系统由差分信号源、AIS基站DGNSS播发子系统和AIS船载子系统构成,系统框图见图1。

2.1 差分信号源

依据DGNSS信号的来源，此次基于AIS岸台的DGNSS校正量播发测试方案的差分信号源采用以下2种模式。

图1 基于AIS岸台的DGNSS校正量播发系统框图

2.1.1RBN-DGNSS信号转发模式

RBN-DGNSS差分台站利用的是现有的沿海RBN-DGNSS差分台站,持续检测GNSS卫星的运行状况，产生DGNSS校正量，并通过中波发射机向海面播发，覆盖范围为200 n mile。测试中选用xxxRBN-GNSS差分台站差分信号作为信号源。

2.1.2DGNSS自主站模式

在AIS基站同址选择GNSS天线位置，要求开阔无遮挡。通过高精度的定位设备标定GNSS天线位置，定位精度达到毫米级。选择安装支持全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)及GLONASS的GNSS接收机；GNSS接收机连续观测卫星数据，参考GNSS的精确位置参数生成伪距差分校正量，并按RTCM格式将其发送至DGNSS差分服务器中。测试中选用C-Nav3050G作为DGNSS自主站设备。

2.2 AIS基站DGNSS播发子系统

AIS基站DGNSS播发子系统由MSK接收机、DGNSS差分服务器和AIS基站构成。

1)MSK接收机实时接收RBN-DGNSS差分台站播发的中波信号，输出DGNSS差分数据到DGNSS差分服务器中。

2)DGNSS差分服务器对数据进行处理，对DGNSS中的DGPS和DBDS数据进行解析，根据设置或指令将DGPS和DBDS数据单独或混合封装成AIS的MSG17电文，并将其发送至AIS基站。

3)AIS基站根据时隙规划,采用FATDMA模式播发MSG17电文。

2.3 AIS船载子系统

在AIS基站无线电覆盖水域航行的船舶，其所载AIS设备接收到的来自于基站的MSG17电文在输出给船载其他设备(如ECS系统、雷达系统)的同时，从中恢复RTCM SC-104格式的差分校正，并通过串口送至内置的GNSS单元中。船舶位置的差分校正可采用内置GNSS模式或外置GNSS模式。此次测试AIS船台采用SAAB R4。

2.3.1内置GNSS模式

在内置GNSS模式下，船载AIS设备的内置GNSS单元在接收到差分校正数据之后进行差分修正，输出精度更高的定位信息(见图2)。

图2 内置GNSS模式下的AIS船台

2.3.2外置GNSS模式

在外置GNSS模式下，船载AIS设备将接收到的MSG17电文输出至外置GNSS接收机，GNSS接收机从MSG17电文中恢复出RTCM SC-104格式的差分校正量并进行差分修正，输出精度更高的定位信息给船载电子设备，并通过串行接口将定位信息反馈给AIS设备(见图3)。

图3 外置GNSS模式下的AIS船台

3 测试及分析

为检验差分信号应用的实际效果，在2015年3月以大戢山为测试点进行精度测试和播发有效性测试。为保证测试结果的科学性，制订测试计划和测试方案。通过对测试设备进行安装和调试，分组比对AIS岸台播发测试，详细记录测试数据，并对其进行细致的分析。大戢山基站天线和设备见图4。

图4 大戢山基站天线和设备

3.1 测试方法

此次测试采用AIS船台定点测试法,方法如下。

1)选择距离AIS岸台40 km的位置作为测试点。

2)采用高精度RTK设备标定测试点的位置坐标。

3)在测试点上准确假设AIS船台的GNSS天线。

4)搭建并调试AIS船台的测试环境，此次测试采用2台AIS船台,利用GNSS天线功分器;2台AIS船台共享测试点GNSS天线,分别采用内置GPS工作模式和外置GNSS工作模式。AIS船台通过RS422接口与AIS船台数据记录计算机连接,AIS船台数据记录计算机记录AIS船台测试中的VDO和VDM报文。

5)在AIS岸台停止播发DGNSS校正量时，记录AIS船台报文输出1 h，AIS船台数据记录计算机记录测试数据。

6)AIS岸台采用RBN-DGNSS信号转发模式，调整DGNSS数据服务器单一处理GPS校正数据，通过AIS链路播发MSG17电文，持续1 h；AIS船台数据记录计算机记录测试数据。

7)AIS岸台采用RBN-DGNSS信号转发模式，调整DGNSS数据服务器处理GNSS校正数据，通过AIS链路播发MSG17电文，持续1 h；AIS船台数据记录计算机记录测试数据。

8)AIS岸台采用DGNSS自主站模式，调整DGNSS数据服务器单一处理GPS校正数据，通过AIS链路播发MSG17电文，持续1 h；AIS船台数据记录计算机记录测试数据。

9)AIS岸台采用DGNSS自主站模式，调整DGNSS数据服务器处理GNSS校正数据，通过AIS链路播发MSG17电文，持续1 h；AIS船台数据记录计算机记录测试数据。

10)分析AIS船台数据记录计算机记录的测试数据。AIS岸台播发DGNSS数据时，在记录中检索VDM报文是否含有MSG17电文，并比对DGNSS数据的正确性；分析VDO报文中输出的位置信息，检查DGNSS数据的校正结果，并与测试点坐标比对。

3.2 测试结果

对AIS船台数据记录计算机记录的测试数据进行分析，得到以下结果。

1)基于AIS岸台的DGNSS校正量播发系统的差分信号源采用RBN-DGNSS信号转发模式或DGNSS自主站模式均能有效满足DGNSS校正量的生成要求。但是,DGNSS自主站参考点的精度劣于RBN-DGNSS差分台站，导致AIS船台修正后定位精度降低；同时,系统的可靠性也较低。

2)在内置GPS工作模式下，受测AIS船台能有效接收MSG17电文并恢复DGPS校正量，作用于内置GPS中。通过比对定位结果可看出,定位精度有明显的提高。受AIS标准的历史局限，AIS船台只能处理DGPS数据。该模式下未差分和差分后输出数据及定位误差统计情况见图5和表1。

a) 未差分输出数据

b) 差分后输出数据

差分情况误差算术平均值/m95%置信度/m<5m概率/%差分前3.706.6567差分后2.254.8496

3)在外置GNSS工作模式下，受测AIS船台能有效接收MSG17电文，并通过VDM输出至外置GNSS接收机;GNSS接收机能从VDM中解析出MSG17电文并恢复DGPS校正量，作用于位置校正。通过比对定位结果可看出,定位精度显著提高。外置GNSS接收机不仅能处理DGPS数据，还能处理DBDS数据，并将DGPS和DBDS融合差分处理,进一步提高定位精度。该模式下的未差分、差分及融合差分测试结果和定位误差统计情况见图6及表2。

a) 未差分测试结果

b) 差分测试结果

c) 融合差分测试结果

差分情况误差算术平均值/m95%置信度/m<5m概率/%差分前2.455.00100差分后0.804.84100融合差分0.452.00100

4 结束语

通过搭建基于AIS岸台的DGNSS播发环境，利用AIS基站来播发GPS差分信息，AIS船舶在AIS基站的有效覆盖范围内接收到17号差分报文后定位精度达到亚米级，确实能提高船舶的定位精度，有利于船舶安全航行。通过比对测试，RBN-DGNSS信号转发模式可作为今后基于AIS岸台DGNSS播发系统的主要工作模式；DGNSS自主站可构建离岸AIS基站的DGNSS播发系统，如钻井平台、远海岛屿等。从测试结果来看，AIS船台采用内置GPS具有局限性，差分定位精度明显差于外置GNSS，并不支持BDS。

在测试过程中，观察到B类AIS船台和部分A类AIS船台不支持AIS岸台的DGNSS差分功能；洋山港海域安装B类AIS船台的船舶较多；建议结合我国BDS的推广，将船用北斗接收机作为AIS船台的外置GNSS单元，建设基于AIS岸台的DGNSS播发系统，保证船舶安全航行。

在E航海战略中，繁忙水域、狭水道及港口将实现亚米级定位导航。此次测试为未来船载综合定位导航授时系统(INS-PNT)的发展及洋山港E航海演示验证的设计提供了宝贵的实践经验。

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[6] 徐爱功.全球卫星导航定位系统原理与应用[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009.

[7] 全球定位系统(GPS)测量规范:GB/T 18314—2009[S].

[8] Radio Technical Sommission for Maritime Services RTCM Standard 10403.1 for Differential GNSS (GLOBAL Navigation Satellite System) Services-Version 3[S].

[9] 国家测绘局.测绘技术设计规定:CH/T 1004—2005[S].

[10] IALA Recommendation A-124 Appendix 16 DGNSS Broadcasts From an AIS Service, Edition 2[S]. 2011.

[11] DGNSS 系统RTCM 推荐标准V2.3: RTCM PAPER 136—2001/SC104-STD[S].2001.

Broadcasting DGPS Corrections by AIS Base Station

LIUJiahua

(The Navigation Guarantee Centre of East China Sea, MOT, Shanghai 200086, China)

1000-4653(2016)04-0015-04

U675.7

A

2016-07-28

刘嘉华(1961—),男,上海人,高级工程师,从事航海保障工作。E-mail:liujiahua_sh@vip.sohu.com