一种DGNSS软差分实现方式

贾玉良+黄亮

摘 要：随着全球卫星导航系统（GNSS）的广泛应用，人们对GNSS的精度要求也越来越高。传统的差分定位系统（DGNSS）在给航运、测绘等领域做出重要贡献的同时，随着通信技术的高速发展，其系统兼容性差，无法拓展，升级维护困难等一系列问题也日益突出。国际航标协会（IALA）推荐使用“软件参考值和完善性监测（RSIM）”方案，即软差分方式，来规划未来DGNSS系统的设计和建设。本文结合软件无线电技术，提出了一种合理的软差分DGNSS架构，为未来我国RBN_DGPS台站升级提供有意义的参考。

关键词：DGNSS 软件无线电 MSK

1.引言

作为一种重要的岸基增强系统（Ground Based Augmentation S y s t e m），无线电信标D G N S S（R B N _ D G P S）主要由基准站（RS）、播发台（TX）、完善性监测站（IM）组成，见图一。

基准站由两台GPS接收机和两台调制器构成。接收天线安放在位置已精确测定的基准点上，跟踪视野内的所有卫星，计算出相对每颗卫星的修正信息，然后依照特定格式送至调制器。调制器采用最小频移键控（MSK）调制方式将该修正信息调制到无线电信标载频上。

播发台由两台发射机、天线调谐器和天线组成，按照规定强度和速率播发DGPS修正信息和信标状况及基准站状态信息。

完善性监控台由GPS接收机、信标接收机和完善性监控计算机组成。主要用于监测GPS系统的完善性和播发的差分修正值的正确性。

IALA R-135建议中提到了影响现有DGNSS系统的几个因素：一是现有设备以及算法过时，一些设备厂商已经从这个市场消失，导致设备的维护变得困难；二是DGNSS的不断发展，需要引入新的消息类型和新设备，发展一种新操作模式，来实现多频DGNSS服务；三是新技术的成熟，使得DGNSS系统原有实施方法需要被重新审视；四是IMO对GNSS接收机要求在不外加设备的前提下提供自主完善性监控。而这是现有GNSS星图无法满足的。另外，现有DGNSS无法满足IMO对未来GNSS的要求，例如，精度1m等。同时IALA指出了DGNSS服务改造的要求和原则：一是保持良好的向下兼容性；二是灵活的支持以后出现的服务需求，比如多模GNSS、测距和通讯功能；三是解决方案应符合国际通用的规范；四是改造后的系统存活期至少十年。

在IALA提出的多种DGNSS改造方案中，软件参考站和完善性监测（RSIM）方案，也就是软差分方式，使用软件模拟原有硬件设备功能，实现信号的处理，并通过模块化的处理模块，构成了一个开放式的平台，认识的整个系统的兼容性和拓展性都得到了满足。

2.软差分DGNSS架构

在RSIM模式中，通过软件无线电技术，将将模块化、标准化的硬件单元（这里就是接受天线、发射机和发射天线等通用设备）以总线方式连接构成基本的DGNSS系统平台，并通过软件加载实现调制解调、RTCM报文编解码、通信协议、性能监控，远程控制等一系列的功能模块。见图二。

根据软件无线电技术的原则，系统设计应该是A/D和D/A转化器尽可能靠近天线。在本系统架构中，原有的基准站和完善性监测被抽象成几个彼此独立的功能模块，模块之间通过通用接口传输数据，完成差分信息播发整个流程。

（1）GNSS中频数据处理模块和MSK解调模块

这两个模块实现的是接收信号的解调功能，GNSS中频数据处理模块主要包括信号的捕获、跟踪、解调和同步，由于大量数据运算要在台式机内完成，为了保证足够的运算速度，这里考虑使用DFT（Discrete Fourier Transform）和FFT（Fast Fourier Transform）算法來实现相关数据处理。MSK解调模块中，考虑使用非相干解调中的差分数字解调算法，该算法对信号的频偏和相移不明显，可以实现良好的解调效果，但是应注意该算法对信号同步要求严格。同时，两个模块都要考虑串口数据接收模块问题，这里推荐使用多线程技术。

（2）导航数据编解码模块

该模块主要对链路层和传输层数据处理，主要包括对采处集的GNSS原始数据和RTCM数据进行差分结果解算，RTCM报文的生成，NMEA0183标准协议和RSIM协议的支持等。由于RTCM委员会最新推出了RTCM3.2版本，该版本增加和扩展了多种网络 RTK信息，定义了包含GPS、GLONASS、GALILEO和BDS的多信号信息组（MSM）。在对RTCM报文进行编解码模块设计时，考虑对MSM电文组的支持，对软差分DGNSS的拓展性有着极大的帮助。

（3）MSK解调制模块

传统MSK调制器采用将差分修正信息和信标副载波进行调制。在该模块设计中，可以考虑使用两种算法：一种是将双极性不归零矩形序列通过调频指数为的调频器直接生成相位连续，包络恒定的信号；第二种是根据信号的正交调制表示形式，利用正交调制法产生信号。这两种方式在实际应用中对MSK信号的调制都有很好的效果。

（4）完善性监测模块

该模块主要是对应用层、表示层、会话层数据的处理，主要应该包括性能参数监控、异常告警处理，数据存储统计，硬件控制、网络传输、系统设置和安全管理。完善性监测模块面向终端用户，要充分考虑设计的内在逻辑性和用户的易用性。

（5）模块数据传输和接口设计

该架构中各个模块之间的数据传输要充分考虑接口的通用性和拓展性，便于以后对平台的拓展和升级。这里可以考虑使用企业总线服务（ESB，Enterprise Service Bus）实现。ESB提供了一种开放的、基于标准的消息机制，通过简单的标准适配器和接口，来完成粗粒度应用（服务）和其他组件之间的互操作。ESB除了对基于软件无线电设计的DGNSS平台各模块数据交换传输有着良好的支持外，通过合适的接口设计，也能对现有DGNSS系统进行兼容，实现现有系统的充分利用。

3.总结

随着原有DGNSS系统的老化和各个国家对IALA R-135建议书内容的不断实践，美国等航运大国都已在软差分DGNSS平台设计实施上有了实质性的进展。我国沿海RBN_DGPS台站大部分建设于2000年以前，面临的设备老化技术落后的问题。该方案为将来我国沿海RBN_DGPS台站的升级和R-135建议的落地提供了一些有意义的思考。由于篇幅和时间限制，本文没有对架构中各个模块的实现进行详细的描述，同时随着分布式软件无线电技术和云计算技术的成熟，在未来实施中，具体的实现细节也会因技术的不断进步而有所不同。

参考文献：

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[4]刘涛，侯秀萍.基于E S B的S O A架构的企业应用研究[J ] .计算机技术与发展，2010，（05）：230-233.endprint