长江干线北斗AIS差分数据播发系统的构建及应用展望

文 ∣ 熊辉 庞波波 卢红洋 于渊 王文良

1.交通运输部长江通信管理局

2.中国交通通信信息中心

3.航天恒星科技有限公司

一、引言

交通运输行业北斗系统应用工作是一项战略性、长期性工作，分阶段稳步推动北斗系统在交通行业实现全覆盖，实现行业与北斗系统相互促进，共同发展，是建设交通强国的重要支撑[1]。随着长江干线北斗地基增强系统工程的建设，推进了北斗差分服务对长江内河的覆盖，目前，依据长江干线的特点及用户群体，开展北斗差分数据播发服务模式和长江干线的北斗差分数据播发系统的应用研究显得尤为重要。本文论述了长江干线播发服务模式的确立和播发系统的构建与应用展望，既可为长江内河船舶航行提供实时的高精度定位导航服务，又可为基于北斗的终端设备在长江内河的应用推广提供有力支撑。

二、长江干线北斗差分数据播发服务模式

北斗地基增强系统是北斗卫星导航系统的重要组成部分，是专门建设的以北斗为主、兼容其他卫星导航系统，提供连续、稳定、可靠的高精度卫星导航服务体系。工作模式分为提供较高精度的伪距差分（RTD）或位置差分技术模式和提供高精度的载波相位差分技术（RTK）模式，服务模式分为实时广播模式和用户交互模式。长江干线重点服务对象是船舶定位导航，米级的伪距差分服务已满足精度要求；但船舶定位导航对差分定位的实时性和连续性有较高要求，所以适合采用实时广播模式。

实时广播模式是利用播发台站向周边用户无间断连续播发差分数据信息，用户可通过终端设备自动接收差分数据信息，并解算自身精确的位置信息，如图1所示。实时广播模式有400MHz电台播发、中频无线电播发（RBN）、AIS报文播发和数字广播播发，但考虑到400MHz电台播发的频率未得到认可，数字广播播发尚在试验测试阶段，目前在船舶差分定位导航服务领域，应用较为成熟的是RBN播发方式[2]和AIS报文播发方式[3]。RBN播发和AIS播发对比见表1。

图1 实时广播差分定位模式

表1 RBN播发和AIS播发的比对

根据表1所示的RBN播发和AIS播发特点，结合长江干线的特征可知：

1）长江干线呈长约2838km、宽约30km（长江中心线向外扩15km）的狭长带状区域，江面平均宽度1.5～2km；通过AIS基站的合理分布，完全可以实现全部覆盖。

2）长江作为黄金水道，水流湍急，航道繁忙，船只密度大；随着长江运力的不断增长，目前GPS/北斗提供的10m左右定位精度已不能满足需求。而基于AIS播发的北斗差分定位服务既可以提供较高精度的米级定位服务，又利于让海事监管获取船舶的精确位置信息，提升水上监管服务。

3）相比沿海，长江内河的船舶种类繁多，不同航区、不同吨位的船舶设备配置标准和执行标准各异，又有三峡库区通航的特殊性。相比在RBN播发的接收终端，AIS终端设备的强制性配置标准涉及航区范围、船舶类型及吨位大小更广，如图1所示，AIS播发更适合内河干线的实际应用情况。此外，AIS设备终端费用较低，利于后期进一步推广。

4）可以依托长航系统已建设的站点包括甚高频（VHF）、AIS接收站或雷达站和各类业务用房等，进行资源复用。

综上，北斗AIS差分数据播发方式更适合长江干线的播发应用，满足长江干线的实际需求。

三、长江干线北斗AIS差分数据播发系统架构与功能

1.系统总体框架

本系统总体框架如图2所示，系统主要分为四个应用模块和两个数据接口，四个应用模块分为卫星跟踪基准站模块、AIS播发模块、数据处理中心模块和业务管理模块；两个数据接口分别对应长航专网和信息专网。

吕：你一定读过许多与美国越南战争相关的书籍，可以说它们是你创作《德克萨斯》的源泉，那段历史给了你不竭的思考，在你文学性和史学性皆备卓尔不群的叙述中，我们能够感受到你对这段历史的“当代性”的思考。

图2 北斗AIS差分数据播发系统总体框架图

卫星跟踪基准站模块是长江干线北斗地基增强系统的数据源，用于实现对卫星信号捕获、跟踪、记录和传输。每个基准站建立本地局域网，通过路由器等设备与通信终端连接，并通过长航专网接口将原始观测数据传输至数据中心。

AIS播发模块是本系统的播发核心，负责完成从数据处理中心模块获取的北斗差分数据转换和以17号电文形式进行广播。每个AIS基站都由AIS管理中心进行统一管理和数据分发。

数据处理中心模块是整个服务系统的核心，数据处理中心一方面通过长航专网接口从卫星基准站获取原始观测数据，进行数据检核，处理和分类存储，并根据北斗资源中心的必要数据建立对流层延迟、电离层延迟等误差模型，解算AIS播发站的差分数据，并推送至AIS管理中心。另一方面，根据业务管理模块的需求，完成基础数据和基本数据的分类存储和管理。

业务管理模块主要是基于信息专网接口，根据不同的功能需求，进行数据的提供和管理。如提供海事监控数据、原始数据下载等。

2.系统总体功能

（1）原始数据观测并记录

差分技术主要目的是消除、减弱或修正用户定位解算过程中的误差项影响，提升用户的定位精度、连续性、完好性和可用性等方面的性能。利用长江干线区域合理分布的基准站网络，获取北斗卫星数据信息的观测数据，通过连续不间断的观测数据的记录，获得一定时间内数据偏差观测信息，为消除电离层、对流层对卫星信号的干扰提供基础数据。

（2）AIS基准站网数据解算

基准站到数据中心进行实时传输并对各站点的数据进行质量检查、冗余备份检查；存储不同采样间隔和不同时段的北斗原始观测数据；对接入系统的基准站数据进行同步并建立电离层、对流层模型；解算GNSS星座的轨道误差、时钟误差、大气影响、多径效应及其他误差数据；定期进行整网的解算保障基准框架的稳定。

（3）信息播发及用户服务

利用长江干线已建的AIS岸基网络，通过报文格式将各站点差分改正数据信息对外播发，重点为船舶用户提供导航服务；同时面向长江航运用户和社会用户。针对各类用户的不同需求，充分考虑用户需求、用户量、用户终端推广等方面因素，将相关数据及服务进行推送。利用信息专网方式，基准站原始观测数据下载服务，实现事后精密相对定位；此外，也可为测绘、水利、环保等其他用户提供数据服务，可为用户提供扩展的二次开发的数据接口，满足不同层次的需求。

（4）设备控制和监管

监控各基准站的运行，并实现服务与不同系统的实时数据共享；实现机房设备的控制功能，通过对机房设备信息的采集，自动对设备工作状态数据进行分析处理，实现自动报警功能，同时对历史数据进行存储，提供完善的授权和安全管理功能。

（5）系统完好性监测

系统能够监测为用户提供正确定位信息的可信度，当地基增强系统不可靠时，具有及时的报警能力。系统应能够对原始数据的完整性主要包括数据缺口、丢失历元的统计以及卫星星历的完整性和有效性进行监测；监控北斗卫星的健康状态，并对异常卫星提供报警信息；验证系统播发的增强数据信息，当系统提供的增强信息不能够达到标准时，向系统发出报警。

3.播发系统的差分定位实现

（1）播发实现流程

首先，AIS基准站将原始观测数据通过长江专网传输至数据中心，数据中心根据各基站GNSS原始观测数据建立基站网络的大气模型，包括电离层、对流层模型等误差模型。然后AIS播发站模拟高精度定位用户向中心申请数据，数据中心经过RTK网络解算生成差分数据，传输至AIS播发站，AIS播发站解析国际海运事业无线电技术委员会（RTCM）差分电文，并封装成AIS 17号报文格式[4]，向周围水域进行实时广播。

（2）接收实现流程

AIS播发站广播差分全球导航卫星系统（DGNSS）二进制电文，附近水域的AIS船载终端通过天线接收到广播的差分电文后，进行DGNSS电文的解析和RTCM电文的封装，然后DGNSS接收机通过串口接收到AIS信道恢复出来的RTCM差分数据，经内部处理实现伪距差分定位功能。

综上，随着长江干线北斗地基增强系统的推进，北斗AIS差分数据播发系统的构建，可为长江内河的船舶导航服务提供米级的差分定位服务，为进一步推进北斗应用服务和北斗高精度AIS终端在船舶避碰、航行预警、海事监管、航运服务等关键领域的普及提供了广阔空间。

四、AIS播发北斗差分数据系统的应用展望

1.船舶避碰服务

北斗高精度AIS船载终端定位精度可达到米级，一方面利于精确掌握附近水域船舶的动静态信息，辅助船舶进行协调避让，有效避免雷达或视野盲区及小型船只等目标的遗漏；另一方面，利于发挥AIS终端设备的报警警示作用，减少人为疏忽，大幅降低AIS设备警戒圈设置的误报警或无效的频繁报警。尤其在狭水道、密集水域和船舶进出港航行避让中，作用更加明显。

2.海事监管服务

北斗AIS系统让辖区船舶的动静态信息可视化，配合雷达自动标绘系统（APRA）与视频监控系统，便于海事部门进行水上交通的管理和组织；北斗AIS终端提供的实时米级精度定位，让船舶目标的捕获和跟踪更加精准化，提升海事动态监管的有效性；北斗AIS系统会自动记录与保存覆盖范围内的船舶航行数据，可提供事后厘米级的回放，为海事调查和事故分析提供可靠的数据支撑；北斗系统独有的短报文与回执功能与AIS的结合，让海事部门发布的航行警告和安全预警等紧急重要的信息可以得到有效回应[5]。

3.航标助航服务

北斗高精度AIS终端与航标的结合，可提供精准实时的航标位置信息，受外界天气干扰小，更易于辨识，同时可提供形式多样的气象和水文信息，为船舶的安全航行提供参考；通过北斗高精度定位和AIS链路实现航标状况的监控[6]，对灯浮标的被撞移位飘失进行及时预警和报警，实现电子巡检，延长现场巡检的周期，提升航标保障工作的效率，节省维护成本和方便追查被撞航标。

4.航运信息服务

北斗AIS系统既可以实时提供又可以记录保存船舶的动静态信息，基于这些信息的提取与气象信息、航运市场信息的融合，可提供基于船舶，航线，港口，货物流向、船舶流向的多维度、多时空的数据服务[7]。为船舶管理提供基于船舶航行监控的可视化信息服务；为港航物流提供基于市场营运与市场决策的数据支撑服务。

五、结论

随着长江干线北斗地基增强系统示范工程的建设，为基于北斗差分定位的AIS高精度终端的规范化应用打造了良好的产业生态系统；基于AIS的北斗差分信号播发系统的稳步推进和北斗高精度AIS终端的规模化推广，能更好地助力“智能航海”和“智慧航运”的发展，成为交通强国建设中的重要内容。