基于AIS的BDS差分数据播发系统研究、验证及其应用展望

沈建军,庞波波,卢红洋,于渊,王文良

(1. 交通运输部长江通信管理局,湖北 武汉 430014;2. 中国交通通信信息中心,北京 100011; 3. 航天恒星科技有限公司,北京 100095)

0 引 言

交通运输行业北斗卫星导航系统(BDS)应用工作是一项战略性、长期性工作,分阶段稳步推动BDS在交通行业实现全覆盖,实现行业与BDS相互促进、共同发展,是建设交通强国的重要支撑[1]. 目前,自动识别系统(AIS)作为海事领域信息服务播发的重要方式,通过AIS实时广播BDS差分数据是长江干线BDS地基增强系统工程的重点建设内容. 但遗憾的是,AIS不支持BDS差分数据的播发,所以本文通过播发方案设计和测试演示系统搭建,开展了基于AIS的BDS差分数据播发系统的研究、验证工作，并对其应用进行了展望.

1 BDS差分数据播发系统方案设计

1.1 AIS差分信息电文传输及通信协议

“在VHF水上移动频段内使用时分多址的自动识别系统的技术特性标准”(以下简称“ITU-R M.1371-5”),规定AIS 17号报文播发全球卫星导航系统(GNSS)差分数据,格式遵循ITU-R M.823《为工作在第一区283.5 kHz～315 kHz和第二区及第三区285 kHz～325 kHz频带水上无线电信标全球卫星导航系统的差分传送技术的特性》(以下简称“ITU-R M.823”)协议[2],见表1,但其中未定义BDS的消息类型. 所以本文对播放方式、内容、格式和频度上进行了重设和重组,如表2所示.

播放方式参照ITU-R M. 823-3协议[3]和BD 410002—2015《北斗/全球卫星导航系统(GNSS)接收机数据差分数据格式(一)》(以下简称“BD 410002—2015)[4],满足AIS的相关协议要求.

播发内容按照AIS 17号报文格式播发差分全球卫星导航系统(DGNSS)数据,固定电文41用于播发BDS差分数据,可选电文1用于播发GPS差分数据. 内容上选择国际海运事业无线电技术委员会标准协议2.3版本(RTCM 2.3)中包含的差分修正数据电文或对提高定位精度有利电文,参照BD 410002—2015中规定的用于改正差分基准站和流动站(用户终端)各种误差的数据格式和内容.

播发格式符合BD 410002—2015中第4部分“电文内容和数据格式”中对数据格式的定义. 播发前需先将接收到的RTCM格式电文打包成AIS 17号报文,再进行播发.

表2 RTCM差分数据格式

播发频度上,GNSS动态差分定位的解算频率取决于接收到的卫星历元的数量和频率,对包含GNSS差分改正数的电文数据的播发需要尽可能频繁,对于包含其他参数和信息的电文数据的播发频率则可根据需要而定,参照ITU-R M.823-3.

1.2 信道接入

信道接入采用FATDMA方案,该方案用于静态分配,仅用于基站报告,预先声明并且固定的传送计划,避免使用己经被分配的时隙[5],在AIS信号重叠区域内,需将相邻基站的播发时隙错开,避免时隙冲突. 在紧急情况下可使用RATDMA方案,广播高时效性紧急电文,但应尽量避免使用.

1.3 增强信号的播发频率

根据IALA建议,单个卫星系统最大可见星数一般不超过15颗,应分配3个时隙. 本方案采用每间隔15 s发送数据,每个通道1帧(60 s)发送两次,共占用12个时隙的发送策略,如图1所示.

图1 时隙分配示意图

1.4 差分数据生成和播发

AIS基准站将观测的原始数据传回数据中心,建立基站网络的大气模型,包括电离层、对流层模型等;AIS播发站模拟高精度定位用户,向数据中心申请数据,数据中心经过载波相位差分技术(RTK)解算生成差分数据;解析RTCM电文转换为17号报文,封装成DGNSS二进制电文,再分发到各个AIS基站进行播发.

1.5 差分数据的接收与使用

AIS基站广播DGNSS二进制电文,AIS船载终端航行在附近水域时,可以通过天线接收到基站广播的电文,终端将二进制电文解析并将其封装成RTCM格式的数据,通过串口发送到终端差分定位模块,实现伪距差分定位,提高定位精度.

2 BDS差分数据播发系统测试验证

2.1 系统架构

我们在南京搭建了测试验证系统,系统架构如图2所示,主要包括:

BDS基准站:BDS基准站接收BDS卫星信号,生成的差分数据通过网络上传到地基增强服务器,分别在长江南京通信管理局楼顶、仪征派出所楼顶、镇江港务局楼顶架设BDS基站,通过长江专网向数据中心发送基站数据.

图2 测试系统架构

地基增强服务器和数据中心软件:服务器接收BDS基准站数据,通过数据处理软件计算差分数据,并通过网络推送给用户;服务器布设在长江南京通信管理局机房,并接入长江专网,接收三个基准站的数据. 数据中心软件接收数据后进行解算,计算差分数据,并通过NTRIP(Networked Transport of RTCM via Internet Protocol)协议向用户提供服务,一个AIS播发站按照一个用户来处理,同时数据中心还开通对外服务端口,可通过公网访问服务获取差分数据.

AIS播发站:接收地基增强服务器生成的差分数据,并通过AIS链路播发给AIS船台. 在新生圩安装AIS播发站,数据播发软件从数据中心软件获取新生圩地区的差分数据,并通过TCP协议推送给AIS播发站,播发站收到差分数据,把差分数据打包到AIS17号报文播发出去.

船载设备:主要包括AIS船台(普通船台和BDS差分船台),BDS差分船台接收播发站的17号报文进行实现差分定位.

BDS高精度定位终端:通过公网访问服务器的外网端口,直接从服务器获取差分数据,实现RTK厘米级定位.

2.2 系统测试验证

2.2.1 BDS差分数据播发的功能测试

BDS AIS播发站通过长江数据专网接收差分数据服务器推送的差分报文(RTCM2.4协议,GPS 1号、BDS 41号消息),并打包成AIS-17号报文进行播发,船台接收AIS-17号报文后,解析17号报文提取差分报文并发送给船台定位模块,实现差分定位．测试过程中,差分船台接收到AIS播发的BDS差分报文如图3所示,差分船台已完成BDS差分定位如图4所示.

图3 差分船台接收到AIS-17号报文

图4 差分船台差分定位状态

2.2.2 BDS差分定位的性能测试

1) AIS差分船台静态精度测试

静止状态精度分析软件接收船台输出的定位数据,与测试点的坐标真值(静态后处理结果,毫米级精度)进行比较,计算船台定位偏差量. 测试过程中,图5为普通船台的定位精度示意图,计算定位数据与坐标真值的参数偏差值,并统计各参数误差和定位误差的最大值,最小值和平均误差值等. 图6为差分船台静态定位示意图,图中固定距标圈间隔为1 m,可直观显示定位数据与坐标真值的偏差. 测试结果如表3所示.

图5 普通船台定位精度(BDS单点)

图6 差分船台静态定位(BDS)

表3 AIS差分船台静态精度测试结果

2) AIS差分船台动态精度测试

差分船台RTD和载波相位差分RTK设置安装在同一个移动载体上,两个定位天线中心相距约10 cm,以RTK(厘米级精度)轨迹为基准,绘制两种设备的轨迹,以轨迹偏差作为评判差分船台的动态定位精度,测试过程如图7、8所示,测试结果如表4所示.

图7 AIS船位监控平台查询到的动态定位精度测试轨迹

图8 单BDS轨迹对比和偏差

表4 AIS差分船台动态精度测试结果

2.2.3 测试结果分析

经测试结果可知,BDS差分数据播发的功能上,AIS播发站可正常播发BDS差分数据,AIS差分船台可正常接收差分数据并实现BDS差分定位;BDS差分定位的性能上,AIS差分船台动静态定位精度可达到米级,符合预期.

上述验证了AIS播发BDS差分数据的可行性和BDS在长江干线能够提供高精度的差分定位服务,为全面推进BDS AIS播发系统和BDS高精度AIS船载终端在船舶航行,海事监管,AIS航标和航运信息服务等关键领域的应用提供技术支撑.

3 BDS差分数据播发系统应用展望

3.1 船舶航行应用

BDS高精度AIS船载终端定位精度可达到米级.有效提升AIS基站覆盖区船舶动态定位精度,提供准备的位置数据,在狭水道,密集水域增加船舶定位位置可靠性,利于助航设备提供有效避让决策建议,船上人员准确判断周围水域态势,采取合理避让措施. 此外,充分发挥AIS终端设备告警提示作用,通过水域船舶位置信息精度的提升,降低频繁的无效报警,有效减少值班人员疏忽,保障船舶航行安全.

3.2 海事监管应用

AIS系统配合雷达自动标绘仪(APRA)与闭路监控(CCTV),实时获取周围水域船舶动静态信息,生成可视化的水上交通态势,便于海事部门进行辖区船舶的动态监督与管理. 基于BDS AIS差分播发系统,提供辖区水域船舶高精度位置数据和精准判断水域态势,高质量地捕获和跟踪动态船只目标,提供有效的海事动态监管. 此外,通过事后厘米级的船舶轨迹回放,为海事调查和事故分析提供可靠的数据支撑[6].

3.3 AIS航标应用

相比目前AIS航标,BDS高精度AIS系统和终端在航标的应用,可提供更为精确位置的航标助航服务,气象和水文信息资料,提高航标移位告警及时性和准确度. 一方面在航标养护上,结合航标电子巡检,针对性地进行现场修理和维护,节省成本[7];另一方面对于经常发生的航标被撞事件,可提供及时告警和周围船舶准确轨迹回放,及时有效追查.

3.4 航运信息服务应用

基于AIS获取的船舶位置、船舶动静态信息,搭建船舶,航线,港口,货物流向,船舶流向,构建多维度、多时空航运数据服务[8]. 为港航物流、航运保险、船舶营运提供决策运营的大数据支撑服务.

4 结束语

随着长江干线BDS地基增强设施的建设,基于BDS AIS增强信息播发系统的应用,在内河、港口和狭水道等水域提供面向各类型船舶提供高精度定位服务,最大发挥AIS系统助航作用,推动BDS AIS终端产品的规模化和产业化,推进BDS在内河应用的全覆盖,保障水域安全监管与服务,助力交通强国的建设.