适用于船舶北斗地基增强的AIS 播发系统及其关键技术*

（成都新橙北斗智联有限公司，四川 成都 616000）

0 引言

船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）主要用于对海上航行的船舶进行动态跟踪，实现船舶标识、位置、航向以及航速等航行信息的自动交换。AIS 采用自组织时分多址（Self-Organizing Time Division Multiple Access，SO-TDMA）通信协议，自动地播发出本船的静态、动态和航次信息，达到规避船舶碰撞、领航调度和航运管理等航行决策的目的[1]。AIS 由舰船飞机的敌我识别器发展而成，配合全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）将船位、船速、改变航向率及航向等船舶动态信息，结合船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态信息，由甚高频（Very High frequency，VHF）频道向附近水域船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶的动静态资讯，通过互相通话协调，进而采取必要的避让行动，对船舶安全有很大帮助。

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，可以为用户提供高质量的定位、导航、授时以及短消息服务。在水上交通运输方面，大部分船舶都配置卫星导航设备用于船舶定位、导航和避碰。卫星导航定位系统也被广泛应用于船舶监管、航道施工、航标管理、船舶过闸以及公安执法等航运管理业务。针对某些条件复杂、船舶密度巨大的水域，北斗系统单点定位方式提供的10 m 定位精度无法完全满足船舶避碰、船舶避免搁浅以及触礁等高精度定位导航需求，也无法满足航道测量和航标定位等业务需求，使得航运管理精细化程度受到制约。

北斗地基增强系统是北斗卫星导航系统应用的重要组成部分，能够向社会船舶或行业用户提供厘米级至亚米级精密导航定位和终端辅助增强服务，对于体现北斗导航系统在船舶航运安全及监管方面的优势，推动北斗在航运及更大范围的应用，提升对船舶、引航以及港口等机构的服务质量，以及推进北斗纳入国际标准规范体系具有重要作用。

传统的北斗地基增强系统利用4G 网路、专用数传电台等传输通道传输北斗差分修正数据。这需要安装专用的设备，且部分通信链路需要每月支付通信费用，对船舶用户来说使用门槛较高且费用较昂贵。本文针对船舶通导领域，创新性地采用了AIS 播发系统来广播北斗差分修正数据。AIS 播发系统利用AIS 信道传输北斗差分修正数据，对船上已安装的大多数AIS 设备进行升级改造，即可实现高精度定位功能，可为AIS 基站覆盖区域内的船舶提供全天候、实时以及免费的亚米级定位服务。

1 关键技术

1.1 AIS 播发北斗差分修正数据

ITU-R M.1371-5 建议书《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》[2]中，对AIS 基站播发GPS 差分修正数据有规定。规定使用“消息17：全球导航卫星系统广播二进制消息”来播发DGNSS 的差分校正数据，但是详细说明引用的ITU-R M.823 建议书中，仅针对GPS 和GLONASS 定位导航系统进行了说明，并未包含北斗定位导航系统差分校正数据的相关内容。在《差分全球导航卫星系统（DGNSS）技术要求（GB/T 17424—2009）》[3]国家标准中，也没有北斗差分定位的相关规定。

在BD410002—2015《北斗/全球卫星导航系统（GNSS）接收机差分数据格式（一）》[4]标准中，新增了电文类型，如表1 所示。

表1 新增的差分电文类型说明

新增的41 号、42 号、43 号以及44 号电文为“通用GNSS”相关电文。其中，41 号电文为通用GNSS 差分改正数，电文内容中已包含北斗相关内容，如表2 所示。

按照此标准，北斗差分修正数据可参照GPS 差分修正数据的格式封装进AIS 的消息17 中，封装方法详见第2.3 章节。

1.2 差分定位原理

差分定位有多种技术，常用的主要有实时动态码相位差分技术（Real Time Differential，RTD）、载波相位差分技术（Real Time Kinematic，RTK）以及广域差分增强系统（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）等。本技术中主要涉及RTD 实时动态码相位差分技术。

RTD 实时动态码相位差分技术首先在一个已知的经纬度坐标点上部署基准站。基准站根据已知的坐标和各卫星的坐标，计算本身位置与每颗卫星每一时刻的真实距离，再与实时测量的伪距相比较，得出每颗卫星的伪距修正数。其次，需要通过某种通信链路将每颗卫星的伪距修正数发送给附近的移动站或用户接收机。最后，在一定距离范围内的用户接收机可使用接收到的每颗卫星的伪距修正数修正自身的伪距测量值，从而计算出更精确的定位经纬度坐标。原理如图1 所示。

表2 GNSS 系统和卫星ID

图1 RTD 差分原理

基准站接收北斗卫星的卫星信号进行定位，计算差分修正数据，并通过某种通信链路将差分修正数据传输给移动站。本文创新性地采用了AIS 播发系统传输北斗差分修正数据。移动站接收到差分修正数据后，对自身测量的伪距进行修正，从而计算出更高精度的定位坐标。

2 系统设计

2.1 系统概述

适用于船舶北斗地基增强的AIS 播发系统数据中心后台软件，通过网络获取AIS 播发基站上报的经纬度位置信息，将每个AIS 播发基站的经纬度位置信息通过网络发送至北斗地基增强系统数据中心，申请每个AIS 播发基站所在位置相对应的北斗差分修正数据。

系统后台软件获取到每个AIS 播发基站相对应的北斗差分修正数据后，根据BD410002—2015《北斗/全球卫星导航系统（GNSS）接收机差分数据格式（一）》和ITU-R M.1371-5 建议书《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》规定的通信协议格式，将北斗差分修正数据41 号电文的RTCM2.X 数据格式转换为AIS-17 号报文的数据格式，再将转换后的AIS-17 号报文发送至AIS 播发基站。

AIS 播发基站收到AIS-17 号报文后，自主选择播发时隙向覆盖水域内的船舶进行广播。船舶上具备北斗差分功能的新型AIS 设备接收到AIS 播发基站广播的AIS-17 号报文后，通过差分解算进行差分定位，并修正自身的经纬度位置信息。新型AIS设备修正后的定位精度在理想情况下可达亚米级。

2.2 系统组成

适用于船舶北斗地基增强的AIS 播发系统数据中心主要包括AIS 播发基站、AIS 播发系统数据中心以及北斗地基增强系统数据中心，系统拓扑结构如图2 所示，系统架构如图3 所示。

图2 系统拓扑结构

图3 系统架构

2.3 协议转换

北斗地基增强系统数据中心传输给AIS 播发系统数据中心的北斗差分修正数据报文格式，是按照BD410002—2015《北斗/全球卫星导航系统（GNSS）接收机差分数据格式（一）》规定的41 号电文的RTCM 2.X 数据格式。41 号电文数据格式如图4、表3 和表4 所示。其中，表4 中Ns表示卫星改正数个数，N表示电文中的数据字数，帧长度为N+2 字节。

图4 41 号电文差分修正数据格式

表3 41 号电文头部分内容

表4 41 号电文BDS 具体内容

AIS 播发系统数据中心接收到RTCM 2.X 数据格式的41 号电文北斗差分修正数据后，按照ITU-R M.1371-5 建议书《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》规定的AIS-17 号报文格式进行重新封装打包。AIS-17 号报文格式详见ITU-R M.1371-5 建议书附件8 第3.15章节“消息17：全球导航卫星系统广播二进制消息”。

报文中各组成部分的填写规则如下：

（1）“消息ID”固定填17；

（2）“转发指示符”建议填0；

（3）“播发源”填AIS 播发基站的MMSI 号；

（4）“经度”“纬度”建议填AIS 播发基站所在位置的经纬度；

（5）“数据”即填RTCM 2.X 数据格式的41 号电文对应的数据内容，如“消息类型”建议填41；

（6）“台站ID”建议填基准站ID；

（7）“Z 计数”表示差分数据消息的参考时间，一个计数值，范围0～5 999；

（8）“序列编号”为0～7 的一个编号值，每播发一次即更改一次；

（9）“N”为两个字信头之后DGNSS 数据字的数目；

（10）“状况”为参考台站的状况，第1 比特位置为“1”表示卫星工作不正常，置为“0”表示卫星正常，第2 和第3 比特位备用且用户设备忽略它们；

（11）“DGNSS 数据字”为DGNSS 消息数据字内容[5]。

AIS 播发系统数据中心按照此规则对协议数据进行重新封装打包，并通过网络发送给AIS播发基站。

3 具备北斗差分功能的新型AIS 设备设计

新型AIS 设备分3 个层次：第1 层为设备整机；第2 层包括电源/接口模块、显控模块、定位模块、AIS 主板、GNSS 天线以及AIS 天线；第3 层包括显控软件、喇叭、按键板、显示屏以及AIS 软件。层次图如图5 所示。

电源/接口模块包含后面板对外接口，将输入的船舶电源进行电源保护、稳压以及滤波，并转换为内部模块需要的电压，供内部各模块使用。

显控模块是整个终端的控制核心。安装显控软件，实现按键板、显示屏以及喇叭的控制和数据处理。

AIS 主板具备全功能AIS Class B 功能，外接AIS 天线接收周围船舶的AIS 信号，进行信号处理和解调，通过串口向显控模块上报解析出的AIS 数据，同时按照国际标准对外广播本船AIS 信息。

图5 新型AIS 设备层次

AIS 主板接收AIS-17 号报文格式的北斗差分数据，按照协议进行解析，并重新打包为RTCM 2.X数据格式的41 号电文，通过串口传输给定位模块。

定位模块具备北斗定位功能，外接GNSS 天线进行定位，通过串口向AIS 主板输出定位数据。

定位模块通过串口接收AIS 主板的差分数据，收到差分数据后解算进入差分定位模式，理论定位精度达到亚米级。

4 实际差分服务效果

适用于船舶北斗地基增强的AIS 播发系统，利用AIS 信道传输北斗差分修正数据。船舶上具备北斗差分功能的新型AIS 设备接收到AIS 播发基站广播的AIS-17 号报文后，通过差分解算进行差分定位，并修正自身的经纬度信息。新型AIS 设备修正后的定位精度在理想情况下可达亚米级。

使用具备北斗差分功能的新型AIS 设备，在AIS 播发基站附近进行静态定位精度对比测试，测试情况见表5。

表5 定位精度对比测试结果

从测试情况来看，具备北斗差分功能的新型AIS 设备在接收到AIS 播发基站广播的北斗差分修正数据后进行差分模式定位，静态定位精度相比自主定位提升明显，定位精度达到亚米级。

5 结语

适用于船舶北斗地基增强的AIS 播发系统，可提供亚米级定位精度的定位服务。具备北斗差分功能的新型AIS 设备，接收并使用AIS 播发基站广播的北斗差分修正数据进行差分定位，其定位精度达到亚米级，相比自主定位提升明显，对于船舶安全航行、海事部门精确管理以及减少船舶航行事故等方面具有重要意义。