長江干線北斗AIS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用展望

文 ∣ 熊輝 龐波波 盧紅洋 于淵 王文良

1.交通運輸部長江通信管理局

2.中國交通通信信息中心

3.航天恒星科技有限公司

一、引言

交通運輸行業(yè)北斗系統(tǒng)應(yīng)用工作是一項戰(zhàn)略性、長期性工作，分階段穩(wěn)步推動北斗系統(tǒng)在交通行業(yè)實現(xiàn)全覆蓋，實現(xiàn)行業(yè)與北斗系統(tǒng)相互促進，共同發(fā)展，是建設(shè)交通強國的重要支撐[1]。隨著長江干線北斗地基增強系統(tǒng)工程的建設(shè)，推進了北斗差分服務(wù)對長江內(nèi)河的覆蓋，目前，依據(jù)長江干線的特點及用戶群體，開展北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)服務(wù)模式和長江干線的北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用研究顯得尤為重要。本文論述了長江干線播發(fā)服務(wù)模式的確立和播發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用展望，既可為長江內(nèi)河船舶航行提供實時的高精度定位導(dǎo)航服務(wù)，又可為基于北斗的終端設(shè)備在長江內(nèi)河的應(yīng)用推廣提供有力支撐。

二、長江干線北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)服務(wù)模式

北斗地基增強系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，是專門建設(shè)的以北斗為主、兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)體系。工作模式分為提供較高精度的偽距差分（RTD）或位置差分技術(shù)模式和提供高精度的載波相位差分技術(shù)（RTK）模式，服務(wù)模式分為實時廣播模式和用戶交互模式。長江干線重點服務(wù)對象是船舶定位導(dǎo)航，米級的偽距差分服務(wù)已滿足精度要求；但船舶定位導(dǎo)航對差分定位的實時性和連續(xù)性有較高要求，所以適合采用實時廣播模式。

實時廣播模式是利用播發(fā)臺站向周邊用戶無間斷連續(xù)播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，用戶可通過終端設(shè)備自動接收差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，并解算自身精確的位置信息，如圖1所示。實時廣播模式有400MHz電臺播發(fā)、中頻無線電播發(fā)（RBN）、AIS報文播發(fā)和數(shù)字廣播播發(fā)，但考慮到400MHz電臺播發(fā)的頻率未得到認可，數(shù)字廣播播發(fā)尚在試驗測試階段，目前在船舶差分定位導(dǎo)航服務(wù)領(lǐng)域，應(yīng)用較為成熟的是RBN播發(fā)方式[2]和AIS報文播發(fā)方式[3]。RBN播發(fā)和AIS播發(fā)對比見表1。

圖1 實時廣播差分定位模式

表1 RBN播發(fā)和AIS播發(fā)的比對

根據(jù)表1所示的RBN播發(fā)和AIS播發(fā)特點，結(jié)合長江干線的特征可知：

1）長江干線呈長約2838km、寬約30km（長江中心線向外擴15km）的狹長帶狀區(qū)域，江面平均寬度1.5～2km；通過AIS基站的合理分布，完全可以實現(xiàn)全部覆蓋。

2）長江作為黃金水道，水流湍急，航道繁忙，船只密度大；隨著長江運力的不斷增長，目前GPS/北斗提供的10m左右定位精度已不能滿足需求。而基于AIS播發(fā)的北斗差分定位服務(wù)既可以提供較高精度的米級定位服務(wù)，又利于讓海事監(jiān)管獲取船舶的精確位置信息，提升水上監(jiān)管服務(wù)。

3）相比沿海，長江內(nèi)河的船舶種類繁多，不同航區(qū)、不同噸位的船舶設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)各異，又有三峽庫區(qū)通航的特殊性。相比在RBN播發(fā)的接收終端，AIS終端設(shè)備的強制性配置標(biāo)準(zhǔn)涉及航區(qū)范圍、船舶類型及噸位大小更廣，如圖1所示，AIS播發(fā)更適合內(nèi)河干線的實際應(yīng)用情況。此外，AIS設(shè)備終端費用較低，利于后期進一步推廣。

4）可以依托長航系統(tǒng)已建設(shè)的站點包括甚高頻（VHF）、AIS接收站或雷達站和各類業(yè)務(wù)用房等，進行資源復(fù)用。

綜上，北斗AIS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)方式更適合長江干線的播發(fā)應(yīng)用，滿足長江干線的實際需求。

三、長江干線北斗AIS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)與功能

1.系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)總體框架如圖2所示，系統(tǒng)主要分為四個應(yīng)用模塊和兩個數(shù)據(jù)接口，四個應(yīng)用模塊分為衛(wèi)星跟蹤基準(zhǔn)站模塊、AIS播發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理中心模塊和業(yè)務(wù)管理模塊；兩個數(shù)據(jù)接口分別對應(yīng)長航專網(wǎng)和信息專網(wǎng)。

呂：你一定讀過許多與美國越南戰(zhàn)爭相關(guān)的書籍，可以說它們是你創(chuàng)作《德克薩斯》的源泉，那段歷史給了你不竭的思考，在你文學(xué)性和史學(xué)性皆備卓爾不群的敘述中，我們能夠感受到你對這段歷史的“當(dāng)代性”的思考。

圖2 北斗AIS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)總體框架圖

衛(wèi)星跟蹤基準(zhǔn)站模塊是長江干線北斗地基增強系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，用于實現(xiàn)對衛(wèi)星信號捕獲、跟蹤、記錄和傳輸。每個基準(zhǔn)站建立本地局域網(wǎng)，通過路由器等設(shè)備與通信終端連接，并通過長航專網(wǎng)接口將原始觀測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。

AIS播發(fā)模塊是本系統(tǒng)的播發(fā)核心，負責(zé)完成從數(shù)據(jù)處理中心模塊獲取的北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和以17號電文形式進行廣播。每個AIS基站都由AIS管理中心進行統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)分發(fā)。

數(shù)據(jù)處理中心模塊是整個服務(wù)系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)處理中心一方面通過長航專網(wǎng)接口從衛(wèi)星基準(zhǔn)站獲取原始觀測數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)檢核，處理和分類存儲，并根據(jù)北斗資源中心的必要數(shù)據(jù)建立對流層延遲、電離層延遲等誤差模型，解算AIS播發(fā)站的差分?jǐn)?shù)據(jù)，并推送至AIS管理中心。另一方面，根據(jù)業(yè)務(wù)管理模塊的需求，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基本數(shù)據(jù)的分類存儲和管理。

業(yè)務(wù)管理模塊主要是基于信息專網(wǎng)接口，根據(jù)不同的功能需求，進行數(shù)據(jù)的提供和管理。如提供海事監(jiān)控數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)下載等。

2.系統(tǒng)總體功能

（1）原始數(shù)據(jù)觀測并記錄

差分技術(shù)主要目的是消除、減弱或修正用戶定位解算過程中的誤差項影響，提升用戶的定位精度、連續(xù)性、完好性和可用性等方面的性能。利用長江干線區(qū)域合理分布的基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)，獲取北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息的觀測數(shù)據(jù)，通過連續(xù)不間斷的觀測數(shù)據(jù)的記錄，獲得一定時間內(nèi)數(shù)據(jù)偏差觀測信息，為消除電離層、對流層對衛(wèi)星信號的干擾提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）AIS基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)解算

基準(zhǔn)站到數(shù)據(jù)中心進行實時傳輸并對各站點的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查、冗余備份檢查；存儲不同采樣間隔和不同時段的北斗原始觀測數(shù)據(jù)；對接入系統(tǒng)的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進行同步并建立電離層、對流層模型；解算GNSS星座的軌道誤差、時鐘誤差、大氣影響、多徑效應(yīng)及其他誤差數(shù)據(jù)；定期進行整網(wǎng)的解算保障基準(zhǔn)框架的穩(wěn)定。

（3）信息播發(fā)及用戶服務(wù)

利用長江干線已建的AIS岸基網(wǎng)絡(luò)，通過報文格式將各站點差分改正數(shù)據(jù)信息對外播發(fā)，重點為船舶用戶提供導(dǎo)航服務(wù)；同時面向長江航運用戶和社會用戶。針對各類用戶的不同需求，充分考慮用戶需求、用戶量、用戶終端推廣等方面因素，將相關(guān)數(shù)據(jù)及服務(wù)進行推送。利用信息專網(wǎng)方式，基準(zhǔn)站原始觀測數(shù)據(jù)下載服務(wù)，實現(xiàn)事后精密相對定位；此外，也可為測繪、水利、環(huán)保等其他用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)，可為用戶提供擴展的二次開發(fā)的數(shù)據(jù)接口，滿足不同層次的需求。

（4）設(shè)備控制和監(jiān)管

監(jiān)控各基準(zhǔn)站的運行，并實現(xiàn)服務(wù)與不同系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)共享；實現(xiàn)機房設(shè)備的控制功能，通過對機房設(shè)備信息的采集，自動對設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)自動報警功能，同時對歷史數(shù)據(jù)進行存儲，提供完善的授權(quán)和安全管理功能。

（5）系統(tǒng)完好性監(jiān)測

系統(tǒng)能夠監(jiān)測為用戶提供正確定位信息的可信度，當(dāng)?shù)鼗鰪娤到y(tǒng)不可靠時，具有及時的報警能力。系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)υ紨?shù)據(jù)的完整性主要包括數(shù)據(jù)缺口、丟失歷元的統(tǒng)計以及衛(wèi)星星歷的完整性和有效性進行監(jiān)測；監(jiān)控北斗衛(wèi)星的健康狀態(tài)，并對異常衛(wèi)星提供報警信息；驗證系統(tǒng)播發(fā)的增強數(shù)據(jù)信息，當(dāng)系統(tǒng)提供的增強信息不能夠達到標(biāo)準(zhǔn)時，向系統(tǒng)發(fā)出報警。

3.播發(fā)系統(tǒng)的差分定位實現(xiàn)

（1）播發(fā)實現(xiàn)流程

首先，AIS基準(zhǔn)站將原始觀測數(shù)據(jù)通過長江專網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心根據(jù)各基站GNSS原始觀測數(shù)據(jù)建立基站網(wǎng)絡(luò)的大氣模型，包括電離層、對流層模型等誤差模型。然后AIS播發(fā)站模擬高精度定位用戶向中心申請數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心經(jīng)過RTK網(wǎng)絡(luò)解算生成差分?jǐn)?shù)據(jù)，傳輸至AIS播發(fā)站，AIS播發(fā)站解析國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會（RTCM）差分電文，并封裝成AIS 17號報文格式[4]，向周圍水域進行實時廣播。

（2）接收實現(xiàn)流程

AIS播發(fā)站廣播差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（DGNSS）二進制電文，附近水域的AIS船載終端通過天線接收到廣播的差分電文后，進行DGNSS電文的解析和RTCM電文的封裝，然后DGNSS接收機通過串口接收到AIS信道恢復(fù)出來的RTCM差分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)部處理實現(xiàn)偽距差分定位功能。

綜上，隨著長江干線北斗地基增強系統(tǒng)的推進，北斗AIS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建，可為長江內(nèi)河的船舶導(dǎo)航服務(wù)提供米級的差分定位服務(wù)，為進一步推進北斗應(yīng)用服務(wù)和北斗高精度AIS終端在船舶避碰、航行預(yù)警、海事監(jiān)管、航運服務(wù)等關(guān)鍵領(lǐng)域的普及提供了廣闊空間。

四、AIS播發(fā)北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用展望

1.船舶避碰服務(wù)

北斗高精度AIS船載終端定位精度可達到米級，一方面利于精確掌握附近水域船舶的動靜態(tài)信息，輔助船舶進行協(xié)調(diào)避讓，有效避免雷達或視野盲區(qū)及小型船只等目標(biāo)的遺漏；另一方面，利于發(fā)揮AIS終端設(shè)備的報警警示作用，減少人為疏忽，大幅降低AIS設(shè)備警戒圈設(shè)置的誤報警或無效的頻繁報警。尤其在狹水道、密集水域和船舶進出港航行避讓中，作用更加明顯。

2.海事監(jiān)管服務(wù)

北斗AIS系統(tǒng)讓轄區(qū)船舶的動靜態(tài)信息可視化，配合雷達自動標(biāo)繪系統(tǒng)（APRA）與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，便于海事部門進行水上交通的管理和組織；北斗AIS終端提供的實時米級精度定位，讓船舶目標(biāo)的捕獲和跟蹤更加精準(zhǔn)化，提升海事動態(tài)監(jiān)管的有效性；北斗AIS系統(tǒng)會自動記錄與保存覆蓋范圍內(nèi)的船舶航行數(shù)據(jù)，可提供事后厘米級的回放，為海事調(diào)查和事故分析提供可靠的數(shù)據(jù)支撐；北斗系統(tǒng)獨有的短報文與回執(zhí)功能與AIS的結(jié)合，讓海事部門發(fā)布的航行警告和安全預(yù)警等緊急重要的信息可以得到有效回應(yīng)[5]。

3.航標(biāo)助航服務(wù)

北斗高精度AIS終端與航標(biāo)的結(jié)合，可提供精準(zhǔn)實時的航標(biāo)位置信息，受外界天氣干擾小，更易于辨識，同時可提供形式多樣的氣象和水文信息，為船舶的安全航行提供參考；通過北斗高精度定位和AIS鏈路實現(xiàn)航標(biāo)狀況的監(jiān)控[6]，對燈浮標(biāo)的被撞移位飄失進行及時預(yù)警和報警，實現(xiàn)電子巡檢，延長現(xiàn)場巡檢的周期，提升航標(biāo)保障工作的效率，節(jié)省維護成本和方便追查被撞航標(biāo)。

4.航運信息服務(wù)

北斗AIS系統(tǒng)既可以實時提供又可以記錄保存船舶的動靜態(tài)信息，基于這些信息的提取與氣象信息、航運市場信息的融合，可提供基于船舶，航線，港口，貨物流向、船舶流向的多維度、多時空的數(shù)據(jù)服務(wù)[7]。為船舶管理提供基于船舶航行監(jiān)控的可視化信息服務(wù)；為港航物流提供基于市場營運與市場決策的數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。

五、結(jié)論

隨著長江干線北斗地基增強系統(tǒng)示范工程的建設(shè)，為基于北斗差分定位的AIS高精度終端的規(guī)范化應(yīng)用打造了良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)；基于AIS的北斗差分信號播發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)步推進和北斗高精度AIS終端的規(guī)?；茝V，能更好地助力“智能航?！焙汀爸腔酆竭\”的發(fā)展，成為交通強國建設(shè)中的重要內(nèi)容。