云澤雨

摘要：航海無線電指向標(biāo)（RBN）差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為一種差分增強(qiáng)定位系統(tǒng)，在船舶進(jìn)港靠泊時可以大大提高定位精度，增強(qiáng)了船舶近海航行和作業(yè)的安全。本文介紹了國際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會（RTCM）104特委會全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，并基于2.3版定義了北斗系統(tǒng)差分應(yīng)用的電文，通過試驗驗證了航海無線電指向標(biāo)載頻上同步播發(fā)差分北斗和差分GPS信息的可行性，為北斗系統(tǒng)航海應(yīng)用及其國際海事標(biāo)準(zhǔn)化提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：航海無線電指向標(biāo) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 播發(fā)標(biāo)準(zhǔn)

0引言

航海無線電指向標(biāo)-差分全球定位系統(tǒng)（RBN-DGPS）是一種全天候的高精度海上導(dǎo)航定位系統(tǒng)，作為全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)（WWRNS）的組成部分在全球范圍內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用，為沿海航行的船舶提供免費(fèi)的高精度導(dǎo)助航服務(wù)。目前，國際航標(biāo)協(xié)會（IALA）公布的數(shù)據(jù)顯示，全球已有50余個國家和地區(qū)，運(yùn)行中的RBN-DGPS臺站達(dá)400余座[1]，我國目前在運(yùn)行的RBN-DGPS臺站達(dá)22座，已基本覆蓋我國沿海。國際上基于航海無線電指向標(biāo)的地基增強(qiáng)系統(tǒng)，包括GPS、GLONASS、QZSS、GALILEO等，均采用國際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會（RTCM）104特委會制定的差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式和接收機(jī)接口的推薦標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)國家針對不同的應(yīng)用需求建立了相應(yīng)的播發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，我國的交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為“沿海無線電指向標(biāo)-差分全球定位系統(tǒng)播發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（JT 377-1998）。

2014年11月，國際海事組織（IMO）海上安全委員會第94次會議審議通過了對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)認(rèn)可的航行安全通函，標(biāo)志著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式成為WWRNS的組成部分，取得面向海事應(yīng)用的合法地位，服務(wù)世界航海用戶。獲得IMO認(rèn)可后，我國正積極推進(jìn)國際電工委員會（IEC）、國際航標(biāo)協(xié)會（IALA）、RTCM、國際電信聯(lián)盟（ITU）等國際技術(shù)組織的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、指南文件的制定和修訂，以實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)進(jìn)一步在國際海事領(lǐng)域的全方位應(yīng)用。交通運(yùn)輸部北海航海保障中心積極推動北斗系統(tǒng)國際航海應(yīng)用進(jìn)程，在航海無線電指向標(biāo)差分北斗系統(tǒng)研發(fā)、建設(shè)以及標(biāo)準(zhǔn)研究方面進(jìn)行了大量的工作，并取得了諸多成果。

1 RTCM差分北斗系統(tǒng)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

近年來，交通運(yùn)輸部北海航海保障中心開展了系列化北斗航海保障應(yīng)用的研究和開發(fā)，通過預(yù)留的RTCM電文，進(jìn)行了RBN差分北斗的試驗研究，實(shí)現(xiàn)了在航海無線電指向標(biāo)載頻上同步播發(fā)差分北斗和差分GPS信息，并于2013年底在天津上古林建立了試驗播發(fā)臺站，截至目前，系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定，播發(fā)臺站設(shè)備如圖1所示。

左面兩個機(jī)柜為現(xiàn)有的RBN-DGPS播發(fā)系統(tǒng)，右一為RBN-（DBDS+DGPS）系統(tǒng)，包含了2個基準(zhǔn)站，1個完善性監(jiān)測站、輸入/輸出接口和監(jiān)控計算機(jī)，右二為航海無線電指向標(biāo)發(fā)射機(jī)，發(fā)射功率為200瓦時，可用信號傳輸距離為300公里左右。試驗播發(fā)臺的參數(shù)如表1-1。

2 RBN差分北斗標(biāo)準(zhǔn)研究

2.1 RTCM標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀

國際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會（RTCM）于1983年11月為全球推廣應(yīng)用差分GPS業(yè)務(wù)設(shè)立了SC-104專門委員會，以便論證用于提供差分GPS業(yè)務(wù)的各種方法，并制定了標(biāo)準(zhǔn)差分協(xié)議。1985年發(fā)表了Ver1.0版本的建議文件。經(jīng)過5年的試驗，于1990年公布了Ver2.0版本，該版本中只有偽距差分的信息，沒有載波相位的信息，主要為導(dǎo)航服務(wù)。為了滿足載波相位差分技術(shù)的要求，1993 RTCM委員會推出了Ver2.1版本，增加了與載波相位差分技術(shù)相關(guān)的電文，即電文18-21，其他的和Ver2.0版本相同。為了應(yīng)用俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System-GLONASS），1998年1月公布了Ver2.2版本。Ver2.2版本和Ver2.1版本相比較，主要增加了支持GLONASS差分導(dǎo)航電文，同時在相應(yīng)的電文中增加了區(qū)分GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星的標(biāo)志。2001年出版了Ver2.3版本，定義了電文23和24。隨著網(wǎng)絡(luò)差分GPS的出現(xiàn)，RTCM的Ver3.0版本也即將出版，增加用于傳輸網(wǎng)絡(luò)差分改正數(shù)的電文。另外為了克服Ver2.1版本中存在的不足之處，特別是針對精度問題和數(shù)據(jù)傳輸量的問題，1993年德國的Geo++提出了RTCM++版本。該版本中減少或壓縮了原有的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)通過私有電文59發(fā)送，同時可利用電文59發(fā)送附加信息以提高定位的精度。另外Geo++還在RTCM++協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了RTCM-Adv協(xié)議，RTCM-Adv增加了可設(shè)置密碼的功能和傳輸區(qū)域改正數(shù)的功能。新版本提高了差分改正數(shù)的抗差性能， 增大了可用信息量， 提高了定位精度。偽距差分的精度由原來版本的8～10 m提高到1 m左右， 載波相位差分可達(dá)到cm級精度。

目前，RTCM 2.3格式為RTCM 104委員會版本的RTCM 2.X的最新版本。RTCM2.3相比以往的版本，更好地支持了RTK定位技術(shù)，也是目前使用比較廣泛的RTCM版本。為了與原有的RBN-DGPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容，兼容北斗的差分系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)必須基于原有的RTCM2.3進(jìn)行修訂。

2.2 RTCM 2.3標(biāo)準(zhǔn)電文格式[2]

RTCM差分協(xié)議共定義了64種電文，每種電文幀長為（N+2）個字，其中電文頭兩個字，稱為通用電文。電文信息包含在N個字中，N隨電文類型不同而不同，同類電文可能由于衛(wèi)星的個數(shù)不同也不相同。RTCM電文是由二進(jìn)制的數(shù)據(jù)流組成，每個字由30bits構(gòu)成，分解為5個6bits的字節(jié)，這樣允許在標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)通用異步收發(fā)機(jī)（UART）間串行傳送。如果所用的UART提供8bits的字節(jié)，則必須從通訊緩沖器中讀取后立即去掉兩個最高位。第25～30位構(gòu)成字節(jié)5，字節(jié)5為奇偶校驗碼，用于檢驗接收到的電文信息。

根據(jù)2001年制定的Ver2.3版本，64種電文中，其中有37種電文已經(jīng)定義，具體見表2-1。

RTCM電文的電文頭之所以稱為通用電文，是因為每種電文的電文頭的格式和內(nèi)容完全相同。其格式和內(nèi)容如表2-2所示：

8個比特的引導(dǎo)字固定為01100110，供用戶搜索同步使用，必須通過第一和第二個字的奇偶校驗，才能確認(rèn)該引導(dǎo)字是否正確。幀識別是確定電文的類型?；鶞?zhǔn)站識別是給出基準(zhǔn)站的序號名稱。修正Z計數(shù)是時間計數(shù)，是電文參數(shù)的參考時間，范圍僅有一個小時，用戶可根據(jù)流動站的時間確定Z計數(shù)對應(yīng)的準(zhǔn)確GPS時，與GPS電文的Z計數(shù)不同之處是將其分辨率從6s提高到了0.6s。序號是按下一幀第二個字碼逐一增加，幀長是表示接收到的電文的長度，用于電文解碼。對序號和幀長解碼，可確定下一個引導(dǎo)字的位置。

基準(zhǔn)站的健康狀況的代碼表示基準(zhǔn)站是否正常運(yùn)行，具體含義見如下表所示：

UDRE（User Differential Range Error）表示用戶測距誤差。

RTCM協(xié)議中，用于GPS偽距差分的主要是電文1、電文2和電文3，有時還用到電文9。

2.3北斗差分相關(guān)電文

將RTCM2.3標(biāo)準(zhǔn)電文中的類型41，42作為北斗偽距差分改正數(shù)的格式類型，41類似于GPS的類型1，42類似于GPS的類型9。類型41電文向用戶提供北斗偽距改正數(shù)及其變化率，類其電文格式與類型1電文格式相同，見圖2和表2-4。

區(qū)分IODE的問題：

北斗偽距差分算法與GPS相同，但是由于北斗星歷中的IODE（Issue of Data， Ephemeris）相同，按照GPS同樣進(jìn)行改正數(shù)播發(fā)，無法保證流動站與基準(zhǔn)站計算的改正數(shù)使用同一個星歷，因此提出利用星歷中的參考時間，按照以下方法生成新的IODE（0-252），解決該問題。

TOE（Time of Ephemeris）的范圍為（0-604800），同一周內(nèi)的不同時刻的TOE不同。因此可通過一個映射函數(shù)，按時間順序，采用一定范圍內(nèi)的TOE唯一確定一個IODE，如下式所示：

其中int為取整符號，根據(jù)該式進(jìn)行計算即可得到北斗廣播星歷的IODE。

在獲得了新的IODE后，就可以按照常規(guī)的偽距差分算法進(jìn)行北斗偽距差分定位。

類型42電文為部分衛(wèi)星北斗偽距差分改正數(shù)，類型42電文與類型41電文類似，只是每次傳輸?shù)男l(wèi)星數(shù)為3個或以下，適用于RBN差分播發(fā)系統(tǒng)。

2.4發(fā)射特性

為了保持與原有系統(tǒng)的兼容，差分GPS數(shù)據(jù)格式按照原有的RBN-DGPS系統(tǒng)進(jìn)行。目前主要包括兩種格式：RTCM2.3 類型1 和RTCM2.3 類型9-3。在實(shí)際的使用過程中，由于RTCM2.3 類型1數(shù)據(jù)量相對較大，因此通常使用的是RTCM2.3 類型9-3進(jìn)行播發(fā)。為了保持與原有GPS差分播發(fā)的兼容性，在本試驗方案中，GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)的播發(fā)采用RTCM2.3 類型9-3格式。

目前，RTCM2.3格式不支持北斗的差分信息格式，并且國家尚未正式制定出RTCM2.3包含北斗的標(biāo)準(zhǔn)。因此，為了與增加北斗差分格式的播發(fā)，提出了RTCM標(biāo)準(zhǔn)的修改意見，將標(biāo)準(zhǔn)電文中的類型41，42作為北斗偽距差分改正數(shù)的格式類型，41類似于GPS的類型1，42類似于GPS的類型9。在RBN-DGPS系統(tǒng)中播發(fā)的是RTCM2.3類型9，因此北斗播發(fā)采用類型42。信號發(fā)射特性如下：

（1）航海無線電指向標(biāo)頻帶

RBN-（DBDS+DGPS）使用分配給航海無線電指向標(biāo)用的285kHz至325kHz的頻帶發(fā)射信息。被選擇用于RBN-（DBDS+DGPS）系統(tǒng)的航海無線電指向標(biāo)應(yīng)用一個整數(shù)頻率播發(fā)差分信息和輔助信息。

（2）信號調(diào)制

RBN-（DBDS+DGPS）差分信號的調(diào)制方式為最小頻鍵控（MSK）。

（3）發(fā)射類別

發(fā)射類別為調(diào)相單信道數(shù)據(jù)傳輸（G1D）。

（4）數(shù)據(jù)傳送速率

RBN-（DBDS+DGPS）差分信息以類型9和類型42電文進(jìn)行傳送時，速率應(yīng)為200bps。

（5）信號場強(qiáng)

系統(tǒng)正常運(yùn)行時，在規(guī)定的覆蓋區(qū)域內(nèi)，（DBDS+DGPS）信號的最小場強(qiáng)應(yīng)為75μV/m。

3結(jié)語

本文中推薦采用RTCM 2.3版中的類型41和42電文進(jìn)行差分北斗應(yīng)用，并進(jìn)行了相關(guān)試驗和測試，定位精度，信號可用性、穩(wěn)定性等均達(dá)到了IMO A.1046決議的相關(guān)要求。目前中國海事局已正在對我國現(xiàn)有22座RBN-DGPS臺站進(jìn)行升級改造，使其實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有航海無線電指向標(biāo)載頻上同步播發(fā)差分北斗和差分GPS信息，為沿海航海用戶提供精度更高，穩(wěn)定性更好的服務(wù)。船舶設(shè)備制造商可以據(jù)此生產(chǎn)此類型的差分接收設(shè)備進(jìn)行試用，但需注意的是相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)尚未最終確定，船載設(shè)備應(yīng)提供升級接口，待國際標(biāo)準(zhǔn)最終確定后可以通過升級軟件，實(shí)現(xiàn)與最新標(biāo)準(zhǔn)的兼容。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國際航標(biāo)協(xié)會官方網(wǎng)站：http：//www.iala-aism.org

[2] RTCM Recommended Standards for Differential GNSS Service Version 2.3.2001.8.20.