文 ∣ 熊輝 龐波波 盧紅洋 于淵 王文良

1.交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江通信管理局

2.中國(guó)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(yùn)輸行業(yè)北斗系統(tǒng)應(yīng)用工作是一項(xiàng)戰(zhàn)略性、長(zhǎng)期性工作，分階段穩(wěn)步推動(dòng)北斗系統(tǒng)在交通行業(yè)實(shí)現(xiàn)全覆蓋，實(shí)現(xiàn)行業(yè)與北斗系統(tǒng)相互促進(jìn)，共同發(fā)展，是建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的重要支撐[1]。隨著長(zhǎng)江干線(xiàn)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)工程的建設(shè)，推進(jìn)了北斗差分服務(wù)對(duì)長(zhǎng)江內(nèi)河的覆蓋，目前，依據(jù)長(zhǎng)江干線(xiàn)的特點(diǎn)及用戶(hù)群體，開(kāi)展北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)服務(wù)模式和長(zhǎng)江干線(xiàn)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(zhǎng)江干線(xiàn)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(zhǎng)江內(nèi)河船舶航行提供實(shí)時(shí)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(zhǎng)江內(nèi)河的應(yīng)用推廣提供有力支撐。

二、長(zhǎng)江干線(xiàn)北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)服務(wù)模式

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，是專(zhuān)門(mén)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(shí)時(shí)廣播模式和用戶(hù)交互模式。長(zhǎng)江干線(xiàn)重點(diǎn)服務(wù)對(duì)象是船舶定位導(dǎo)航，米級(jí)的偽距差分服務(wù)已滿(mǎn)足精度要求；但船舶定位導(dǎo)航對(duì)差分定位的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性有較高要求，所以適合采用實(shí)時(shí)廣播模式。

實(shí)時(shí)廣播模式是利用播發(fā)臺(tái)站向周邊用戶(hù)無(wú)間斷連續(xù)播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，用戶(hù)可通過(guò)終端設(shè)備自動(dòng)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(shí)時(shí)廣播模式有400MHz電臺(tái)播發(fā)、中頻無(wú)線(xiàn)電播發(fā)（RBN）、AIS報(bào)文播發(fā)和數(shù)字廣播播發(fā)，但考慮到400MHz電臺(tái)播發(fā)的頻率未得到認(rèn)可，數(shù)字廣播播發(fā)尚在試驗(yàn)測(cè)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(bào)文播發(fā)方式[3]。RBN播發(fā)和AIS播發(fā)對(duì)比見(jiàn)表1。

圖1 實(shí)時(shí)廣播差分定位模式

表1 RBN播發(fā)和AIS播發(fā)的比對(duì)

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

1）長(zhǎng)江干線(xiàn)呈長(zhǎng)約2838km、寬約30km（長(zhǎng)江中心線(xiàn)向外擴(kuò)15km）的狹長(zhǎng)帶狀區(qū)域，江面平均寬度1.5～2km；通過(guò)AIS基站的合理分布，完全可以實(shí)現(xiàn)全部覆蓋。

2）長(zhǎng)江作為黃金水道，水流湍急，航道繁忙，船只密度大；隨著長(zhǎng)江運(yùn)力的不斷增長(zhǎng)，目前GPS/北斗提供的10m左右定位精度已不能滿(mǎn)足需求。而基于A(yíng)IS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(jí)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(zhǎng)江內(nèi)河的船舶種類(lèi)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(kù)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(qiáng)制性配置標(biāo)準(zhǔn)涉及航區(qū)范圍、船舶類(lèi)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(xiàn)的實(shí)際應(yīng)用情況。此外，AIS設(shè)備終端費(fèi)用較低，利于后期進(jìn)一步推廣。

4）可以依托長(zhǎng)航系統(tǒng)已建設(shè)的站點(diǎn)包括甚高頻（VHF）、AIS接收站或雷達(dá)站和各類(lèi)業(yè)務(wù)用房等，進(jìn)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(zhǎng)江干線(xiàn)的播發(fā)應(yīng)用，滿(mǎn)足長(zhǎng)江干線(xiàn)的實(shí)際需求。

三、長(zhǎng)江干線(xiàn)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(gè)應(yīng)用模塊和兩個(gè)數(shù)據(jù)接口，四個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)接口分別對(duì)應(yīng)長(zhǎng)航專(zhuān)網(wǎng)和信息專(zhuān)網(wǎng)。

呂：你一定讀過(guò)許多與美國(guó)越南戰(zhàn)爭(zhēng)相關(guān)的書(shū)籍，可以說(shuō)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(duì)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(zhǎng)江干線(xiàn)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)捕獲、跟蹤、記錄和傳輸。每個(gè)基準(zhǔn)站建立本地局域網(wǎng)，通過(guò)路由器等設(shè)備與通信終端連接，并通過(guò)長(zhǎng)航專(zhuān)網(wǎng)接口將原始觀(guān)測(cè)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(fù)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(hào)電文形式進(jìn)行廣播。每個(gè)AIS基站都由AIS管理中心進(jìn)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(gè)服務(wù)系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)處理中心一方面通過(guò)長(zhǎng)航專(zhuān)網(wǎng)接口從衛(wèi)星基準(zhǔn)站獲取原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢核，處理和分類(lèi)存儲(chǔ)，并根據(jù)北斗資源中心的必要數(shù)據(jù)建立對(duì)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(lèi)存儲(chǔ)和管理。

業(yè)務(wù)管理模塊主要是基于信息專(zhuān)網(wǎng)接口，根據(jù)不同的功能需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)的提供和管理。如提供海事監(jiān)控?cái)?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(guān)測(cè)并記錄

差分技術(shù)主要目的是消除、減弱或修正用戶(hù)定位解算過(guò)程中的誤差項(xiàng)影響，提升用戶(hù)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(zhǎng)江干線(xiàn)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(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)連續(xù)不間斷的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的記錄，獲得一定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)偏差觀(guān)測(cè)信息，為消除電離層、對(duì)流層對(duì)衛(wèi)星信號(hào)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(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸并對(duì)各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查、冗余備份檢查；存儲(chǔ)不同采樣間隔和不同時(shí)段的北斗原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)；對(duì)接入系統(tǒng)的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行同步并建立電離層、對(duì)流層模型；解算GNSS星座的軌道誤差、時(shí)鐘誤差、大氣影響、多徑效應(yīng)及其他誤差數(shù)據(jù)；定期進(jìn)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(hù)服務(wù)

利用長(zhǎng)江干線(xiàn)已建的AIS岸基網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)報(bào)文格式將各站點(diǎn)差分改正數(shù)據(jù)信息對(duì)外播發(fā)，重點(diǎn)為船舶用戶(hù)提供導(dǎo)航服務(wù)；同時(shí)面向長(zhǎng)江航運(yùn)用戶(hù)和社會(huì)用戶(hù)。針對(duì)各類(lèi)用戶(hù)的不同需求，充分考慮用戶(hù)需求、用戶(hù)量、用戶(hù)終端推廣等方面因素，將相關(guān)數(shù)據(jù)及服務(wù)進(jìn)行推送。利用信息專(zhuān)網(wǎng)方式，基準(zhǔn)站原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)下載服務(wù)，實(shí)現(xiàn)事后精密相對(duì)定位；此外，也可為測(cè)繪、水利、環(huán)保等其他用戶(hù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，可為用戶(hù)提供擴(kuò)展的二次開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)接口，滿(mǎn)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(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)服務(wù)與不同系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享；實(shí)現(xiàn)機(jī)房設(shè)備的控制功能，通過(guò)對(duì)機(jī)房設(shè)備信息的采集，自動(dòng)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能，同時(shí)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，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(cè)

系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)為用戶(hù)提供正確定位信息的可信度，當(dāng)?shù)鼗鰪?qiáng)系統(tǒng)不可靠時(shí)，具有及時(shí)的報(bào)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(jì)以及衛(wèi)星星歷的完整性和有效性進(jìn)行監(jiān)測(cè)；監(jiān)控北斗衛(wèi)星的健康狀態(tài)，并對(duì)異常衛(wèi)星提供報(bào)警信息；驗(yàn)證系統(tǒng)播發(fā)的增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息，當(dāng)系統(tǒng)提供的增強(qiáng)信息不能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。

3.播發(fā)系統(tǒng)的差分定位實(shí)現(xiàn)

（1）播發(fā)實(shí)現(xiàn)流程

首先，AIS基準(zhǔn)站將原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)長(zhǎng)江專(zhuān)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(guān)測(cè)數(shù)據(jù)建立基站網(wǎng)絡(luò)的大氣模型，包括電離層、對(duì)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(hù)向中心申請(qǐng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心經(jīng)過(guò)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(guó)際海運(yùn)事業(yè)無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì)（RTCM）差分電文，并封裝成AIS 17號(hào)報(bào)文格式[4]，向周?chē)蜻M(jìn)行實(shí)時(shí)廣播。

（2）接收實(shí)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(jìn)制電文，附近水域的AIS船載終端通過(guò)天線(xiàn)接收到廣播的差分電文后，進(jìn)行DGNSS電文的解析和RTCM電文的封裝，然后DGNSS接收機(jī)通過(guò)串口接收到AIS信道恢復(fù)出來(lái)的RTCM差分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)部處理實(shí)現(xiàn)偽距差分定位功能。

綜上，隨著長(zhǎng)江干線(xiàn)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的推進(jìn)，北斗AIS差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建，可為長(zhǎng)江內(nèi)河的船舶導(dǎo)航服務(wù)提供米級(jí)的差分定位服務(wù)，為進(jìn)一步推進(jìn)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(yùn)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(dá)到米級(jí)，一方面利于精確掌握附近水域船舶的動(dòng)靜態(tài)信息，輔助船舶進(jìn)行協(xié)調(diào)避讓?zhuān)行П苊饫走_(dá)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(bào)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(bào)警或無(wú)效的頻繁報(bào)警。尤其在狹水道、密集水域和船舶進(jìn)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(dòng)靜態(tài)信息可視化，配合雷達(dá)自動(dòng)標(biāo)繪系統(tǒng)（APRA）與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，便于海事部門(mén)進(jìn)行水上交通的管理和組織；北斗AIS終端提供的實(shí)時(shí)米級(jí)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(dòng)態(tài)監(jiān)管的有效性；北斗AIS系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(jí)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(dú)有的短報(bào)文與回執(zhí)功能與AIS的結(jié)合，讓海事部門(mén)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(shí)時(shí)的航標(biāo)位置信息，受外界天氣干擾小，更易于辨識(shí)，同時(shí)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(guò)北斗高精度定位和AIS鏈路實(shí)現(xiàn)航標(biāo)狀況的監(jiān)控[6]，對(duì)燈浮標(biāo)的被撞移位飄失進(jìn)行及時(shí)預(yù)警和報(bào)警，實(shí)現(xiàn)電子巡檢，延長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢的周期，提升航標(biāo)保障工作的效率，節(jié)省維護(hù)成本和方便追查被撞航標(biāo)。

4.航運(yùn)信息服務(wù)

北斗AIS系統(tǒng)既可以實(shí)時(shí)提供又可以記錄保存船舶的動(dòng)靜態(tài)信息，基于這些信息的提取與氣象信息、航運(yùn)市場(chǎng)信息的融合，可提供基于船舶，航線(xiàn)，港口，貨物流向、船舶流向的多維度、多時(shí)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(chǎng)營(yíng)運(yùn)與市場(chǎng)決策的數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。

五、結(jié)論

隨著長(zhǎng)江干線(xiàn)北斗地基增強(qiáng)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A(yíng)IS的北斗差分信號(hào)播發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)步推進(jìn)和北斗高精度AIS終端的規(guī)?；茝V，能更好地助力“智能航海”和“智慧航運(yùn)”的發(fā)展，成為交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)中的重要內(nèi)容。