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北斗差分信息在航运导航上的播发研究

2020-01-03 10:07:30 中国水运 2020年12期

赵显峰 房延军 张杨

摘 要:北斗差分信息是北斗卫星导航系统应用的重要组成部分,在航运导航上实现北斗差分信息的播发,能够向社会船舶或行业用户提供厘米级至米级精密导航定位和终端辅助差分服务,加大北斗导航系统在我国航运及更大范围的应用推广,提升对船舶、港口等用户机构的服务质量,为航运转型升级发展提供技术支撑。

关键词:北斗;AIS;播发

北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)是我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,是国家重要空间基础设施。国家稳步推进北斗系统建设,2012年底北斗系统已向亚太区域提供服务,2018年底面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务,2020年前后完成35颗卫星发射组网,向全球提供服务。

北斗差分系统是北斗卫星导航系统应用的重要组成部分,构建北斗差分系統,能够向社会船舶或社会用户提供厘米级至米级精密导航定位和终端辅助增强服务。交通运输部对北斗系统应用工作高度重视,紧跟北斗系统建设发展步伐,深入参与北斗系统建设和应用的各个环节,在沿海和长江干线建成了一批北斗增强基准站,以提供高精度卫星导航和基本数据服务为主,向行业、社会提供公益性、开放的普遍性服务。

1 需求分析

1.1用户服务模式

我国通航水域环境复杂,船舶密度高,为了提高航运管理水平和服务质量,航运船舶配置了AIS、VHF等设备,管理部门也建设了VTS等安全监管系统,但上述设施所能提供的精度一般在5-10米左右。当船舶航行在狭窄航道或者船舶高密度水域时,受制于定位精度和自动化预警水平,水上交通事故仍屡有发生。保障船舶航行的安全和效率是航运管理部门的核心目标,而加强水上交通运输管理有赖于船舶导航系统技术的提高。

北斗差分系统应能够提供两种服务模式,即提供基于伪距差分等技术的广播模式和基于载波相位差分技术的用户交互模式。

(1)实时广播模式:利用播发台站向周边用户无间断连续播发差分数据信息,用户可通过终端设备自动接收差分数据信息,并解算自身精确的位置信息。就增强数据的获得而言,信息的传输是单向的。

(2)用户交互模式:用户通过终端设备与差分服务中心进行数据交换,获得差分网提供的差分数据信息,由此解算自身定位,信息传输是双向的。

1.2信息播发方式

根据船舶用户的使用需求,北斗差分系统普通导航的广播播发服务方式选择采用AIS系统来提供差分数据服务,其优势如下:

(1)不增加船舶用户负担。在现行规定下,AIS为国际通用并作为沿海和内河航行的绝大部分船舶强制配置设备。

(2)节省投资。我国已建成有较为完善的AIS网络覆盖,利用现有AIS网络系统播发,体现资源共享、投资效益最大化的优势。

(3)便于监管机关获取大量船舶精确位置信息。AIS作为成熟的船舶安全监管手段之一,在现有AIS及相关平台上即可获得经北斗地基系统修正后的船舶精确位置,有利于与现有监管手段的衔接。

(4)国际通用数据标准。国际海事无线电技术委员会第104专委会(RTCM SC104)发布RINEX3.03版本,作为导航领域最重要的国际通用数据标准格式,RINEX已经全面支持北斗系统。

2 系统方案

2.1可行性

根据国家标准《船载自动识别系统(AIS)技术要求》(GB/T 20068-2017)11.3.16规定,AIS系统17号报文用于GNSS差分信息播发,RTCM协议的差分数据需要转换为17号报文格式才能通过AIS基站播发。

其中,数据段有最大736比特的空间来发送消息,北斗差分信息可以通过数据段来发送。

根据《北斗/全球卫星导航系统(GNSS)接收机差分数据格式》(BD 410002-2015)规定,1、9号电文用于GPS差分信息播发,41号电文可用于北斗差分信息播发。导航系统中差分数据一般按照RTCM数据标准;而在RTCM3.3的规定中,已经为北斗差分数据信息提供了10个报文格式,这就为AIS接收北斗差分数据提供了基础条件。目前,已有AIS设备厂家开发完成相应的基站和用户终端设备,实现AIS播发GPS/北斗双模差分信息播发,并通过测试验证。

2.2时隙占用分析

在AIS系统中,监测容量被定义为一个AIS系统每个信道可以承担的台站数量,其监测容量是衡量其服务质量好坏的一项重要的性能指标。

当北斗差分信息以AIS 17号报文的形式播发,17号报文信息最多需要7个时隙进行传输,以每分钟播发4次的频率计算,共占AIS单通道总时隙数的1.25%,大致相当于5艘船舶的信道容量。因此,采用17号报文播发北斗差分信息基本不会影响AIS系统的原有功能。

2.3实施方案

AIS播发服务器可从北斗差分数据中心实时接收差分增强数据产品,并将格式转换后的北斗差分数据分发至指定或全部的AIS基站,由AIS基站按照17号报文的数据格式进行播发。同时船舶可通过自身安装的具有17号报文接收功能的AIS船台进行数据接收,从而对自身定位数据进行修正。

3 建议

目前,北斗相关数据尚未纳入现行AIS电文协议,为利于今后终端设备的应用推广,建议主管部门推动制定相关的协议标准,推动AIS电文体系纳入北斗增强数据格式。

参考文献:

[1] 船载自动识别系统(AIS)技术要求,GB/T 20068-2017.

[2] 熊辉,庞波波,卢红洋,于渊,王文良.长江干线北斗AIS差分数据播发系统的构建及应用展望[J].卫星应用,2019(10).

[3] 王成.北斗沿海差分播发研究[J].航海技术,2014(4).

[4] International Telecommunications Union. Technical characteristics for an automatic identification system Using time-division multiple access in the VHF maritime mobile band:ITU-RM.1371-5[S].Geneva:ITU,2015.