(交通運(yùn)輸部 東海航海保障中心， 上海 200086)

基于AIS岸臺(tái)的DGPS校正量播發(fā)應(yīng)用

劉嘉華

(交通運(yùn)輸部東海航海保障中心，上海200086)

為提升上海洋山港通航安全的航海保障技術(shù)支持能力，上海洋山港E航海示范工程建設(shè)和完善相關(guān)航海保障支持服務(wù)設(shè)施。介紹利用洋山港周邊水域船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)岸臺(tái)播發(fā)差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System,DGPS)校正量的方法,并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明,在AIS岸臺(tái)的有效覆蓋范圍內(nèi)，AIS船舶在接收到差分報(bào)文后能提高定位精度，有利于船舶安全航行。

E航海;航海保障;AIS岸臺(tái);差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng);差分全球定位系統(tǒng);校正量

Abstract: Quite a few development and refinement of facilities and services have been made under the Yangshan E-Navigation demonstration project, aimed to improve the navigation support technologies and the performance of the port. Broadcasting Differential Global Positioning System(DGPS) correction through adjacent Automatic Identification System(AIS) base stations is on of the developments. The broadcasting arrangement and the results are illustrated. Within the coverage of the AIS base stations the vessels with AIS equipment can improve the positioning precision and navigation safety by means of the additional information.

Keywords: E-Navigation; navigation support; AIS base station; DGNSS; DGPS; correction

上海國(guó)際航運(yùn)中心和上海自貿(mào)區(qū)建設(shè)自納入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略以來(lái)，依托洋山港的港口和航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,在深化國(guó)家戰(zhàn)略方面發(fā)揮著重要的支撐作用。通往洋山港的主要國(guó)際航線所經(jīng)航區(qū)每年都會(huì)有不利于船舶安全航行的能見(jiàn)度不良的天氣出現(xiàn)，造成船舶停航或滯航，嚴(yán)重影響港口貨物裝卸，進(jìn)而影響港口和船公司的經(jīng)營(yíng)效益。船舶在能見(jiàn)度不良的海區(qū)航行時(shí),應(yīng)采用適合當(dāng)時(shí)環(huán)境的安全航速謹(jǐn)慎行駛[1]，而提高和改善能見(jiàn)度不良條件下大型集裝箱船舶航行和離靠泊的助航安全保障條件，為引航員提供助航保障支持，則顯得尤為迫切和重要。

船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)[3]是一種新型數(shù)字助航設(shè)備，由岸基設(shè)備和船載設(shè)備共同組成，可有效避免系統(tǒng)干擾因素,保證船舶航行和通信功能的有效性,對(duì)保證船舶安全航行具有重大意義。然而，AIS的可靠性是建立在船舶定位精度較高的基礎(chǔ)上的,現(xiàn)有的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)因存在一定的誤差而使得定位精度不高,成為影響船舶安全航行的隱患。[4]因此,研究一種高定位精度的差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Differential Global Navigation Satellite System,DGNSS)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

這里介紹洋山港海域附近的大戢山和下三星2座AIS岸臺(tái)的改造實(shí)施和測(cè)試情況，使其能播發(fā)DGNSS校正量。目前關(guān)于AIS岸臺(tái)播發(fā)DGNSS校正量尚無(wú)強(qiáng)制性要求，這2座AIS岸臺(tái)自主播發(fā)DGNSS校正量為AIS的拓展應(yīng)用開(kāi)辟了一條新途徑，是E航海(E-Navigation)框架[4]下海事服務(wù)集[5]中岸基服務(wù)產(chǎn)品的具體體現(xiàn)。

1 基于AIS岸臺(tái)的DGNSS校正量播發(fā)原理

常規(guī)GNSS是通過(guò)獲取一組衛(wèi)星的偽距、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星信號(hào)發(fā)送時(shí)間及其他觀測(cè)量來(lái)獲取位置信息、實(shí)現(xiàn)定位的，同時(shí)還須知道用戶鐘差。[5]在進(jìn)行導(dǎo)航定位和測(cè)量時(shí)，會(huì)伴隨有衛(wèi)星自身誤差、信號(hào)傳播誤差和接收機(jī)誤差等多種誤差,對(duì)GNSS的定位精度有很大影響，誤差通常有數(shù)十米的量級(jí),在特殊情況(如人為干擾)下甚至達(dá)到百米的量級(jí)。對(duì)于在狹水道或繁忙近海水域航行的船舶而言,該情況會(huì)帶來(lái)極大的安全隱患。

差分增強(qiáng)技術(shù)[2]作為GNSS的補(bǔ)充和改進(jìn)措施，能有效提高系統(tǒng)服務(wù)的精度、可用性、連續(xù)性和完善性指標(biāo)，一直是GNSS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。AIS基站與DGNSS基準(zhǔn)站相連，可通過(guò)AIS VDL發(fā)射DGNSS校正量，作為無(wú)線電信標(biāo)DGNSS服務(wù)的后備系統(tǒng)。[3]通過(guò)AIS播發(fā)DNSS校正量只是一項(xiàng)增值服務(wù)，可提高AIS位置報(bào)告的精度，但不會(huì)對(duì)外接衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的定位精度產(chǎn)生影響。

這里在差分技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種基于AIS的DGNSS差分技術(shù)。DGNSS是基于GNSS的校正，利用GNSS誤差源在空間和時(shí)間上高度相關(guān)的特性來(lái)改善整個(gè)系統(tǒng)的性能，有效消除衛(wèi)星自身誤差及信號(hào)傳播過(guò)程中的誤差。[6]同時(shí),以AIS基站作為差分參考站計(jì)算差分修正信息，通過(guò)AIS通信信道將差分修正信息播發(fā)給覆蓋區(qū)的AIS移動(dòng)站，使AIS支持GNSS差分系統(tǒng)，進(jìn)一步提高GNSS的定位精度，使得AIS船舶位置信息更加精確，從而降低船舶碰撞概率，確保船舶安全航行。

2 基于AIS岸臺(tái)的DGNSS校正量播發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為向AIS岸臺(tái)提供校正量數(shù)據(jù)，需要有DGNSS基準(zhǔn)站和完善性監(jiān)測(cè)站(RSIM)。獲取GNSS差分信號(hào)有以下2種方法。

1)在現(xiàn)有的RBN-DGNSS臺(tái)站覆蓋范圍內(nèi)，用1臺(tái)MSK接收機(jī)(信標(biāo))接收差分信號(hào),并將其輸出給AIS岸臺(tái)作為校正量信號(hào)源。

2)在AIS岸臺(tái)同址建立專(zhuān)用的GNSS基準(zhǔn)站，產(chǎn)生DGNSS修正數(shù)據(jù)。

這里介紹的基于AIS岸臺(tái)的DGNSS校正量播發(fā)研究以洋山港海域的大戢山AIS基站為試驗(yàn)播發(fā)臺(tái)站，基站覆蓋海域最遠(yuǎn)可達(dá)50 n mile。

基于AIS岸臺(tái)的DGNSS校正量播發(fā)系統(tǒng)由差分信號(hào)源、AIS基站DGNSS播發(fā)子系統(tǒng)和AIS船載子系統(tǒng)構(gòu)成,系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

2.1 差分信號(hào)源

依據(jù)DGNSS信號(hào)的來(lái)源，此次基于AIS岸臺(tái)的DGNSS校正量播發(fā)測(cè)試方案的差分信號(hào)源采用以下2種模式。

圖1 基于AIS岸臺(tái)的DGNSS校正量播發(fā)系統(tǒng)框圖

2.1.1RBN-DGNSS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)模式

RBN-DGNSS差分臺(tái)站利用的是現(xiàn)有的沿海RBN-DGNSS差分臺(tái)站,持續(xù)檢測(cè)GNSS衛(wèi)星的運(yùn)行狀況，產(chǎn)生DGNSS校正量，并通過(guò)中波發(fā)射機(jī)向海面播發(fā)，覆蓋范圍為200 n mile。測(cè)試中選用xxxRBN-GNSS差分臺(tái)站差分信號(hào)作為信號(hào)源。

2.1.2DGNSS自主站模式

在AIS基站同址選擇GNSS天線位置，要求開(kāi)闊無(wú)遮擋。通過(guò)高精度的定位設(shè)備標(biāo)定GNSS天線位置，定位精度達(dá)到毫米級(jí)。選擇安裝支持全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)及GLONASS的GNSS接收機(jī)；GNSS接收機(jī)連續(xù)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，參考GNSS的精確位置參數(shù)生成偽距差分校正量，并按RTCM格式將其發(fā)送至DGNSS差分服務(wù)器中。測(cè)試中選用C-Nav3050G作為DGNSS自主站設(shè)備。

2.2 AIS基站DGNSS播發(fā)子系統(tǒng)

AIS基站DGNSS播發(fā)子系統(tǒng)由MSK接收機(jī)、DGNSS差分服務(wù)器和AIS基站構(gòu)成。

1)MSK接收機(jī)實(shí)時(shí)接收RBN-DGNSS差分臺(tái)站播發(fā)的中波信號(hào)，輸出DGNSS差分?jǐn)?shù)據(jù)到DGNSS差分服務(wù)器中。

2)DGNSS差分服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)DGNSS中的DGPS和DBDS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，根據(jù)設(shè)置或指令將DGPS和DBDS數(shù)據(jù)單獨(dú)或混合封裝成AIS的MSG17電文，并將其發(fā)送至AIS基站。

3)AIS基站根據(jù)時(shí)隙規(guī)劃,采用FATDMA模式播發(fā)MSG17電文。

2.3 AIS船載子系統(tǒng)

在AIS基站無(wú)線電覆蓋水域航行的船舶，其所載AIS設(shè)備接收到的來(lái)自于基站的MSG17電文在輸出給船載其他設(shè)備(如ECS系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng))的同時(shí)，從中恢復(fù)RTCM SC-104格式的差分校正，并通過(guò)串口送至內(nèi)置的GNSS單元中。船舶位置的差分校正可采用內(nèi)置GNSS模式或外置GNSS模式。此次測(cè)試AIS船臺(tái)采用SAAB R4。

2.3.1內(nèi)置GNSS模式

在內(nèi)置GNSS模式下，船載AIS設(shè)備的內(nèi)置GNSS單元在接收到差分校正數(shù)據(jù)之后進(jìn)行差分修正，輸出精度更高的定位信息(見(jiàn)圖2)。

圖2 內(nèi)置GNSS模式下的AIS船臺(tái)

2.3.2外置GNSS模式

在外置GNSS模式下，船載AIS設(shè)備將接收到的MSG17電文輸出至外置GNSS接收機(jī)，GNSS接收機(jī)從MSG17電文中恢復(fù)出RTCM SC-104格式的差分校正量并進(jìn)行差分修正，輸出精度更高的定位信息給船載電子設(shè)備，并通過(guò)串行接口將定位信息反饋給AIS設(shè)備(見(jiàn)圖3)。

圖3 外置GNSS模式下的AIS船臺(tái)

3 測(cè)試及分析

為檢驗(yàn)差分信號(hào)應(yīng)用的實(shí)際效果，在2015年3月以大戢山為測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行精度測(cè)試和播發(fā)有效性測(cè)試。為保證測(cè)試結(jié)果的科學(xué)性，制訂測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試方案。通過(guò)對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行安裝和調(diào)試，分組比對(duì)AIS岸臺(tái)播發(fā)測(cè)試，詳細(xì)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的分析。大戢山基站天線和設(shè)備見(jiàn)圖4。

圖4 大戢山基站天線和設(shè)備

3.1 測(cè)試方法

此次測(cè)試采用AIS船臺(tái)定點(diǎn)測(cè)試法,方法如下。

1)選擇距離AIS岸臺(tái)40 km的位置作為測(cè)試點(diǎn)。

2)采用高精度RTK設(shè)備標(biāo)定測(cè)試點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

3)在測(cè)試點(diǎn)上準(zhǔn)確假設(shè)AIS船臺(tái)的GNSS天線。

4)搭建并調(diào)試AIS船臺(tái)的測(cè)試環(huán)境，此次測(cè)試采用2臺(tái)AIS船臺(tái),利用GNSS天線功分器;2臺(tái)AIS船臺(tái)共享測(cè)試點(diǎn)GNSS天線,分別采用內(nèi)置GPS工作模式和外置GNSS工作模式。AIS船臺(tái)通過(guò)RS422接口與AIS船臺(tái)數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)連接,AIS船臺(tái)數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)記錄AIS船臺(tái)測(cè)試中的VDO和VDM報(bào)文。

5)在AIS岸臺(tái)停止播發(fā)DGNSS校正量時(shí)，記錄AIS船臺(tái)報(bào)文輸出1 h，AIS船臺(tái)數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

6)AIS岸臺(tái)采用RBN-DGNSS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)模式，調(diào)整DGNSS數(shù)據(jù)服務(wù)器單一處理GPS校正數(shù)據(jù)，通過(guò)AIS鏈路播發(fā)MSG17電文，持續(xù)1 h；AIS船臺(tái)數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

7)AIS岸臺(tái)采用RBN-DGNSS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)模式，調(diào)整DGNSS數(shù)據(jù)服務(wù)器處理GNSS校正數(shù)據(jù)，通過(guò)AIS鏈路播發(fā)MSG17電文，持續(xù)1 h；AIS船臺(tái)數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

8)AIS岸臺(tái)采用DGNSS自主站模式，調(diào)整DGNSS數(shù)據(jù)服務(wù)器單一處理GPS校正數(shù)據(jù)，通過(guò)AIS鏈路播發(fā)MSG17電文，持續(xù)1 h；AIS船臺(tái)數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

9)AIS岸臺(tái)采用DGNSS自主站模式，調(diào)整DGNSS數(shù)據(jù)服務(wù)器處理GNSS校正數(shù)據(jù)，通過(guò)AIS鏈路播發(fā)MSG17電文，持續(xù)1 h；AIS船臺(tái)數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

10)分析AIS船臺(tái)數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)。AIS岸臺(tái)播發(fā)DGNSS數(shù)據(jù)時(shí)，在記錄中檢索VDM報(bào)文是否含有MSG17電文，并比對(duì)DGNSS數(shù)據(jù)的正確性；分析VDO報(bào)文中輸出的位置信息，檢查DGNSS數(shù)據(jù)的校正結(jié)果，并與測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)比對(duì)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

對(duì)AIS船臺(tái)數(shù)據(jù)記錄計(jì)算機(jī)記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)果。

1)基于AIS岸臺(tái)的DGNSS校正量播發(fā)系統(tǒng)的差分信號(hào)源采用RBN-DGNSS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)模式或DGNSS自主站模式均能有效滿足DGNSS校正量的生成要求。但是,DGNSS自主站參考點(diǎn)的精度劣于RBN-DGNSS差分臺(tái)站，導(dǎo)致AIS船臺(tái)修正后定位精度降低；同時(shí),系統(tǒng)的可靠性也較低。

2)在內(nèi)置GPS工作模式下，受測(cè)AIS船臺(tái)能有效接收MSG17電文并恢復(fù)DGPS校正量，作用于內(nèi)置GPS中。通過(guò)比對(duì)定位結(jié)果可看出,定位精度有明顯的提高。受AIS標(biāo)準(zhǔn)的歷史局限，AIS船臺(tái)只能處理DGPS數(shù)據(jù)。該模式下未差分和差分后輸出數(shù)據(jù)及定位誤差統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)圖5和表1。

a) 未差分輸出數(shù)據(jù)

b) 差分后輸出數(shù)據(jù)

差分情況誤差算術(shù)平均值/m95%置信度/m<5m概率/%差分前3.706.6567差分后2.254.8496

3)在外置GNSS工作模式下，受測(cè)AIS船臺(tái)能有效接收MSG17電文，并通過(guò)VDM輸出至外置GNSS接收機(jī);GNSS接收機(jī)能從VDM中解析出MSG17電文并恢復(fù)DGPS校正量，作用于位置校正。通過(guò)比對(duì)定位結(jié)果可看出,定位精度顯著提高。外置GNSS接收機(jī)不僅能處理DGPS數(shù)據(jù)，還能處理DBDS數(shù)據(jù)，并將DGPS和DBDS融合差分處理,進(jìn)一步提高定位精度。該模式下的未差分、差分及融合差分測(cè)試結(jié)果和定位誤差統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)圖6及表2。

a) 未差分測(cè)試結(jié)果

b) 差分測(cè)試結(jié)果

c) 融合差分測(cè)試結(jié)果

差分情況誤差算術(shù)平均值/m95%置信度/m<5m概率/%差分前2.455.00100差分后0.804.84100融合差分0.452.00100

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)搭建基于AIS岸臺(tái)的DGNSS播發(fā)環(huán)境，利用AIS基站來(lái)播發(fā)GPS差分信息，AIS船舶在AIS基站的有效覆蓋范圍內(nèi)接收到17號(hào)差分報(bào)文后定位精度達(dá)到亞米級(jí)，確實(shí)能提高船舶的定位精度，有利于船舶安全航行。通過(guò)比對(duì)測(cè)試，RBN-DGNSS信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)模式可作為今后基于AIS岸臺(tái)DGNSS播發(fā)系統(tǒng)的主要工作模式；DGNSS自主站可構(gòu)建離岸AIS基站的DGNSS播發(fā)系統(tǒng)，如鉆井平臺(tái)、遠(yuǎn)海島嶼等。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，AIS船臺(tái)采用內(nèi)置GPS具有局限性，差分定位精度明顯差于外置GNSS，并不支持BDS。

在測(cè)試過(guò)程中，觀察到B類(lèi)AIS船臺(tái)和部分A類(lèi)AIS船臺(tái)不支持AIS岸臺(tái)的DGNSS差分功能；洋山港海域安裝B類(lèi)AIS船臺(tái)的船舶較多；建議結(jié)合我國(guó)BDS的推廣，將船用北斗接收機(jī)作為AIS船臺(tái)的外置GNSS單元，建設(shè)基于AIS岸臺(tái)的DGNSS播發(fā)系統(tǒng)，保證船舶安全航行。

在E航海戰(zhàn)略中，繁忙水域、狹水道及港口將實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位導(dǎo)航。此次測(cè)試為未來(lái)船載綜合定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)(INS-PNT)的發(fā)展及洋山港E航海演示驗(yàn)證的設(shè)計(jì)提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1] 湯旭紅.AIS技術(shù)及其對(duì)航行安全和VTS的影響[C]//2001航海技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)論文集.21世紀(jì)航?？萍及l(fā)展動(dòng)向研討會(huì)，2001.

[2] 劉傳潤(rùn).AIS應(yīng)用的研究與綜述[C].中國(guó)航海學(xué)會(huì)通信導(dǎo)航專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2007年學(xué)術(shù)年會(huì),2007.

[3] 代彥博.船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研宄[M].黑龍江:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2006: 12-13.

[4] 曲清泉.基于AIS多船自動(dòng)避碰專(zhuān)家系統(tǒng)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社,2005:26-27.

[5] 李征航,黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2010.

[6] 徐愛(ài)功.全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.

[7] 全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范:GB/T 18314—2009[S].

[8] Radio Technical Sommission for Maritime Services RTCM Standard 10403.1 for Differential GNSS (GLOBAL Navigation Satellite System) Services-Version 3[S].

[9] 國(guó)家測(cè)繪局.測(cè)繪技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)定:CH/T 1004—2005[S].

[10] IALA Recommendation A-124 Appendix 16 DGNSS Broadcasts From an AIS Service, Edition 2[S]. 2011.

[11] DGNSS 系統(tǒng)RTCM 推薦標(biāo)準(zhǔn)V2.3: RTCM PAPER 136—2001/SC104-STD[S].2001.

Broadcasting DGPS Corrections by AIS Base Station

LIUJiahua

(The Navigation Guarantee Centre of East China Sea, MOT, Shanghai 200086, China)

1000-4653(2016)04-0015-04

U675.7

A

2016-07-28

劉嘉華(1961—),男,上海人,高級(jí)工程師,從事航海保障工作。E-mail:liujiahua_sh@vip.sohu.com