一种覆盖长江干线的北斗地基增强系统及构建方法与流程

本发明涉及卫星导航系统技术领域，特别涉及一种覆盖长江干线的北斗地基增强系统及构建方法。

背景技术：

增强系统差分信息播放模式有用户交互模式和实时广播模式。目前，现在已建或在建的北斗增强系主要使用的是依托于公网的3g/4g无线网络或无线宽带网方式的用户交互模式。但在航海导航应用领域，主要使用的是实时广播方式。我国沿海采用的是中频无线电广播方式，已经建成rbn-dgps播发系统，正在由dgps单模改为dbs/dgps双模系统。考虑到长江上船舶种类及不同船舶设备配备要求和涉及航区的不同，适合采用ais17号报文广播方式，既免费又无接收用户数量限制，目前，还未有ais播发的北斗地基增强系统的构建，同时ais17号电文通信协议标准不支持北斗差分信号播发，也是需要解决的问题。

长江作为我国的黄金水道，长约2838km、宽约1.5km-2km，总体呈一个宽为30km(长江中心线向外扩15km)的带状区域，航道蜿蜒，自然条件和建设条件落实难度大，所以对于这样的带状区域的站点布局需要兼顾整体规划与部分区域合理布局，是一个极大的挑战。目前，国内还未有类似的大面积带状区域的北斗的地基增强系统建设。

由于长江水流湍急和航道繁忙等，定位导航的失效，极大地增加了船舶搁浅，碰撞等事故的发生机率，所以对实时定位导航的可靠性，可用性和连续性有极强的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种覆盖长江干线的北斗地基增强系统及构建方法，以ais实时广播北斗差分信号的增强系统，并对播发差分数据的完好性进行实时监测监控，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种覆盖长江干线的北斗地基增强系统，包括基准站子系统、播发站子系统、完好性监测子系统、数据处理子系统、设备监控子系统、网络传输子系统以及支持保障子系统，其中，

基准站子系统由多个基准站构成，用于原始数据观测并记录；

播发站子系统由多个播发站构成，用于北斗差分数据播发和船舶rtd定位服务；

完好性监测子系统由多个监测站构成，用于检测信息可靠性和及时预警；

数据处理子系统由一个数据中心和一个用户服务终端组成，负责整个系统的运行控制，接收并处理所有基准站点数据，控制播发站数据广播，对用户提供多种方式的服务；

设备监控子系统能够对基准站设备和网络进行远程管理，监测基准站接收机、监测站接收机、ups、空调等设备的完好性，监控管理网络的运行状态；

网络传输子系统为整个系统实现数据交换和信息交换的纽带，也是实现系统状态监视和运行控制指令下达的基本保证，其作用是实现基准站与数据控制处理中心、用户子系统之间的数据和信息传递；

支持保障子系统为系统正常运行所必须的环境提供保障。

进一步地，所述基准站子系统由若干个永久运行的基准站组成，每个基准站建立本地局域网，通过路由器设备与通信终端连接，并通过专网发送数据至数据中心。

进一步地，所述播发站子系统依托internet公网以及3g/4g播发网络为网络运营商服务。

进一步地，所述完好性监测子系统负责对各基准站网络的数据完整性监测，对北斗地基增强系统的总体有效性监测，广播服务可用性和整网精度评估进行评估。

进一步地，所述数据处理子系统的软件功能包括数据接收和管理、数据处理存储、站点管理、系统运行监控、数据服务、统计分析，数据处理子系统软件通过标准的通信协议连接基准站，收集基准站和监测站的原始观测数据，并进行解码和质量检查，将其转换为标准的数据格式，分类存储和备份。

进一步地，所述设备监控子系统由监控软件、服务器和监控终端组成。

进一步地，所述支持保障子系统包括电源设备、空调及消防设备、防雷接地设备。

本发明提供另一种技术方案：一种覆盖长江干线的北斗地基增强系统的构建方法，包括如下步骤：

步骤1：各基准站组成的cors网络将原始观测数据传输至数据处理中心，同时监测站也会将信息传回数据中心；

步骤2：数据中心根据各基站gnss原始观测数据，数据完好性监测和处理分析后，建立基站网络的大气模型，包括电离层、对流层模型；

步骤3：每个ais播发站模拟高精度定位用户向中心申请数据，数据中心经过rtk网络解算生成差分数据，传输至ais管理中心；

步骤4：ais管理中心按照ais系统的17号报文格式进行数据转换和设置播发频率，然后传输至ais系统中心；

步骤5：ais系统中心将北斗地基增强数据以17号报文的形式进行广播，同时监测站进行广播服务可用性和精度进行评估，并回传数据中心。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明覆盖长江干线的北斗地基增强系统及构建方法，原始数据观测并记录，构建长江干线区域合理分布的基准站网络，获取对北斗卫星数据信息的观测数据，通过连续不间断的观测数据的记录，获得一定时间内数据偏差观测信息，为消除电离层、对流层对卫星信号的干扰提供基础数据。

2、本发明覆盖长江干线的北斗地基增强系统及构建方法，基准站网数据解算，基准站到数据中心的实时传输并对各站点的数据进行质量检查、冗余备份检查；存储不同采样间隔和不同时段的北斗原始观测数据；对接入系统的基准站数据进行同步并建立电离层、对流层模型；解算gnss星座的轨道误差、时钟误差、大气影响、多径效应及其他误差数据；构建ais播发站，为长江内河航行船舶提供北斗差分定位服务，通过专网或公网，提供rtk数据服，为长江内河航行船舶提供北斗差分定位服务。

3、本发明覆盖长江干线的北斗地基增强系统及构建方法，用户服务及信息播发，利用长江干线已建的ais岸基网络，通过报文格式将各站点差分改正数据信息对外播发，重点为船舶用户提供导航服务；利用3g/4g、gprs等无线通讯及专网、公共网等有线通讯方式，向相关用户提供实时的网络载波相位差分服务；通过数据中心的用户管理系统，可进行账户控制；利用internet向各类用户提供基准站原始观测数据下载服务，实现事后精密相对定位；为测绘、水利、环保等其他用户提供提供数据服务，可为用户提供扩展的二次开发的数据接口，满足不同层次的需求。

4、本发明覆盖长江干线的北斗地基增强系统及构建方法，系统完好性监测，系统能够监测为用户提供正确定位信息的可信度，当地基增强系统不可靠时，具有及时报警的能力。

附图说明

图1为本发明覆盖长江干线的北斗地基增强系统的系统拓扑图；

图2为本发明覆盖长江干线的北斗地基增强系统的完好性监测数据流程图；

图3为本发明覆盖长江干线的北斗地基增强系统的数据处理中心工作内容图；

图4为本发明覆盖长江干线的北斗地基增强系统的数据处理中心解算流程示意图；

图5为本发明覆盖长江干线的北斗地基增强系统的rtk服务解算流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种覆盖长江干线的北斗地基增强系统，包括基准站子系统、播发站子系统、完好性监测子系统、数据处理子系统、设备监控子系统、网络传输子系统以及支持保障子系统，系统拓扑如图1，其中：

一、基准站子系统

基准站子系统由若干个永久运行的基准站组成，用于原始数据观测并记录，利用长江干线区域合理分布的基准站网络，获取对北斗卫星数据信息的观测数据，通过连续不间断的观测数据的记录，获得一定时间内数据偏差观测信息，为消除电离层、对流层对卫星信号的干扰提供基础数据。每个基准站建立本地局域网，通过路由器等设备与通信终端连接，并通过专网发送数据至数据中心；基准站子系统是本系统的数据源，将观测和采集卫星导航的原始数据传输至数据处理中心，并接受来自数据处理中心的指令控制；数据处理中心负责整个系统的运行控制，接收并处理所有基准站点数据，控制播发站数据广播，对用户提供多种方式的服务。

基准站子系统的数据类型如下表1：

表1：基准站子系统数据类型

基准站子系统的功能实现包括：

(1)基站数据收集、上传

基准站能够将观测数据进行接收，并上传至数据处理中心。显示基准站实时状态包括卫星数、pdop、卫星天空分布图、卫星信噪比等详细信息。各基准站能够以设定的时间间隔将观测数据实时传输给数据处理中心。

(2)数据存储、提取

各基准站静态数据以rinex等格式传输到服务器上统一存储和管理，包括各基站不同时间段静态数据文件打包、存储、备份等。在数据提取方面，用户可以根据需求提取任意时段任意采样间隔rinex格式原始观测数据。

(3)数据质量分析

对所观测到的原始观测数据进行检核，主要检核指标包括数据完整性检核、多路径影响、周跳等主要指标，支持bds+gps+gloass三星数据质量分析，并可以为连续运行基准站网正常运行提供重要参考数据。该工作可以在基准站或者数据处理中心完成。

(4)远程控制

基准站接受来自数据处理中心的指令控制，通过设置不同用户级别权限，实现对基站接收机的不同操作，可对基站接收机进行远程固件升级、配置、注册、重启及数据下载。支持基站站底图加载，直观显示站点位置分布。

二、播发站子系统

播发站子系统由多个播发站构成，依托internet公网以及3g/4g播发网络为网络运营商服务，本系统负责提供数据接口。依托ais系统播发差分增强(dgnss)数据主要包括增强数据的采集和处理、ais系统的播发两部分内容。

dgnss数据的采集和处理在北斗数据管理中心实现，由北斗数据管理中心统一接收全辖区的北斗基准站的地基增强数据，并推送至位于ais数据中心，在对该数据按照ais系统的数据接口格式进行处理，由ais数据中心实现对全辖区基站的播发。

播发站子系统的功能实现包括：

ais播发子系统是本系统的播发核心，ais播发子系统软件的主要功能包括北斗ais接口转换和ais北斗播发模块等。通过数据处理子系统将北斗地基增强数据按照ais系统的17号报文格式进行数据转换，然后传输至ais系统中心，由ais系统中心通过ais播发子系统软件将北斗地基增强数据以17号报文的形式进行广播。

(1)差分数据生成

每个ais站点模拟高精度定位用户向中心申请数据，数据中心经过rtk网络解算生成差分数据，该差分数据支持rtcm2.x、rtcm3.x双协议，向数据格式转换服务器传输数据。

(2)数据格式转换

负责北斗地基增强数据的数据转换。可将北斗地基增强数据按照ais系统17号报文的播发格式进行转换。同时具备可对转换格式进行调整、修复和删除的功能。数据转换功能要求如下：

数据转换：能够将差分增强数据产品按照播发标准接口协议进行数据包封装。

数据传输：能够调制封装后的差分增强数据信息传输至ais中心服务器上。

该功能的实现应有ais北斗增强信号播发标准及终端技术协议标准作为支撑。

现阶段重点实现北斗、gps地基增强数据的播发，预留glonass播发的能力。

(3)ais数据播发

负责ais系统17号报文的播发。ais中心可从长江干线北斗地基增强数据中心和基准站实时接收差分增强数据产品，并将格式转换后的北斗地基增强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。ais数据播发功能要求如下：

数据接收：能够从长江干线北斗地基增强数据中心实时接收差分增强数据产品，主要支持导航差分信号的播发。

数据分发：能够将格式转换后的北斗地基增强数据分发至指定或全部的ais基站。

数据播发：能够将调制后的差分增强数据信息进行单向播发。

三、完好性监测子系统

完好性监测子系统负责对各基准站网络的数据完整性监测，对北斗地基增强系统的总体有效性监测，广播服务可用性和整网精度评估进行评估。

完好性监测子系统由多个监测站构成，用于检测信息可靠性和及时预警。

监测站数据类型如下表2：

表2：监测站数据类型

完好性监测子系统的功能实现包括：

完好性监测报警分为2部分，一是能够对基准站和监测站接收的卫星观测数据信息进行分析，包括数据质量、卫星星历监测、钟跳等完好性信息；二是数据处理中心能够同时收集监测站的差分解算位置数据，包括ais接收差分解算位置数据和rtk解算位置数据两组，与中心存储的监测站精准位置数据进行比对，对验证位置数据是否符合相关精度要求进行复核，若超出精度范围的，系统给出报警，并将报警结果输出给系统监控终端。

系统报警后，应自动停止播发北斗差分数据信息，并提示管理人员进行检查及故障排除。用户终端可以通过解析rtcm或ais北斗增强终端协议等获取完好性相关信息，完好性监测数据流程如图2。

四、数据处理子系统

数据处理子系统由一个数据中心和一个用户服务终端组成，负责整个系统的运行控制，接收并处理所有基准站点数据，控制播发站数据广播，对用户提供多种方式的服务。数据处理子系统将准站子系统的原始观测数据进行处理分析，构建gnss误差模型，生成对应播发站的差分信息，传输给播发站子系统，进行格式转换与分发播发。数据处理子系统能够接收、整理、储存、备份基准站和监测站原始观测数据、广播星历、气象观测数据等，经过数据处理和分析进行源数据、站信息、卫星星历、地球动力学参数等数据准备，完成格式转换、粗差探测、周跳修复等预处理，进行基线解算和网平差等工作，生成差分增强数据服务，为各类数据播发分系统提供数据输入，同时具备对外授时功能，数据处理中心工作内容如图3。

数据处理子系统的功能实现包括：

数据处理子系统是整个服务系统的核心，数据处理子系统软件的主要功能包括：数据接收和管理、数据处理存储、站点管理、系统运行监控、数据服务、统计分析等。一般的，数据处理子系统软件通过标准的通信协议连接基准站，收集基准站和监测站的原始观测数据，并进行解码和质量检查，将其转换为标准的数据格式，分类存储和备份，数据处理中心解算流程示意如图4。

1数据接收和管理

负责基准站、监测站数据的接收、分发。可以接收主流品牌cors接收机的原始数据，显示基准站实时状态包括卫星数、pdop、卫星天空分布图、卫星信噪比等详细信息，显示各基站观测gnss卫星状况、星历、历元状况。同时还会检测原始观测数据的完好性，并对坏的数据进行修复和剔除，具备基站数据异常报警。同时可以对基站进行远程控制，可通过设置不同用户级别权限，实现对基站接收机的不同操作，可对基站接收机进行远程固件升级、配置、注册、重启及数据下载。支持基站站底图加载，直观显示站点位置分布。

2数据质量分析

基准站坐标框架维持。

(1)基准站坐标框架维持：基准站坐标长期受地理环境影响，存在一定偏移，对基准站坐标框架进行维持修正。

(2)基准站坐标转换：可以实现空间直角坐标与大地坐标转换。

(3)基准站坐标添加、编辑、删除等功能。

基准站数据质量监控。

能够按照一定时间间隔(准实时、每小时、每天、每月、每年)对基准站数据质量进行监控、分析和统计，评估基准站数据质量好坏，具体包括：

(1)基准站数据完整性分析；

(2)基准站数据多路径分析；

(3)电离层和对流层变化分析；

(4)基准站接收信噪比分析。

3数据处理存储

将各基准站、监测站静态数据以统一格式传输到服务器上统一存储和管理，包括各基站不同时间段静态数据文件打包、存储、备份等。

4站点管理

可对使用系统的管理者账号进行新建、删除、编辑、查询等操作。账号信息包含用户的单位、姓名、身份证、手机号、昵称、密码、建立时间等信息；账号编辑可以对用户的昵称、密码、单位等信息进行编辑。根据不同的使用者，系统可以对账号进行角色管理。不同的角色可以授予不同的权限，如可操作权限或仅可浏览权限，可使用系统多少功能的权限；账号再与角色进行绑定，达到控制效果。可对账号的单位信息进行新建、删除、编辑、查询等操作，方便后续的检索、统计。可对管理员的上线、下线时间进行记录、查看，对管理员的操作行为进行记录，防止因不当操作造成损失。

可对ais基站数据和cors基准站和监测站数据进行管理，对ais基站基本信息进行新建、删除、编辑、查询等操作，方便后续的检索、统计。ais基站基础数据信息主要包括：基站名称，mmsi，地理位置(经纬度)，理论覆盖范围，建设单位，具体地址，运行日期，ip地址及端口，播发电文类型，频率，波特率，说明等。对cors基准站和监测站基本信息进行新建、删除、编辑、查询等操作，方便后续的检索、统计。

5数据服务

(1)用户服务

对各基准站采集至中心的数据进行质量分析和评价，软件利用改进的参考站间高程差异大的内插模型，从部北斗资源中心获取必要数据建立整网的对流层延迟、电离层延迟等误差模型，计算不同产品的地基增强信息，生成统一的差分数据格式产品，按照国家的有关规定向相关航运部门提供长江干线北斗基准站的原始观测数据和相关服务。

数据处理子系统提供的服务方式有两种，包括：

①实时广播模式

利用ais播发台站向周边用户连续播发差分数据信息，用户可通过ais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。本工程利用长江干线已建ais系统对北斗增强信息进行播发，由于每个ais播发站的位置是确定的，需将ais播发站作为虚拟北斗差分基站，因此数据中心需按照每个ais播发台站的位置解算出相应的差分数据，推送至ais控制(播发)系统中进行播发。

②用户交互模式

用户交互模式主要指网络rtk技术。利用基准站网的伪距和相位观测值，生成伪距和相位精密改正信息，用户流动站利用改正信息分别改正伪距和相位观测值，然后利用改正后的观测值进行相对定位，定位精度可以达到厘米级。与伪距差分不同，网络rtk技术同时采用伪距和相位观测值进行定位，其定位精度较高，但是引入相位观测值也导致数据处理过程更加复杂，主要体现在相位整周模糊度的确定上。考虑到子网服务(划分子区域)的模式仍会存在子网衔接与不同子网间的切换问题，因此建议采用整网统一处理模式，将基准站网的观测数据汇集到数据中心进行整网处理，能够提供覆盖整个长江干线的统一的差分服务，rtk服务解算流程示意如图5。

为提供以上服务，须建设用户交互服务系统，主要开发以下功能：

用户管理功能：能够对交通运输行业高精度用户进行注册、登记、审核和认证，并对用户信息进行管理。

信息发布功能：能够发布基准站网运行状态信息、增强服务信息等。

根据需求，该服务系统的主要技术指标应满足：用户注册量≥1000万；关键帧时间≤5秒；用户信息交换协议：《交通运输卫星导航增强应用系统第3部分：位置信息交换与共享》。

(2)系统授时

中心通过接收基准站的数据，获取到卫星不间断发送的自身的星历参数和时间信息，数据处理软件对接收到这些信息进行处理，经过计算求出接收机的北斗卫星系统授时的时间信息。数据处理中心通过网络向各用户提供授时服务。用户也可以通过终端获得授时，配置支持地基增强的用户终端即可。

6用户位置管理及显示

对于系统中采用用户交互模式实现数据播发的用户，数据处理中心应能够显示实时在线用户所处的位置，并能够叠加在地图上进行实时显示。具备筛选功能，根据用户类别，实时显示某一类用户的即时位置信息，同时包括速度、航向等。地图由相关机构提供。

7统计分析

基准站在线统计：能够按照一定时间间隔，对基准站在线时间进行统计。基准站数据质量统计：能够按照一定时间间隔，对基准站数据完整性、多路径影响、周跳和载噪比等指标进行统计。基准站分布统计：按照省份、行业等维度划分，对基准站数量进行统计。基准站数据分发统计：按照省份、行业或者用户等维度，对基准站数据分发时间、数据流量等信息进行统计。

五、设备监控子系统

设备监控子系统能够对基准站设备和网络进行远程管理，监测基准站接收机、监测站接收机、ups、空调等设备的完好性，监控管理网络的运行状态，由监控软件、服务器和监控终端组成。

六、网络传输子系统

网络传输子系统为整个系统实现数据交换和信息交换的纽带，也是实现系统状态监视和运行控制指令下达的基本保证，其作用是实现基准站与数据控制处理中心、用户子系统之间的数据和信息传递。

七、支持保障子系统

支持保障子系统为系统正常运行所必须的环境提供保障，主要包括电源设备、空调及消防设备、防雷接地设备等。

基于上述的覆盖长江干线的北斗地基增强系统，现提出一种覆盖长江干线的北斗地基增强系统的构建方法，包括如下步骤：

步骤1：各基准站组成的cors网络将原始观测数据传输至数据处理中心，同时监测站也会将信息传回数据中心；

步骤2：数据中心根据各基站gnss原始观测数据，数据完好性监测和处理分析后，建立基站网络的大气模型，包括电离层、对流层模型；

步骤3：每个ais播发站模拟高精度定位用户向中心申请数据，数据中心经过rtk网络解算生成差分数据，传输至ais管理中心；

步骤4：ais管理中心按照ais系统的17号报文格式进行数据转换和设置播发频率，然后传输至ais系统中心；

步骤5：ais系统中心将北斗地基增强数据以17号报文的形式进行广播，同时监测站进行广播服务可用性和精度进行评估，并回传数据中心。

本系统在长江带状区域的站点布局如下：

1组网方式

目前市场主流设备性能情况，要达到实时厘米级的精度，单基站站点间距为15～30km左右，三角形组网以30～50km为宜。根据实测，三角组网的方式能够显著提高三角组网中心地带的定位精度，三角组网在角度不小于30度的类等边三角形情况下性能最优。参考已建地基增强网的情况，在站间距60km左右时，采用伪距差分技术可以满足普通用户亚米级的定位精度；在站间距30～50km左右时，采用网络rtk技术可以实现相邻站点之间厘米级的定位精度。

2站点布局

长江流域呈长距离带状分布，江面平均宽度1.5km～2km，在长江流向弯曲的地带，依托沿江站点可以达到类等边三角形布局结构；在长江流向较为平直的区域，单纯依托沿江站点难以达到类等边三角形布局，受自然环境和建设条件落实困难等因素影响，部分区域难以实现理想的三角组网形状，并可能导致组网受到影响。为尽量避免该问题，设计报告采取①在距岸较远新建基准站，和沿江站点构成三角形布局；②加密站点，采用更短的站间距来拟补网型的不足。通过上述方法，确保大部分主航道处于三角形及三角形各边15km范围内。

综上所述：本发明覆盖长江干线的北斗地基增强系统及构建方法，原始数据观测并记录，构建长江干线区域合理分布的基准站网络，获取对北斗卫星数据信息的观测数据，通过连续不间断的观测数据的记录，获得一定时间内数据偏差观测信息，为消除电离层、对流层对卫星信号的干扰提供基础数据。基准站网数据解算，基准站到数据中心的实时传输并对各站点的数据进行质量检查、冗余备份检查；存储不同采样间隔和不同时段的北斗原始观测数据；对接入系统的基准站数据进行同步并建立电离层、对流层模型；解算gnss星座的轨道误差、时钟误差、大气影响、多径效应及其他误差数据；构建ais播发站，为长江内河航行船舶提供北斗差分定位服务，通过专网或公网，提供rtk数据服，为长江内河航行船舶提供北斗差分定位服务。用户服务及信息播发，利用长江干线已建的ais岸基网络，通过报文格式将各站点差分改正数据信息对外播发，重点为船舶用户提供导航服务；利用3g/4g、gprs等无线通讯及专网、公共网等有线通讯方式，向相关用户提供实时的网络载波相位差分服务；通过数据中心的用户管理系统，可进行账户控制；利用internet向各类用户提供基准站原始观测数据下载服务，实现事后精密相对定位；为测绘、水利、环保等其他用户提供提供数据服务，可为用户提供扩展的二次开发的数据接口，满足不同层次的需求。系统完好性监测，系统能够监测为用户提供正确定位信息的可信度，当地基增强系统不可靠时，具有及时报警的能力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。