一种用于构建北斗AIS差分数据播发系统及方法与流程

本发明涉及到一种卫星导航系统差分定位，特别涉及一种用于构建北斗ais差分数据播发系统及方法。

背景技术：

卫星导航系统差分定位在船舶定位导航应用领域，对卫星导航系统差分数据(dgnss)的连续性和实时性有较高要求，主要采用实时免费广播播发方式。目前，北斗差分数据播发在船舶导航服务应用中，我国只有采用中频无线电广播方式(rbn)，主要分布在沿海区域。目前，还未有ais播发北斗差分数据系统的构建。

rbn播发存在对船舶终端配备要求高，成本较高，服务可覆盖的船舶类型范围较窄的问题。尤其如长江、珠江这类内河，属于国际航道，但涵盖a、b、c三个航区，存在船舶种类繁多，吨位大小不一，营运航区差异较大，船舶设备配置和执行标准各异的情况，ais终端的强制配备标准的覆盖面更广，成本也较低，利于推广。

rbn播发比较适合沿海区域。对于内河航道，狭水道这类船只密度大，水域宽度较窄(一般1-2km宽)的航道，是船舶事故的易发和高发区，需要通过提高基站站点的密度来弥补对定位精度和实时性的特殊要求。显然，相比对ais播发覆盖范围30nm-50nm，rbn的播发覆盖范围300nm，rbn基站的成本更高，小范围内高密度站点的建设不太经济和可行，同时在覆盖范围的边缘区域，其存在提供的差分数据的准确率误差和实时率误差较大的问题，不利于航行安全的提升，更适合在沿海区域的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于构建北斗ais差分数据播发系统及方法，具有覆盖船舶吨位范围更广，尤其适合于内河、狭水道等区域的北斗差分数据播发系统优点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于构建北斗ais差分数据播发系统，包括卫星基站模块、数据中心模块、ais管理模块、ais播发站模块和北斗ais终端模块。

其中，所述的卫星基站模块通过对卫星信号捕获、跟踪，观测采集卫星导航的原始数据，并传输到数据中心模块；

所述的数据中心模块接收并处理基准站点数据，建立误差模型，生成ais播发站差分数据；

所述的ais管理模块监控管理各个ais播发站和分发差分数据；

所述的ais播发站模块完成格式转换与播发，解析差分电文并封装成17号报文，并进行广播播发；

所述的北斗ais终端模块用于接收17号电文后、进行数据解析，并封装成rtcm差分电文，通过串后发送给定位接收模块，实现差分定位。

进一步地，卫星基站模块包括北斗地基增强接收机和专网，北斗地基增强接收机接收bd天线的数据后传输至专网，数据中心模块包括专网和数据服务器，北斗地基增强接收机的专网将原始的测量发送到数据中心模块的专网，原始的测量输入数据服务器建立的误差模型，生产的差分数据回传自身模块的专网内，并将rtd差分数据传输到ais管理模块内的专网，ais管理模块监控差分数据后发送到ais播发站模块，ais播发站模块解析差分电文并封装成17号报文并通过ais天线以特定的频率播放，北斗ais终端模块接收17号报文将差分数据发送给安装有北斗定位的船载终端。

进一步地，卫星基站模块的各基准站能够实时采集bds星座公开频点信号的载噪比、码伪距、载波相位、多普勒、导航电文数据，以设定的时间间隔将观测数据实时传输给数据中心模块，同时具有数据整理与存储备份功能，能够对观测数据进行整理、本地归档和存储，原始二进制数据保留至少30天。

进一步地，数据中心模块每个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，传输给ais管理模块。

进一步地，ais播发站模块实现北斗地基增强数据的数据转换与播发,可将北斗地基增强数据按照播发标准接口协议进行数据封装，再将调制封装后的差分增强数据信息进行播发,同时具备可对转换格式进行调整、修复和删除的,作为ais北斗增强信号播发标准及终端技术协议标准作为支撑。

进一步地，ais播发站模块进行数据格式转换，再按照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船台进行数据接收与解析，将解析后的差分信息传输到定位模块，对自身定位数据进行修正。

本发明提供另一技术方案，一种用于构建北斗ais差分数据播发系统及方法，包括以下步骤：

s1：bds卫星基站模块将原始观测数据通过专网传输至数据中心模块，数据中心模块根据各卫星基站模块的gnss原始观测数据建立基站网络的大气模型，包括电离层、对流层模型等误差模型；

s2：ais播发站模块模拟高精度定位用户向中心申请数据，数据中心模块经过rtk网络解算生成差分数据，传输至ais管理模块；

s3：ais管理模块将差分数据分发到相应ais播发站模块，ais播发站模块解析rtcm差分电文，并封装成ais17号报文格式，向周围水域进行实时广播；

s4：附近水域的北斗ais终端模块通过天线接收到广播的差分电文后，进行dgnss电文的解析和rtcm电文的封装，然后dgnss接收机通过串口接收到ais信道恢复出来的rtcm差分数据，经内部处理实现伪距差分定位功能。

进一步地，针对步骤s3，播发内容是以17号报文的格式播发差分全球卫星导航系统数据，固定电文41用于播发北斗差分数据，可选电文1用于播发gps差分数据，播发格式符合bd410002—2015中第4部分“电文内容和数据格式”中对数据格式的定义，播发前需先将接收到的rtcm格式电文打包成ais17号报文，再进行播发；播发频度上，gnss动态差分定位的解算频率取决于接收到的卫星历元的数量和频率，对包含gnss差分改正数的电文数据的播发需要尽可能频繁，对于包含其他参数和信息的电文数据的播发频率则可根据需要而定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本用于构建北斗ais差分数据播发系统及方法，bds卫星基站模块将原始观测数据通过专网传输至数据中心模块，数据中心模块根据各卫星基站模块的gnss原始观测数据建立基站网络的大气模型，包括电离层、对流层模型等误差模型，ais播发站模块模拟高精度定位用户向中心申请数据，数据中心模块经过rtk网络解算生成差分数据，传输至ais管理模块，ais管理模块将差分数据分发到相应ais播发站模块，ais播发站模块解析rtcm差分电文，并封装成ais号报文格式，向周围水域进行实时广播，附近水域的北斗ais终端模块通过天线接收到广播的差分电文后，进行dgnss电文的解析和rtcm电文的封装，然后dgnss接收机通过串口接收到ais信道恢复出来的rtcm差分数据，经内部处理实现伪距差分定位功能。

附图说明

图1为本发明的系统总体框架；

图2为本发明的卫星时隙播发图；

图3为本发明的北斗ais差分数据的播发实现流程；

图4为本发明的北斗ais差分数据的接收实现流程。

图中：1、卫星基站模块；2、数据中心模块；3、ais管理模块；4、ais播发站模块；5、北斗ais终端模块。

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。

请参阅图1，一种用于构建北斗ais差分数据播发系统，其特征在于，包括卫星基站模块1、数据中心模块2、ais管理模块3、ais播发站模块4和北斗ais终端模块5。

请参阅图2，根据iala建议，单个卫星系统最大可见星数一般不超过15颗，应分配3个时隙，每间隔15s发送数据，每个通道1帧(60s)发送两次，共占用12个时隙的发送策略，其中，卫星基站模块1通过对卫星信号捕获、跟踪，观测采集卫星导航的原始数据，并传输到数据中心模块2，卫星基站模块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；

数据中心模块2接收并处理基准站点数据，建立误差模型，生成ais播发站差分数据，实时接收和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；

ais管理模块3监控管理各个ais播发站和分发差分数据；

ais播发站模块4完成格式转换与播发，解析差分电文并封装成17号报文，并进行广播播发，接收北斗差分电文，进行解析，并按照播发标准接口协议将差分电文封装成17号报文格式进行广播；

北斗ais终端模块5用于接收17号电文后、进行数据解析，并封装成rtcm差分电文，通过串后发送给定位接收模块，实现差分定位。

卫星基站模块1包括北斗地基增强接收机和专网，北斗地基增强接收机接收bd天线的数据后传输至专网，数据中心模块2包括专网和数据服务器，北斗地基增强接收机的专网将原始的测量发送到数据中心模块2的专网，原始的测量输入数据服务器建立的误差模型，生产的差分数据回传自身模块的专网内，并将rtd差分数据传输到ais管理模块3内的专网，ais管理模块3监控差分数据后发送到ais播发站模块4，ais播发站模块4解析差分电文并封装成17号报文并通过ais天线以特定的频率播放，北斗ais终端模块5接收17号报文将差分数据发送给安装有北斗定位的船载终端。

卫星基站模块1的各基准站能够实时采集bds星座公开频点信号的载噪比、码伪距、载波相位、多普勒、导航电文数据，以设定的时间间隔将观测数据实时传输给数据中心模块2，同时具有数据整理与存储备份功能，能够对观测数据进行整理、本地归档和存储，原始二进制数据保留至少30天。

数据中心模块2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，传输给ais管理模块3。

ais播发站模块4实现北斗地基增强数据的数据转换与播发,可将北斗地基增强数据按照播发标准接口协议进行数据封装，再将调制封装后的差分增强数据信息进行播发,同时具备可对转换格式进行调整、修复和删除的,作为ais北斗增强信号播发标准及终端技术协议标准作为支撑。

ais播发站模块4进行数据格式转换，再按照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船台进行数据接收与解析，将解析后的差分信息传输到定位模块，对自身定位数据进行修正。

请参阅图3-4，一种用于构建北斗ais差分数据播发系统及方法，包括以下步骤：

步骤一：bds卫星基站模块1将原始观测数据通过专网传输至数据中心模块2，数据中心模块2根据各卫星基站模块1的gnss原始观测数据建立基站网络的大气模型，包括电离层、对流层模型等误差模型；

步骤二：ais播发站模块4模拟高精度定位用户向中心申请数据，数据中心模块2经过rtk网络解算生成差分数据，传输至ais管理模块3；

步骤三：ais管理模块3将差分数据分发到相应ais播发站模块4，ais播发站模块4解析rtcm差分电文，并封装成ais17号报文格式，向周围水域进行实时广播，播发内容是以17号报文的格式播发差分全球卫星导航系统数据，固定电文41用于播发北斗差分数据，可选电文1用于播发gps差分数据，播发格式符合bd410002—2015中第4部分“电文内容和数据格式”中对数据格式的定义，播发前需先将接收到的rtcm格式电文打包成ais17号报文，再进行播发；播发频度上，gnss动态差分定位的解算频率取决于接收到的卫星历元的数量和频率，对包含gnss差分改正数的电文数据的播发需要尽可能频繁，对于包含其他参数和信息的电文数据的播发频率则可根据需要而定；

步骤四：附近水域的北斗ais终端模块5通过天线接收到广播的差分电文后，进行dgnss电文的解析和rtcm电文的封装，然后dgnss接收机通过串口接收到ais信道恢复出来的rtcm差分数据，经内部处理实现伪距差分定位功能。

实施例一：

播发内容ais报文格式和差分改正数据格式

表117号报文格式

表2rtcm差分改正数据格式

实施例二：

信道接入采用fatdma方案，用于静态分配，仅用于基站报告，预先声明并且固定的传送计划，避免使用己经被分配的时隙，在ais信号重叠区域内，需将相邻基站的播发时隙错开，避免时隙冲突，在紧急情况下可使用ratdma方案，广播高时效性紧急电文，但应尽量避免使用。

实施例三：

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。本设计根据长江干线水域船舶交通量情况，对系统监测容量进行概算分析。

在iala的建议案itu-rm1371修订草案中对各种情况下处于不同运动状态的运输船舶的报告率做了如下规定：

表3各类信息的报告间隔

表4a类船载移动设备报告间隔

根据ais相关资料，ais系统一个信道对单一运动状态船舶的最大容量情况如表5所示。

表5ais系统一个信道可容纳某运动状态船舶的最大容量

(注：该表给出的是系统可以容纳某单一运动状态船舶的理论最大容量，是理想情况下的数据。)

而事实上，船舶的运动状态是多样的，因此其信息更新周期也各不一样。将船舶的运动状态按表3分为8类(i＝l,2，…，8)，即共有8种船舶运动状态。各种运动状态船舶的总容量如表6所示。

表6可容纳所有各种运动状态船舶的总容量

上表中的数据是系统在满足正常工作条件下，且较为符合长江干线水域船舶状态的实际情况，一个信道可容纳的船舶数量为407艘。若系统工作在两个信道上，则船舶容量会翻倍。由于b类船舶的信息播发间隔大于a类船舶，如果换成b类ais船台设备，每个信道可容纳的船舶数量将更大。经初步概算，每个信道可容纳的b类船舶数量不低于1000艘。

当长江干线北斗地基增强信息以ais17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(15s)计算，17号报文每分钟共占28个时隙，按比例计算，即：28/2250(单通道总时隙数)＝1.25％，大致相当于5艘船舶的信道容量。因此，采用17号报文播发北斗地基增强信息不会占用太多的原有ais系统的信道容量。

根据ais和北斗地基数据设备的相关要求，播发北斗数据频率在2s—30s以内是可以接受的，考虑到时效性及信道占用率，本系统建议播发频率为15s

综上所述，本发明一种用于构建北斗ais差分数据播发系统及方法，bds卫星基站模块1将原始观测数据通过专网传输至数据中心模块2，数据中心模块2根据各卫星基站模块1的gnss原始观测数据建立基站网络的大气模型，包括电离层、对流层模型等误差模型，ais播发站模块4模拟高精度定位用户向中心申请数据，数据中心模块2经过rtk网络解算生成差分数据，传输至ais管理模块3，ais管理模块3将差分数据分发到相应ais播发站模块4，ais播发站模块4解析rtcm差分电文，并封装成ais17号报文格式，向周围水域进行实时广播，附近水域的北斗ais终端模块5通过天线接收到广播的差分电文后，进行dgnss电文的解析和rtcm电文的封装，然后dgnss接收机通过串口接收到ais信道恢复出来的rtcm差分数据，经内部处理实现伪距差分定位功能。

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。