北斗沿海差分播发研究
王成
摘要：随着我国北斗卫星导航系统建设完善，交通运输部海事局一直积极推动其在海事中的应用。基于航海无线电指向标的差分北斗增强系统是北斗应用的一种重要形式，北海航海保障中心天津航测科技中心设计研发了航海无线电指向标差分北斗和差分GPS的兼容系统，并进行了相关应用测试，系统的建成运行将为需要高精度定位导航的航海船舶提供一种新的选择，也对我国北斗卫星导航系统的国际海事标准化具有积极的促进作用。
关键词：航海无线电指向标 差分北斗 RBN-（DBDS+DGPS）
○ 引言
北斗卫星导航系统作为中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，2012年12月起已覆盖亚太，具备定位、导航、授时以及短报文通信服务能力。目前，我国正在加紧北斗系统的建设，按照系统发展规划，到2020年左右将覆盖全球。
为推动北斗的全球应用发展，在海事应用方面，2013年，中国卫星导航系统管理办公室委托交通运输部海事局牵头启动了北斗国际海事标准化专项，旨在推动北斗卫星导航系统在国际航海中的应用，使其成为全球无线电导航系统（WWRNS）的组成部分，进而形成北斗国际海事应用的标准。
沿海差分服务是北斗系统海事应用的一种重要形式，和现有的RBN-DGPS系统类似，其通过在现有的航海无线电指向标（RBN）载频上（283.5～325.0kHz）播发北斗系统的差分改正信息，用户接收机通过接收此信息作误差修正，从而大大提高定位精度。
由于目前北斗差分应用的相关标准尚未出台，国内外也没有相关专业设备及配套软件，为此，北海航海保障中心从2013年开始进行了相关研究并进行了播发试验，取得了一些积极的成果。
1 RBN-DGPS系统
航海无线电指向标差分全球定位系统（RBN-DGPS）是国际海事组织（IMO）认可的一种全球无线电导航系统（WWRNS）的组成部分，在沿海水域能大大提高船舶的定位精度，在全球范围内获得了广泛应用。其是利用航海无线电指向标播发台播发DGPS修正信息，向用户提供高精度服务的助航系统，属单站伪距差分。其原理如图1所示。
图1 RBN-DGPS系统原理
RBN-DGPS系统主要由基准台、播发台、完善性监控台和监控中心组成。
（3）完善性监控台
完善性监控台由导航GPS接收机、指向标接收机和完善性监控计算机组成。其功能为：监测GPS系统的完善性和播发的差分修正值的正确性，监控基准台；计算并登录系统运行数据的统计结果。
（4）监控中心
监控中心的功能是监测、控制各RBN-DGPS站的工作。
目前，中国RBN-DGPS台站监控中心尚未建设。RBN-DGPS台站的设备主要有以下几部分组成：两台MX9400R基准台、两个MX-50M指向标调制器、一个MX9400N导航仪、一个MX-51R指向标接收机、一个运行完善性监测（IM）程序的PC机和两个指向标发射机。
2 RBN-（DBDS+DBDS）系统设计
由于现有的RBN-DGPS系统基于国际海运事业无线电技术委员会104特委会（RTCM-SC104）制定的GNSS差分信号格式以及完善性监测（RSIM）标准，而北斗系统尚无差分应用的相关标准及设备可用。考虑到不能对现有RBN-DGPS用户产生影响，北斗沿海差分服务必须在现有台站的基础上进行，且需完全兼容现有的RBN-DGPS系统。设计的播发框图如图2所示：
图2 RBN-（DBDS+DGPS）播发框图
RBN-（DBDS+DGPS）系统设计主要包括北斗差分生成软件的研发以及航海无线电指向标差分北斗设备的研制。
2.1 北斗差分生成软件研发
北斗差分生成软件包括的功能如下：
○实时获取基准站接收机的北斗/GPS伪距、载波相位原始观测数据和星历数据，并进行解码；
○基于准确的基准站坐标、星历和观测数据生成伪距差分改正数；
○对伪距差分数据按照RTCM2.X格式进行编码，形成标准二进制播发数据流；
○利用计算机串口向调制解调器播发二进制差分数据流。
北斗/GPS伪距差分改正数生成软件主要由原始数据解码模块、通信模块、北斗/GPS伪距差分改正数生成模块、RTCM格式数据编码模块组成，如图3所示。
图3 北斗/GPS伪距差分改正数生成软件模块组成
通信模块主要功能是连接串口、TCP/IP端口等数据源，获取基准站接收机的原始GNSS观测数据以及由生成的RTCM格式的差分数据向调制器输出。数据解码模块是把数据通信模块获取的GNSS观测数据原始二进制的数据，按照指定的格式解译成需要的观测值和星历信息。改正数生成模块是基于基准站已知高精度坐标和基准站的伪距、载波观测值信息生成伪距改正数。RTCM编码模块是将生成的改正数信息，按照RTCM格式标准生成二进制数据流。开发的软件界面如图4所示。
2.2北斗/GPS RBN基准站接收机研制
北斗/GPS RBN基准站接收机包括如下功能：
○接收机均具备RJ45形式的网络接口，控制中心采用 TCP/IP协议进行通讯，可远程通过TCP/IP访问基准站北斗/GPS接收机，获取实时数据并通过Internet等软件对接收机进行远程设置。
○实现北斗/GPS的卫星数据获取，并通过有线网络、串口等方式将数据发送给北斗/GPS差分生成播发软件。
○基于基准站坐标和原始观测数据，生成北斗/GPS伪距差分改正数，并进行编码发送到串口或者网络接口。
○对北斗/GPS进行观测，记录原始的观测数据。
○通过串口实现对调制解调器和信号调制器的控制和信息读取。
○读取信号解调器收到的RTCM二进制流、并进行解码，进行伪距差分定位解算获取到精密差定位结果。
○对收到的RTCM改正数和本地收到的卫星信号进行评估。
○以RSIM格式与控制端软件进行信息交互，实时推送基准站接收机和监测站接收机的差分、定位、信号等状态信息。
○通过按键和显示屏对接收机进行网络参数、数据存储等进行设置，显示当前的卫星、定位状态、网络参数等信息。
○应可长期可靠稳定工作，并具有一定的适应性和故障恢复性能，即在通信条件变化时，不影响本机内部数据记录，且网络恢复后，可自动进行网络连接，因此要求接收机具备网络接口和本地串行接口；在因通信、电源等问题中断工作后，恢复时应可按照原定设置自动启动并恢复工作。
○可长期记录观测数据，要求有足够大的内存容量，可长时间不间断地记录观测数据。
○基于信息安全考虑，要求接收机具备访问认证等功能，即通过网络进行数据传输和远程控制时，可通过设置不同安全访问级别，实现对接收机的不同操作。例如：设置管理级、普通级和浏览级三种访问级别，其中管理级用户具备各种能力，可配置接收机各种选项、数据读写等；普通级用户具备数据读写权限，可进行接收机内部数据删除等操作；浏览级用户具备只读权限，不能执行数据删除等操作。
北斗/GPS RBN差分基准站、监测站接收机包括串口模块，北斗天线接口，电源模块，ARM数据处理模块，操作系统，数据存储模块，有线网卡，北斗/GPS/ OEM板等组成，如图5所示。
嵌入式基准站接收机和监测站接收机软件是整个系统功能实现的主要部分，包括通信、数据解码、完善性监测RSIM、差分改正数生成、编码、调制解调器控制、键盘和显示屏交互和控制、伪距差分定位、完备性监测等多个模块，其结构如图6所示。
3播发测试
测试目的：
（1）验证RBN差分系统增加北斗差分信息播发功能后，与原有系统的兼容性；
（2）测试现有终端改造后的北斗/GPS差分定位信号定位精度和可用性；
（3）测试RBN差分系统改造后GPS差分、北斗差分和GPS/北斗联合差分三种模式的定位精度及可用性。
测试方式包括以下三种：
○陆地定点测试
○陆地车载测试
○海上动态测试
在信号覆盖区域周边进行了以上3种测试，定点测试中发现差分北斗、差分GPS定位精度及误差二维分布情况相当，北斗/GPS联合差分定位静态测试平面误差在1m以内的历元占总采样历元的百分比远超过90%，效果更优；动态测试中发现北斗系统的区域增强优势导致其平均可见卫星数较GPS系统多，在遮挡环境下定位误差和稳定性都略优于GPS；海上动态测试发现伪距差分失败的历元占总历元的百分比都维持在很低的水平，北斗、GPS、北斗/GPS依次降低，其中北斗为1.29%，北斗/GPS仅为0.06%，说明该差分系统较为稳健，性能较优。
4 结语
航海无线电指向标差分北斗系统目前正在试运行，从运行情况来看，系统工作稳定，但是由于RTCM的标准中尚未包括北斗差分的电文，为此，要通过多方努力，使得北斗差分电文获得国际组织的认可，并将其纳入到新版的标准中。而本播发试验，仅仅是北斗差分的一种尝试，下一步将进行航海无线电指向标差分北斗/差分GPS的完善性监测软件的开发，完善系统设计，并进行各项应用测试，争取为北斗的国际海事标准化提供有价值的参考。
摘要：随着我国北斗卫星导航系统建设完善，交通运输部海事局一直积极推动其在海事中的应用。基于航海无线电指向标的差分北斗增强系统是北斗应用的一种重要形式，北海航海保障中心天津航测科技中心设计研发了航海无线电指向标差分北斗和差分GPS的兼容系统，并进行了相关应用测试，系统的建成运行将为需要高精度定位导航的航海船舶提供一种新的选择，也对我国北斗卫星导航系统的国际海事标准化具有积极的促进作用。
关键词：航海无线电指向标 差分北斗 RBN-（DBDS+DGPS）
○ 引言
北斗卫星导航系统作为中国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，2012年12月起已覆盖亚太，具备定位、导航、授时以及短报文通信服务能力。目前，我国正在加紧北斗系统的建设，按照系统发展规划，到2020年左右将覆盖全球。
为推动北斗的全球应用发展，在海事应用方面，2013年，中国卫星导航系统管理办公室委托交通运输部海事局牵头启动了北斗国际海事标准化专项，旨在推动北斗卫星导航系统在国际航海中的应用，使其成为全球无线电导航系统（WWRNS）的组成部分，进而形成北斗国际海事应用的标准。
沿海差分服务是北斗系统海事应用的一种重要形式，和现有的RBN-DGPS系统类似，其通过在现有的航海无线电指向标（RBN）载频上（283.5～325.0kHz）播发北斗系统的差分改正信息，用户接收机通过接收此信息作误差修正，从而大大提高定位精度。
由于目前北斗差分应用的相关标准尚未出台，国内外也没有相关专业设备及配套软件，为此，北海航海保障中心从2013年开始进行了相关研究并进行了播发试验，取得了一些积极的成果。
1 RBN-DGPS系统
航海无线电指向标差分全球定位系统（RBN-DGPS）是国际海事组织（IMO）认可的一种全球无线电导航系统（WWRNS）的组成部分，在沿海水域能大大提高船舶的定位精度，在全球范围内获得了广泛应用。其是利用航海无线电指向标播发台播发DGPS修正信息，向用户提供高精度服务的助航系统，属单站伪距差分。其原理如图1所示。
图1 RBN-DGPS系统原理
RBN-DGPS系统主要由基准台、播发台、完善性监控台和监控中心组成。
（3）完善性监控台
完善性监控台由导航GPS接收机、指向标接收机和完善性监控计算机组成。其功能为：监测GPS系统的完善性和播发的差分修正值的正确性，监控基准台；计算并登录系统运行数据的统计结果。
（4）监控中心
监控中心的功能是监测、控制各RBN-DGPS站的工作。
目前，中国RBN-DGPS台站监控中心尚未建设。RBN-DGPS台站的设备主要有以下几部分组成：两台MX9400R基准台、两个MX-50M指向标调制器、一个MX9400N导航仪、一个MX-51R指向标接收机、一个运行完善性监测（IM）程序的PC机和两个指向标发射机。
2 RBN-（DBDS+DBDS）系统设计
由于现有的RBN-DGPS系统基于国际海运事业无线电技术委员会104特委会（RTCM-SC104）制定的GNSS差分信号格式以及完善性监测（RSIM）标准，而北斗系统尚无差分应用的相关标准及设备可用。考虑到不能对现有RBN-DGPS用户产生影响，北斗沿海差分服务必须在现有台站的基础上进行，且需完全兼容现有的RBN-DGPS系统。设计的播发框图如图2所示：
图2 RBN-（DBDS+DGPS）播发框图
RBN-（DBDS+DGPS）系统设计主要包括北斗差分生成软件的研发以及航海无线电指向标差分北斗设备的研制。
2.1 北斗差分生成软件研发
北斗差分生成软件包括的功能如下：
○实时获取基准站接收机的北斗/GPS伪距、载波相位原始观测数据和星历数据，并进行解码；
○基于准确的基准站坐标、星历和观测数据生成伪距差分改正数；
○对伪距差分数据按照RTCM2.X格式进行编码，形成标准二进制播发数据流；
○利用计算机串口向调制解调器播发二进制差分数据流。
北斗/GPS伪距差分改正数生成软件主要由原始数据解码模块、通信模块、北斗/GPS伪距差分改正数生成模块、RTCM格式数据编码模块组成，如图3所示。
图3 北斗/GPS伪距差分改正数生成软件模块组成
通信模块主要功能是连接串口、TCP/IP端口等数据源，获取基准站接收机的原始GNSS观测数据以及由生成的RTCM格式的差分数据向调制器输出。数据解码模块是把数据通信模块获取的GNSS观测数据原始二进制的数据，按照指定的格式解译成需要的观测值和星历信息。改正数生成模块是基于基准站已知高精度坐标和基准站的伪距、载波观测值信息生成伪距改正数。RTCM编码模块是将生成的改正数信息，按照RTCM格式标准生成二进制数据流。开发的软件界面如图4所示。
2.2北斗/GPS RBN基准站接收机研制
北斗/GPS RBN基准站接收机包括如下功能：
○接收机均具备RJ45形式的网络接口，控制中心采用 TCP/IP协议进行通讯，可远程通过TCP/IP访问基准站北斗/GPS接收机，获取实时数据并通过Internet等软件对接收机进行远程设置。
○实现北斗/GPS的卫星数据获取，并通过有线网络、串口等方式将数据发送给北斗/GPS差分生成播发软件。
○基于基准站坐标和原始观测数据，生成北斗/GPS伪距差分改正数，并进行编码发送到串口或者网络接口。
○对北斗/GPS进行观测，记录原始的观测数据。
○通过串口实现对调制解调器和信号调制器的控制和信息读取。
○读取信号解调器收到的RTCM二进制流、并进行解码，进行伪距差分定位解算获取到精密差定位结果。
○对收到的RTCM改正数和本地收到的卫星信号进行评估。
○以RSIM格式与控制端软件进行信息交互，实时推送基准站接收机和监测站接收机的差分、定位、信号等状态信息。
○通过按键和显示屏对接收机进行网络参数、数据存储等进行设置，显示当前的卫星、定位状态、网络参数等信息。
○应可长期可靠稳定工作，并具有一定的适应性和故障恢复性能，即在通信条件变化时，不影响本机内部数据记录，且网络恢复后，可自动进行网络连接，因此要求接收机具备网络接口和本地串行接口；在因通信、电源等问题中断工作后，恢复时应可按照原定设置自动启动并恢复工作。
○可长期记录观测数据，要求有足够大的内存容量，可长时间不间断地记录观测数据。
○基于信息安全考虑，要求接收机具备访问认证等功能，即通过网络进行数据传输和远程控制时，可通过设置不同安全访问级别，实现对接收机的不同操作。例如：设置管理级、普通级和浏览级三种访问级别，其中管理级用户具备各种能力，可配置接收机各种选项、数据读写等；普通级用户具备数据读写权限，可进行接收机内部数据删除等操作；浏览级用户具备只读权限，不能执行数据删除等操作。
北斗/GPS RBN差分基准站、监测站接收机包括串口模块，北斗天线接口，电源模块，ARM数据处理模块，操作系统，数据存储模块，有线网卡，北斗/GPS/ OEM板等组成，如图5所示。
嵌入式基准站接收机和监测站接收机软件是整个系统功能实现的主要部分，包括通信、数据解码、完善性监测RSIM、差分改正数生成、编码、调制解调器控制、键盘和显示屏交互和控制、伪距差分定位、完备性监测等多个模块，其结构如图6所示。
3播发测试
测试目的：
（1）验证RBN差分系统增加北斗差分信息播发功能后，与原有系统的兼容性；
（2）测试现有终端改造后的北斗/GPS差分定位信号定位精度和可用性；
（3）测试RBN差分系统改造后GPS差分、北斗差分和GPS/北斗联合差分三种模式的定位精度及可用性。
测试方式包括以下三种：
○陆地定点测试
○陆地车载测试
○海上动态测试
在信号覆盖区域周边进行了以上3种测试，定点测试中发现差分北斗、差分GPS定位精度及误差二维分布情况相当，北斗/GPS联合差分定位静态测试平面误差在1m以内的历元占总采样历元的百分比远超过90%，效果更优；动态测试中发现北斗系统的区域增强优势导致其平均可见卫星数较GPS系统多，在遮挡环境下定位误差和稳定性都略优于GPS；海上动态测试发现伪距差分失败的历元占总历元的百分比都维持在很低的水平，北斗、GPS、北斗/GPS依次降低，其中北斗为1.29%，北斗/GPS仅为0.06%，说明该差分系统较为稳健，性能较优。
4 结语
航海无线电指向标差分北斗系统目前正在试运行，从运行情况来看，系统工作稳定，但是由于RTCM的标准中尚未包括北斗差分的电文，为此，要通过多方努力，使得北斗差分电文获得国际组织的认可，并将其纳入到新版的标准中。而本播发试验，仅仅是北斗差分的一种尝试，下一步将进行航海无线电指向标差分北斗/差分GPS的完善性监测软件的开发，完善系统设计，并进行各项应用测试，争取为北斗的国际海事标准化提供有价值的参考。
