交通行业GNSS差分信息播发技术研究

吴晓东，沈 刚，夏 威，李 浩，李 涛，谢 悦，李 晶

（中国交通通信信息中心，北京100011）

交通行业GNSS差分信息播发技术研究

吴晓东，沈 刚，夏 威，李 浩，李 涛，谢 悦，李 晶

（中国交通通信信息中心，北京100011）

GNSS差分定位技术已经广泛应用在各个领域，而实现差分定位的关键是如何将差分信息通过一定的通信手段播发给用户。本文介绍了基于现有AIS和RBN－DGPS系统的差分信息播发技术。对利用3G、FM调频副载波等常用通信方式播发差分信息进行了分析，并首次验证了FM播发差分信息的可行性。最后，在分析各种播发方式特点的基础上，结合交通行业应用，分析了适合交通行业应用的差分信息播发方式。

GNSS；差分信息；播发技术；交通行业

0 引 言

交通运输行业是卫星导航应用的重要领域。交通行业的快速发展对卫星导航性能的要求越来越高，现有普通的卫星导航定位精度已经无法完全满足现有及未来交通行业应用需求。为了提高卫星导航定位精度，最常用的手段是采用差分定位技术，消除具有空间相关性的公共误差。

差分定位的关键是如何将差分信息通过一定的通信手段播发给用户。目前交通运输行业针对水上应用需求，主要基于已有的AIS和RBNDGPS系统播发差分信息，以满足内河、沿海船舶高精度导航与监控应用。随着无线通信技术的发展，差分信息的播发方式选择面越来越广。常用的3G/GPRS移动通信已经被国内外高精度卫星导航终端厂商广泛应用于差分信息播发。对于利用FM调频副载波播发差分信息技术的研究，交通运输部中国交通通信信息中心首次成功验证该方式的可行性。

交通运输行业不同领域对卫星导航性能需求具有一定的差异化。针对不同的性能需求，选择技术可行、成本低廉的差分信息播发方式，是保证交通行业卫星导航应用经济可持续发展的关键。

1 交通行业现有差分信息播发方式

1.1 基于AIS系统的播发技术

通用船载自动识别系统（AIS）是一种利用海上VHF频段的船载航行信息交换系统，它不仅能自动发出本船的相关信息，而且还可以接收周围其它船舶所发出的信息，采用的主要技术是“自组织时分多址接续（SOTDMA）”方式进行信息交换[1］。

AIS工作频率范围为156.025～162.025 MHz，工作带宽为25kHz或者12.5kHz.其中25 kHz的带宽于公海上使用。在地方水域可以根据当地规定使用25kHz或者12.5kHz的带宽。AIS使用不归零的反相波进行数据编码，采用高斯滤波最小移频键控调频（GMSK），传输速率为9 600bit/s.

在AIS通信系统中，通过第17号电文进行GNSS差分数据播发，电文格式如表1所示。其中RTCM差分修正数据主要在AIS电文17的第8项中，参考站信息在AIS电文17中的第5和第6项。

1.2 基于RBN－DGPS系统的播发技术

沿海无线电指向标－差分全球定位系统（RBNDGPS）是一种新型、高精度、全天候的海上导航定位系统，是中国海事局“九五”期间的重点建设项目，于2002年1月1日零时起全面开通，正式向公共用户无偿提供服务[2］。

表1 AIS第17号电文数据结构组成

RBN－DGPS符合国际化标准，电文格式采用RTCM SC－104标准信号格式。工作频率范围为283.5～325kHz，RBN－DGPS差分信号的调制方式为最小移频键控（MSK），采用调相单行道数据传递（GID）方式发射，数据传送速率为200bps.目前，中国沿海共有23个RBN－DGPS基准，主要提供整个中国沿海区域的覆盖，定位精度高，该精度可满足船舶引航服务的要求且由于采用标准化的数据格式，系统的通用性强。

RBN－DGPS播发的差分信息类型如表2所示，通用电文类型与格式参考《沿海无线电指向标－差分全球定位系统播发标准（中华人民共和国交通行业标准，JT 377－1998）》，每帧电文由2＋N个30位字组成，N个字中包含着电文数据，N随电文类型变。

表2 RBN－DGPS差分信息类型

2 基于3G的差分信息播发技术分析

3G移动通信网络技术针对“点对点”业务设计，移动通信网络将差分数据播发到移动端主要基于TCP/IP透明传输协议[3］，具体过程如下：

1）差分数据按照传输控制协议（TCP）的格式封装成TCP数据包，再生成IP数据包，从而建立起Internet和GGSN之间的路由。

2）由于TCP/IP协议组中含有点对点协议（PPP）用于支持TCP/IP四层模型中的数据链路层，因此，需要将IP数据包按照PPP帧的帧格式封装成PPP帧，才能通过网卡将PPP帧发送到GGSN上。

3）GGSN接收到该PPP帧后，首先进行TCP/IP拆分，采用GPRS遂道协议对数据包做处理，实现从GGSN到服务GPRS支持节点（SGSN）的虚拟传输通道，即隧道。由于3G/GPRS骨干网是移动网内部的TCP/IP网络，GPRS遂道协议（GTP）数据包作为高层应用数据需要TCP或者UDP承载。TCP或者UDP承载的数据包被进一步封装成IP包，此IP包的目的地址就是目标SGSN的地址。GGSN根据其地址选择GPRS网内的传输通道，传给移动端所处的SGSN.

4）SGSN对到达的数据包层层解封，还原出IP包，依据子网汇聚协议（SNDCP）把IP包封装成SNDC数据单元，再经过逻辑链路控制（LLC）层处理为LLC帧单元，最后依据基站子系统GPRS协议（BSSGP）对LLC帧单元进行进一步封装，加入SGSN对基准站子系统（BSS）的控制信息，通过网络仿真器NS的帧中继和PPP链路将数据传送到移动端所处的BSS.

5）BSS还原出LLC帧数据之后，利用无线链路控制协议（RLC）将LLC数据帧拆分成便于空中接口传输的数据块，加上媒体介入控制层（MAC）数据头之后，便可将数据通过空中接口发送给终端，接收生成的差分数据。

3 基于FM调频副载波的差分信息播发技术研究

3.1 FM调频副载波技术

目前国际上主要的FM调频副载波技术有无线数据广播系统（RDS）和调频多工高速数据广播系统（DARC）.其参数对比如表3所示。

表3 RDS和DARC参数对比

RDS调频广播技术受其带宽的影响，难以承载GNSS差分信息的播发，因此主要考虑采用DARC调制方式作为调频副载波播发差分信息的方式。

3.2 FM差分数据结构

如图所示，调频副载波协议遵守ISO/OSI参考模型结构，总共分为7层，如图1所示。

图1 DARC数据协议层

DARC系统协议中单位最大的数据结构称为“帧（frame），每帧包含78 336比特数据。每帧由272行数据组成，每行为一个288比特的数据块。一个数据块包括16比特的BIC报头和272比特的数据。数据块是协议中最基本的数据单位，又分为两种：信息数据块和纠错校验数据块。数据块（block）是本系统协议的最基本的数据结构单位，大小为288个比特（36byte）。其中，前16比特为BIC标志码[5］。

数据块结构分为信息数据块和纠错校验数据块。前者用来存储待发送的信息，而后者只负责数据结构中的错误纠正，不包含待发送信息。具体来说，一个信息数据块结构由以下部分组成：176比特待发送信息和14比特循环冗余校验码（CRC），以及82比特纠错校验码。DARC数据帧结构具体如表4所示。

表4 DARC复用帧结构

DARC传输协议和RTCM－SC－104不一致，需要二次封装，才能在数据广播系统中传送；同时，在接收端也需要进行二次解析出RTCM－SC－104电文。

3.3 基于FM调频副载波的差分信息播发系统

整个系统由三部分组成：信息采集系统，编码系统，以及发射机组成。编码系统由三部分组成：FM编辑装置，协议转换装置，L－MSK交换机。如图2所示。

图2 基于FM的差分信息播发系统示意图

FM编辑装置负责将信息采集系统的GNSS差分信息按照广播协议的要求，完成第7层到第5层的编码。

随着大众旅游的兴起以及对文化的需求，人民生活水平的提高和国内消费的升级，文化旅游成为新型旅游业态迅速崛起的代表[1]。《中国文化旅游发展报告2017》指出，目前，文化旅游已经进入了以资本、创意和技术为主导的文旅2.0时代。文旅2.0时代的显著特征是“无中生有、变废为宝”，其中创新能力在文旅产业发展中起着越来越重要的作用。文旅2.0时代发展的重要特征之一是旅游演艺砥砺前行。2016年以来，作为文化旅游产业的一个重要领域，旅游演艺产业日趋成熟并开始进入调整期[2]。张家界作为国际著名旅游城市，如何在竞争激烈的旅游演艺市场中稳定并发展旅游演艺品牌，是一个亟待解决的问题。

协议转换装置负责将FM编辑装置生成的第5层信息按照标准要求完成第4层、第3层的编码，以及广播链路第2层的编码。

L－MSK交换机负责将协议转换装置生成的第2层信息按照标准要求完成副载波第1层的编码，最后送到发射机广播发送。

3.4 基于FM调频副载波的差分信息接收测试

在位于北京上庄水库的海事卫星移动地面站搭建基于FM的差分定位实验系统，硬件主要包括司南M300基准站接收机一台、司南K500板卡一块、一台用于控制差分数据播发的DELL R720xd服务器、ECRESO公司的激励器Helios FM 20/100W、Audmat公司的编码器FMX 410/480，基准站接收机输出频率设置为1Hz，激励器广播频率设置为100MHz，功率设置为23W.

静态条件下，基线距离为1.5km，测试时间从早上9点到下午14点，配置播发平台并开始播发差分信息。在接收端配置专用的FM接收模块，确保正常接收FM播发系统播发的数据，如图3和4所示，基准站接收机原始差分数据以AA 44 12 1C开头，FM模块接收经过FM系统编码后的DARC数据，以帧头5AFF封装。

图3 基准站接收机原始差分数据

图4 DARC协议封装的差分数据

利用FM模块接收的差分信息进行伪距差分定位解算，对24h的定位数据进行分析，以95%圆概率误差计算伪距差分定位精度，可以得到水平方向的误差为1.095m，如图5所示。基于此在北京北清路开展了基于FM调频副载波的高精度定位测试，经试验证明可以满足车道级导航与监控应用。

图5 基于FM的伪距差分定位精度（95%）

4 各种播发方式对比及适合交通行业应用分析

从表5的对比可以得出，AIS、RBN－DGPS覆盖范围仅仅局限于内河沿海港口及重要水域，主要用户也局限于少数的行业用户，难以支撑陆地应用需求。随着3G等移动通信技术的发展，陆地用户获取差分数据已经变得相当便利，针对“点对点”差分信息传输业务的双向通信特点，适用于管理部分对交通行业用户开展精细化监管应用。FM调频副载波技术可省去双向通信连接建立的过程，是单向广播的方式，可以低成本为大众用户大范围提供亚米级的车道级导航服务。

表5 差分信息播发方式对比

5 结束语

本文主要介绍了基于现有AIS和RBN－DGPS系统的差分信息播发技术，以及利用3G播发差分信息的分析，首次将FM调频副载波技术用于差分信息的播发并通过可行性验证。最后分析了适合交通行业应用的差分信息播发方式。

[1]万 林，侯建军，张永胜，等.舰船自动识别系统（AIS）研究[C］//2002航海实用新技术论文集，2002.

[2]汪孔政.RBN/DGPS定位系统精度试验及应用[J］.科技资讯，2007（26）：3.

[3]刘光林，李永奎.基于3G网络的农业机械GPS差分系统的研究[J］.农机化研究，2012（11）：202－205.

[4]黄孝飞.DARC系统及其应用[J］.广播与电视技术，1999（6）：114－117.

[5]北京市交通信息中心、中国航天标准化研究所.GB/T 27605－2011卫星导航动态交通信息交换格式[S］.中国标准出版社，2012.

Research on Broadcasting Technology of GNSS Differential Information in Transportation

WU Xiaodong，SHEN Gang，XIA Wei，LI Hao，LI Tao，XIE Yue，LI Jing
（China Transport Telecommunications ＆Information Center，Beijing100011，China）

GNSS differential positioning technology has been widely used in various fields，and the key point of difference positioning is how to broadcast the difference information to the user by proper means of communication.This paper first introduced the differential information broadcast technology based on the existing AIS and RBN－DGPS system.Secondly，common communication like 3G，FM subcarriers used to broadcast differential information is analyzed，and the first time certified the feasibility of FM broadcasting the differential information.Finally based on analysis of various broadcast modes characteristics，combined with the application of transportation，this paper analyzed the suitable means for transportation industry application of differential information broadcasting mode.

GNSS；differential information；broadcasting；transportation

P228.4

A

1008－9268（2015）01－0041－05

10.13442/j.gnss.1008－9268.2015.01.009

吴晓东（1987－），男，硕士，助理工程师，主要从事交通行业高精度卫星导航应用技术研究。

沈 刚（1963－），男，博士，高级工程师/处长，主要从事交通行业信息化工作。

夏 威（1986－），男，博士，工程师，主要从事高分辨率卫星遥感交通应用研究。

李 浩（1977－），男，硕士，工程师，主要从事水上交通北斗应用研究。

李 涛（1979－），男，硕士，工程师，主要从事车联网方面研究。

谢 悦（1977－），男，工程师，主要从事北斗产业化研究。

李 晶（1978－），男，硕士，高级工程师/副处长，主要从事卫星导航产业化工作。

2014－09－10

联系人：吴晓东E－mail：wuxiaodong＠cttic.cn