北斗沿海差分导航与精密定位服务系统研究与应用

北海航海保障中心 文号: 索引号:   发布日期:2018-04-02

     “北斗沿海差分导航与精密定位服务系统研究与应用”项目由北海航海保障中心、武汉大学和武汉攀达时空科技有限公司合作开发,于2012年启动至2014年4月完成。该项目荣获了2015年度中国卫星导航定位协会卫星导航定位科学技术奖一等奖,并取得了4项软件著作权(北斗/GPS RBN完善性监测软件、北斗/GPS RBN基准站接收机软件、北斗/GPS RBN系统性能测试分析软件、北斗/GPS RBN完善性监测站接收机软件)。项目成果在航海保障及港航单位进行了推广,实现了在航标作业、海洋测绘、港口船舶引航、航道疏浚、海事航运等领域的成功应用。

      一、基于北斗的我国沿海精密定位导航服务系统一体化方案

      充分利用现有通信网络、RBN-DGPS台站资源,设计了我国沿海以北斗为主,兼容GPS,采用RBN电台和移动通信网络等手段播发的精密导航定位服务系统一体化架构,将原有单一的RBN-DGPS系统提升为BDS/GPS融合服务系统,并实现了从米级到厘米级的导航定位服务。系统由一体化基准站 (RBN-DGNSS基准站、RBN-DGNSS完善性监测站、连续运行参考站)、控制站、播发站,专线网络、海区数据处理服务中心、全海区数据监测中心、数据总控中心(拟规划建设)以及用户应用终端等组成,预留接口为国家北斗地基增强系统数据处理中心提供数据。

      二、北斗远距离高精度数据处理理论和方法

      针对用户对北斗米级导航到厘米级定位的需求,提出了北斗三频网络RTK、伪距差分及完善性监测的数据处理理论和方法。主要包括北斗远距离三频网络RTK基准站模糊度确定、区域高精度电离层误差实时建模、北斗三频远距离流动站卡尔曼滤波模糊度确定;北斗移动窗口平滑伪距RBN基准站差分定位算法、RBN完善性监测站差分定位算法,BDS/GPS联合解算方法,提高了终端定位的稳定性和可靠性;系统完善性监测算法,增强了系统的有效运行服务能力等。

       北斗远距离三频网络RTK基准站模糊度确定,基于几何相关模型,提出一种新的三频模糊度解算方法,即电离层参数的分步模糊度确定方法,主要是将模型中的电离层延迟参数化,逐级分步确定各组合模糊度,即确定超宽巷模糊度N(0, -1, 1),确定两个宽巷模糊度N(1, -1, 0)和N(1, 0, -1),确定三个原始频率的模糊度N1、N2和N3。增加了模糊度确认的可靠性,能够快速可靠固定中长基线模糊度。

      区域高精度电离层误差实时建模,首先利用北斗三频数据,计算出基准站网高精度双差电离层延迟观测值。然后,在充分考虑GEO卫星位置稳定性因素的基础上,对比研究电离层内插模型、太阳——地球坐标框架中的一阶球谐函数模型化多基准站北斗观测值穿透点电离层延迟模型和区域双差电离层格网模型,分析每一种模型精度、覆盖范围和对基准站点数要求等,最终得出一种适合北斗网络RTK定位的高精度电离层误差模型,减弱了电离层误差的影响。

      对北斗、GPS不同的时间、坐标系统进行了研究,提出了一套BDS/GPS联合解算数学模型、模糊度确定方法。

      三、北斗沿海差分导航与精密定位服务系统关键设备和软件

      基于上述数据处理理论和方法,自主研制了相关软硬件设备,实现了沿海精密定位导航服务系统一体化方案的设计目标,主要软硬件成果为:

      (一)一体化基准站接收机

      该接收机具有BDS/GNSS精密定位差分、RBN伪距差分、完善性监测等功能,采用能够采集BDS/GPS伪距和载波相位观测值的OEM板,扩展NTRIP、TCP/IP、HTTP、串口等通讯接口及MSK调制解调模块。通过嵌入式linux操作系统编程,实时获取原始观测数据和星历数据,进行解码,按照原始数据、RTCM2.X和RTCM3.X、NMEA-0183格式输出。通过读取信标解调模块收到的RTCM二进制流并解码,对收到的RTCM改正数和卫星信号进行评估,以基准站完善性监测标准(RSIM)与控制站软件进行信息交互,实时推送接收机差分定位信息、系统运行状态等信息,进行完善性监测。

      (二)差分BDS/GPS船载导航终端

      该终端是BDS/GPS融合的多模差分定位系统接收设备,通过无线电指向标接收模块,接收解调RBN台站播发的DBDS和DGPS信息,并经过嵌入式软件进行解算定位,在距离基站300km海域覆盖范围内,BDS/GPS联合差分水平定位精度可以提高至1.5m(95%),较原有RBN-DGPS终端的精度和稳定性都有大幅提高,同时还具有电子海图自动更新和管理、安全评估等功能。

      (三)北斗/GNSS网络RTK系统管理和定位服务软件

      该软件包括北斗/GNSS网络RTK、伪距差分改造数生成和发播,实现了RBN-DGNSS基准站设备的通用化,降低了RBN-DGNSS基准站设备的准入门槛,通过标准接口即可实现BDS/GPS卫星信息接入和信息生成及编码,将嵌入式的算法过程通用平台化,可大大提高台站建设及维护水平。

      (四)RBN基准站接收机软件

      实时获取基准站接收机OEM板卡的BDS/GPS伪距、载波相位原始观测和星历数据二进制流,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RTCM格式进行编码,形成标准二进制播发数据流。

      (五)RBN完善性监测站接收机软件

      RBN完善性监测站与基准站同址,用于接收BDS/GPS伪距差分信息并定位,进行完善性监测,监测标准依据RTCM的基准站完善性监测标准(RSIM v1.2)实现。

      (六)RBN台站系统完善性监控软件

      通过TCP/IP协议控制单个或多个RBN-(DBDS+DGPS)台站的基准站和监测站接收机,获取接收机的工作状态,实现单个或者多个台站管理、监控功能。该软件较现用的RBN-DGPS台站监控软件增加了网络和用户分级管理功能,为多台站集中监控和安全管理奠定了基础。

      四、构建了渤海区域北斗沿海差分导航与精密定位服务系统

      在渤海区域建立了北斗沿海差分导航与精密定位服务系统,实现了覆盖区域内米级导航和实时厘米级定位服务。经第三方对系统软硬件设备和服务性能的全面测试,系统达到了设计指标,完全满足国际海事组织对海上差分全球导航卫星系统的技术要求,整体性能优于现有的RBN-DGPS系统。

      该系统建设充分利用现有RBN-DGPS台站、航海保障基础设施,2013年11月,在天津上古林建成了RBN-(DBDS+DGPS)台站,在曹妃甸港、上古林、东营港建成了三个沿海北斗连续运行参考站,在北海航海保障中心建立了海区数据处理服务和监测中心。

      RBN台站由基准站(双机热备)、完善性监测站、控制站、播发站(双机热备)等组成,利用RBN电台向海上公众用户播发差分信息,距离基准站300km海域范围内,伪距差分精度平面优于1.5m(95%);沿海北斗连续运行参考站系统由基准站、通讯网络、数据处理服务和监测中心组成,利用移动通信网络向用户传输精密定位服务信息,实现距离基准站80km海域范围内,多频北斗接收机实时定位精度平面优于3cm(一倍中误差),高程优于5cm(一倍中误差)。实现覆盖区域内米级导航和实时厘米级定位服务。

      五、应用情况

      (一)项目成果在航海保障及港航单位开展了应用推广,实现了在航标作业、海洋测绘、港口船舶引航、航道疏浚、海事航运等领域的成功应用。推广应用情况主要包括:天津航标处上古林站RBN-DGNSS系统建设,天津港引航中心BDS/GPS双模高精度定位引航系统,天津海事测绘中心BDS/GPS海事测绘定位终端及应用,交通运输部水运工程科学研究院的AIS链路BDS/GPS区域差分精确定位的内河船舶导助航系统,天津大学海洋科学与技术学院的天津港复式航道e-航海试点工程。

      (二)基于本项目研制的北斗沿海差分导航与精密定位服务系统,相关企业和单位开发了RBN-(DBDS+DGPS)航标作业船舶综合导助航系统、精密差分定位航标遥测遥控系统、海事应急指挥系统等,开拓了新的应用领域,提升了航海保障服务的质量。

      (三)项目研究成果已经为我国整个沿海区域RBN-DGPS系统的升级改造和沿海北斗精密定位服务系统建设项目的立项提供了关键技术、系统指标验证和总体方案设计的支撑。为海事管理机构相应岸基服务系统的建立奠定了基础。

      (四)北斗系统在海上精密导航定位服务中的成功应用,有力地支持了北斗系统进入国际海事应用和标准体系,并将为我国实施“海上丝绸之路”战略,提供航海高精度导航定位保障。