高精度GPS/BDS船載接收系統的製作方法與工藝

2023-06-03 07:25:11

本發明涉及一種AIS船載終端系統，尤其涉及一種基於北鬥衛星導航和GPS衛星導航的AIS船載終端系統。

背景技術：
AIS(船舶自動識別系統)的誕生彌補了雷達對船舶跟蹤的不足,它在保障船舶航行安全和保護海洋環境方面發揮的作用受到航海界的認可，該系統是自航海雷達應用以來又一先進的航海設備，作為一種船與船、船與岸間通訊及安全避碰手段，支持發展了雷達和船舶交通服務(VTS)，增進了海上生命財產安全和航行安全。目前，AIS系統是海上移動VHF波段採用TDMA技術交換數據的一種避碰系統，該系統在161.975MHz和162.025MHz的兩個頻點即海上VHF87B/88B頻道上收發信號,併合成全球定位系統GPS、電羅經及自動舵、雷達、電子海圖等數據，並按需要在顯示器上顯示船位、動態等信息。目前現有的AIS定位終端其定位系統主要採用GPS-RBN定位技術和北鬥定位技術，其定位模式為單頻，精度約為10米-5米。最早AIS使用的衛星定位技術主要是美國的GPS，美國的GPS只為美國(尤其是美國軍方)提供高精度定位，對其他國家用戶只提供低精度的定位服務，而且美國隨時可以關閉這種服務(特別是在戰時)。與此同時，北鬥衛星導航系統日趨成熟，可向全球用戶提供高質量的定位、導航和授時服務。開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務，但其定位精度只有10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。如何使AIS船載設備採用我國自行發射的北鬥衛星以及GPS衛星一起進行精確定位，並完成與其他船隻以及與陸地基站之間的通訊成為目前需要解決的問題。

技術實現要素：
本發明旨在如何使AIS船載設備採用我國自行發射的北鬥衛星以及GPS衛星一起進行精確定位。本發明提供了一種高精度GPS/BDS船載接收系統，包括：電臺模塊，其形成偽距差分信號；BDS/GPS雙模定位模塊，其根據偽距差分信號以BDS及/或GPS模式進行定位，並生成觀測數據；AIS接收模塊，其接收周圍船舶位置信息，並將所述周圍船舶位置信息提供至所述定位模塊；定向模塊，其根據所述定位模塊的觀測數據和所述定向模塊的觀測數據作差分，計算載體兩個天線形成的基線的姿態，及電源管理模塊，其進行外部電源到內部電源的轉換並且為上述各模塊提供電力。一些實施例中，所述電臺模塊接收岸基臺站播發的偽距改正數，所述接收系統根據所述接收到的偽距改正數與所述接收系統自身測量達到的偽距進行校正，獲得所述偽距差分信號。一些實施例中，將船舶位置、速度、航向作為觀測值，預報船舶下一時刻位置。一些實施例中，預報之前，首先對船舶位置進行粗差探測，剔除粗差位置點，選取不含粗差的曆元進行預報。一些實施例中，將速度信息作為位置信息是否含有粗差的依據。一些實施例中，當計算得出的當前曆元船舶位置與所述AIS接收模塊實測當前船舶位置之間的差大於預定值時，則認為觀測值存在粗差。一些實施例中，還包括母板，其向所述船載接收系統的各模塊提供電源和各種信號接口。一些實施例中，還包括外部數據接口模塊，其可連接電子海圖顯示設備或傳感器。根據本發明的接收系統採用BDS/GPS雙核雙星四頻GNSS模塊，可單BDS或單GPS定位，也可聯合定位，由此單套設備可實現高精度定位、方位角和俯仰角或橫滾角測量。此外，根據本發明的接收系統還包括電臺接收，由此可在近海或內河利用岸基臺站播發的偽距改正數，從而達到較高精度。以下結合附圖，通過示例說明本發明主旨的描述，以清楚本發明的其他方面和優點。附圖說明結合附圖，通過下文的詳細說明，可更清楚地理解本發明的上述及其他特徵和優點，其中：圖1為根據本發明實施例的根據本發明的高精度GPS/BDS船載接收系統的結構示意圖；圖2示出了第三個字的定義；圖3示出了第59號報文子報文1-BDS偽距改正；圖4示出了DELTAPRC和RRC；圖5示出了預報位置與實測位置差值；圖6示出了三種窗口殘差；圖7示出了計算值與觀測值的差值；圖8示出了剔除粗差點後預報值與實測值的差值；圖9示出了二次多項式擬合殘差；圖10-圖15示出了三維定位誤差；及圖16示出了定向精度。具體實施方式參見本發明具體實施例的附圖，下文將更詳細地描述本發明。然而，本發明可以以許多不同形式實現，並且不應解釋為受在此提出之實施例的限制。相反，提出這些實施例是為了達成充分及完整公開，並且使本技術領域的技術人員完全了解本發明的範圍。現參考附圖詳細說明本發明的實施例。如圖1所示，根據本發明的高精度GPS/BDS船載接收系統，包括：電臺模塊，其形成偽距差分信號；BDS/GPS雙模定位模塊，其根據偽距差分信號以BDS及/或GPS模式進行定位，並生成觀測數據；AIS接收模塊，其接收周圍船舶位置信息，並將所述周圍船舶位置信息提供至所述定位模塊；定向模塊，其根據所述定位模塊的觀測數據和所述定向模塊的觀測數據作差分，計算載體兩個天線形成的基線的姿態，及電源管理模塊，其進行外部電源到內部電源的轉換並且為上述各模塊提供電力。所述電臺模塊接收岸基臺站播發的偽距改正數，所述接收系統根據所述接收到的偽距改正數與所述接收系統自身測量達到的偽距進行校正，獲得所述偽距差分信號。一實施例中，將船舶位置、速度、航向作為觀測值，預報船舶下一時刻位置。預報之前，首先對船舶位置進行粗差探測，剔除粗差位置點，選取不含粗差的曆元進行預報。將速度信息作為位置信息是否含有粗差的依據。當計算得出的當前曆元船舶位置與所述AIS接收模塊實測當前船舶位置之間的差大於預定值時，則認為觀測值存在粗差。本實施例中，採用BDS/GPS雙核雙星四頻GNSS模塊，可單BDS或單GPS定位，也可聯合定位。單套設備可實現高精度定位、方位角和俯仰角或橫滾角測量。高動態數據輸出，數據更新率支持1Hz、2Hz、5Hz。內置2000伏光電隔離，對接收機有效進行過流過壓保護，預防雷擊。內置二極體電源保護功能，可防電源正負極接反。支持自動差分，差分格式支持RTCM2.X、RTCM3.X以及CMR。兩個電源接口，兩個串口，滿足更多需求的使用。內部儲存為100M，可設置自動記錄原始數據。高度靈活的分體式接收機、天線設計，可以應用於各種姿態測量系統。能提供靜態或動態平臺精確的實時航向、俯仰姿態角。一實施例中，目前，GPS/BDS接收系統的硬體可實現為，包括含前面板、AIS接收板、電臺接收板、高精度定位板卡和高精度定向板卡、殼體和後面板。前面板指示接收機的各種工作狀態，電源狀態、定位板卡的衛星數、定向板卡的衛星數，電臺信號指示；同時配有兩個GNSS射頻接口，一個UHF接口，一個AIS板卡射頻接口，兩個串口。母板負責向其他的板卡和部件提供電源和各種信號接口。母板採用德州儀器的TPS54360電源晶片，該晶片集成MOSFET，支持1％業界領先參考精度，支持4.5V-60V的寬輸入電壓與業界最大溫度範圍，支持3.5A持續電流、4.5A最小峰值感應器電流限值，並且有過熱、過壓和頻率折返保護。定位板卡(也稱主站)利用接收到的差分改正數進行偽距差分定位，實現高精度定位，同時負責向定向板卡(也稱從站)發送主站的觀測數據。採用BDS+GPS雙系統五頻高動態解算引擎，真正實現BDS+GPS的雙星解算，適應更加惡劣、更遠距離的定位環境，支持GPS/BDS單系統獨立定位和BDS+GPS多系統聯合定位，硬體尺寸、接口、數據指令與進口主板兼容。100MB內存數據存儲，可自動記錄原始數據。定向板卡(也稱從站)利用接收到的主站的觀測數據，與自身的觀測數據作差分，計算載體兩個天線形成的基線的姿態角(方向角和俯仰角)。電臺接收板電臺接收板接收岸基基準站的差分改正數，然後通過串口發送給主站。電臺接收板嚴格按照工業級產品工藝設計製造，採用超外差二次變頻電路及先進的頻率合成技術，具有高可靠性、高靈敏度、低誤碼率、抗感染能力強等突出優勢。採用溫度補償電路，頻率穩定度達到±1.5ppm，工作環境溫度範圍可達-40℃-+85℃，功耗低，體積小。AIS接收板接收岸基播發的AIS信息，然後將信息通過串口發送給主站。通訊協議分為兩個部分：用於偽距差分的RTCM2.3數據協議和用於定位結果報告的NMEA0183數據協議。目前，這兩種數據協議基於GPS部分的內容已經非常成熟；由於BDS區域系統與2011年12月27剛剛建成，與BDS有關的國際和國內標準的數據協議尚不完善，甚至完全沒有，本發明因此設計了這些數據協議。基於RTCM2.3的BDS相關數據協議高精度GPS/BDS船載終端要實現高精度的定位和定向，其中高精度定位功能的實現依賴於岸基臺站播發的偽距改正數。船載終端接收到偽距改正數後，對自身測量得到的偽距進行校正，獲得精度更高的偽距觀測量，進而提高定位精度。在近海和內河航道內，這種方式可實現1米左右的定位精度。為了完成上述功能，我們將定義RTCM2.3格式的基於BDS的相關數據報文。RTCM2.3數據協議的報文號段為0～63，而且目前正式使用的為1～37，38～63號報文未明確含義，但RTCM組織規定，其中59號報文為「ProprietaryMessage」，可用於試驗用途。所以，我們在59號報文中，擴展了一系列的相關子報文，用於BDS相關信息的播發；同時在59號報文中，添加一個字，用來標識廠家ID，衛星系統，子報文號等信息，這樣可以區別於其他的應用。在59號報文中擴展子報文的好處在於，既不違背RTCM2.3的相關協議，又可以避免與別的廣播報文相衝突。對RTCM2.3第59號報文的第三個字定義如圖2所示：第1～8位定義為：專用識別碼；第9～14位定義為：子報文號，有效值範圍：0～63；第15～18位定義為：GNSS系統類型標誌，對應關係如下表所示：表1：GNSS系統類型標誌#GNSS系統名稱標誌BDS0GPS1GLONASS2WAAS3GALILEO4QZSS5IRNSS6EGNOS7MASA8GAGAN9第19位定義為同步標誌，有效值為0和1，其中：0：在報文傳輸的當前曆元內，不再有GNSS觀測數據存在。也就是說該條報文為當前傳輸曆元的最後一條報文。1：在報文傳輸的當前曆元內，下一條報文包含其他GNSS的觀測數據。第20～24位定義為保留位。第25～30位定義為第三個字的奇偶校驗位。現描述子報文類型1—差分BDS改正數。目前，子報文ID(Sub-messageID)1號的具體信息定義為：BDS的B1頻率偽距差分改正數。這個子報文的數據信息具體定義如圖3所示。圖3示出了第59號報文子報文1-BDS偽距改正。每顆衛星的信息為40比特，與GPS偽距改正數的1號報文相比，「SATELLITEID」項增加了1個比特，變為6個比特；「ISSUEOFDATA」項減少了一個比特，變為7個比特。其他內容不變。現說明子報文類型1—DELTA差分BDS偽距改正數。圖4示出了DELTAPRC和RRC。該電文播發偽距和偽距變化率改正數在衛星星曆更新時產生的變化量。當基準站收到一份新的星曆時，可能會立即使用新的星曆進行偽距改正數的計算；但是，移動站接收機很可能還在使用「舊」的星曆計算衛星位置，這時，由於基準站和移動站使用的星曆不同，就會產生額外的定位誤差。為了補償星曆更新、或者其他原因導致的星曆使用不同步所帶來的偽距改正數的變化，使用該報文來播發基於兩份不同星曆得到的偽距改正數的變化量。偽距改正數的變化量為：「舊」衛星星曆計算的偽距改正數與「新」衛星星曆計算的偽距改正數之差：DELTAPRC＝PRC(OldIOD)–PRC(NewIOD)偽距變化率改正數的變化量為：「舊」衛星星曆計算的偽距改正數變化率與「新」衛星星曆計算的偽距改正數變化率之差：DELTARRC＝RRC(OldIOD)–RRC(NewIOD)在實際使用中，當移動站接收機監測到IOD的變化時，這時，移動站接收機如果沒有相對應的「新」的星曆，就使用基準站發送來的偽距改正數和偽距改正數變化量來恢復使用「舊」星曆情況下的偽距改正數。PRC(t)＝PRC(NewIOD)(由子報文1獲取)+DELTAPRC(OldIOD)(由子報文2獲取)+RRC(New)*(t-t1)(由子報文1獲取)+DELTARRC(New)*(t–t2)(由子報文2獲取)上式中：t：偽距改正數的使用時刻；t1：子報文1的時刻；t2：子報文2的時刻。現說明子報文9—部分BDS衛星差分改正數。該電文的電文格式與子報文1類似，不同的是，該電文並不發送所有可見的衛星的改正數，而是每次發送3顆衛星的信息，分幾次把所有可見衛星的改正數播發完。每分電文最多包含5個字的內容。這樣做的好處是，數據延遲會略小於子報文1，同時可以適應更低的數據傳輸率。但是，要保證基準站的時鐘有較高的穩定度，以確保每一組改正數包含相近的接收機鐘差，否則，將帶來額外的定位誤差。現詳細描述根據本發明的高精度GPS/BDS船載接收系統的位置確定。船舶速度信息v、方向信息A與位置信息x、y的關係為：建立高階多項式模型：式中，ai、bi為多項式係數。線性化後得出法方程：式(3)中，Bn為第n曆元的係數矩陣，P為觀測值權，δx為待求參數。解算中設立計算窗口，確定窗口內曆元數為m，當新曆元進入時，剔除法方程中失效曆元的觀測值。如m+1曆元數據進入窗口時，法方程變為：只需將當前法方程中失效曆元的相應係數減去，新曆元法方程係數加上即可。鑑於AIS數據獲取多為等時間間隔，短時間內速度變化率較小，本文採用二次多項式方法將船舶位置擬合為時間的函數。將某一運動船隻33個曆元的動態信息採用4個曆元、10個曆元、20個曆元作為窗口進行二次多項式擬合。圖5為船隻三個窗口擬合出的預報位置與實測位置的差值。可以看出，預報值與實測值的差值存在一定的跳變，增加窗口曆元數可以起到一定的平滑效果，但並沒有消除這一現象，如在第29曆元、第33曆元，跳變值依然存在，同時還可以發現，不同窗口的預報值與實測值差值跳變位置一致。因此可以認為跳變是由於衛星位置存在粗差引起。圖6為運動船隻二次多項式擬合殘差圖，可以看出預報窗口曆元數越多，位置殘差越大，這說明並非曆元數越多預報效果越好。結合上節分析，AIS獲取的動態速度信息精度在0.5m/s內。可將速度信息作為位置信息是否含有粗差的依據。令X′為通過前一曆元船舶位置信息、速度信息、航向信息計算得出的當前曆元船舶位置，X為GNSS接收機實測當前船舶位置，若X′-X＞0.5Δt(5)則認為觀測值存在粗差(Δt為曆元間隔)。圖7為上述船隻計算值與觀測值的差值，可以發現第5、9、19、29曆元處差值滿足式(4)，與圖8及圖9得出的跳變位置完全一致。因此，可以認為這四個曆元處位置發生跳變，式(5-2-5)的判斷方法正確可行，將觀測值替換為計算值，消除粗差影響。利用同樣的動態數據，基於船舶的運動特性，採用4個曆元的預報窗口，將船舶位置、速度、航向作為觀測值，擬合二次多項式係數，預報船舶下一時刻位置；預報之前，首先對船舶位置進行粗差探測，剔除粗差位置點，選取不含粗差的四個曆元進行預報。圖8為剔除粗差點後預報值與實測值的差值，可以看出所有曆元的差值均在1m以內。圖9為二次多項式擬合殘差，位置殘差全部在0.2m以內，較圖5精度上有本質的提高，證明了粗差點剔除的合理性。為了進一步驗證該預報方法的精度，對30條船300個曆元的動態信息進行預報，結果如表2所示。表2動態信息預報精度可以看出，大多數預報與實測值的差值在1m以內，根據對船舶速度和方向的分析發現，少量跳變值是由於船舶變向或停泊所造成。為了驗證高精度GPS/BDS接收機的定位、定向精度，作了相應的實驗。為了實現項目所覆蓋的試驗區域，在距離移動站70km處架設了GPS/BDS基準站，位置提前精確標出，誤差小於10釐米，通過網絡向外播發偽距差分信息，移動站通過網絡接收偽距改正數，並計算定位結果，實驗分別用GPS和BDS獨立工作進行實驗，分別記錄24小時的定位結果，三維定位誤差如圖10-16所示。圖10示出了BDS偽距差分東向誤差，圖11示出了BDS偽距差分北向誤差，圖12示出了BDS偽距差分高程誤差，圖13示出了偽距差分東向誤差，圖14示出了GPS偽距差分北向誤差，圖15示出了GPS偽距差分高程誤差。圖16示出了定向精度。經統計，BDS獨立工作的偽距差分精度如下。表3精度統計經統計，GPS獨立工作的偽距差分精度如下。表4GPS偽距差分精度統計上述實驗結果顯示，用獨立GPS和BDS都可以實現項目實驗區域內平面1米(1σ)的定位精度。根據本發明的接收系統採用BDS/GPS雙核雙星四頻GNSS模塊，可單BDS或單GPS定位，也可聯合定位，由此單套設備可實現高精度定位、方位角和俯仰角或橫滾角測量。此外，根據本發明的接收系統還包括電臺接收，由此可在近海或內河利用岸基臺站播發的偽距改正數，從而達到較高精度。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。