CN109932732A - 利用ais和无线公网接收北斗差分信息的方法和装置 - Google Patents

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熊辉
李鹤鸣
桓兆平
马林
沈建军
廖威
文军福
金华标
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Abstract

本发明公开了一种利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法和装置，所述方法包括步骤：1)计算地基增强基站与北斗导航卫星系统中卫星的纬距ρg；2)计算卫星到地基增强基站的几何距离R；3)计算伪距改正数C并向船舶(S)广播；4)船舶计算平均纬距校正值PRC；5)船舶获取定位数据包，获得纬距矫正距离Ls、船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)。本发明装置包括设置于地基增强基站的数据处理与控制中心、公网数据传输基站、AIS基站、设置于船舶的北斗数据处理模块、主控模块、船舶数据传输管理终端，为用户提供了精度达到米级甚至厘米级的高精度的实时位置服务，保障船舶航行安全，具有覆盖广、定位精度高、连续性强、完整性好、环境影响小等优点。

Description

利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法和装置
技术领域
本发明涉及船舶定位导航技术领域，具体地涉及一种船岸公共信息交互终端，更具体地指一种利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法和装置。
背景技术
当船舶在河道内航行的时候，若船舶定位精度低，必然会导致船舶驾驶难度增大，通行安全系数降低，航行速率下降，大大降低船舶航道的通航效率，因此，船舶需提升定位精度来确保航道通航安全和效率。
自北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System，BDS)正式向亚太大部分地区提供服务以来，我国的卫星导航产业发展迅猛，由于存在星历误差、电离层对流层延迟效应误差、多径效应误差使用户定位产生误差，单点定位精度可以达到十米的定位水平，进而不能满足用户精密定位需求。
北斗地基增强系统为用户提供了高精度的实时位置服务。可使北斗定位精度达到米级甚至厘米级的定位精度，在定位装置中利用北斗地基增强系统可以将定位的精准度提高很多级别，因此在各种设备或者系统中具备良好的应用前景。
AIS系统17号报文用于北斗差分增强信息播发。但是有些地方AIS网络无法覆盖，船舶无法及时获得地基增强定位信息。为解决此类问题，可加入无线公网组成可垂直切换的异构网络。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法和装置，针对AIS网络无法覆盖的地区，可使北斗定位精度达到米级甚至厘米级的定位精度，协助船舶及时获得地基增强定位信息，保障船舶航行安全。
为实现上述目的，本发明所设计的利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：
1)地基增强基站向北斗导航卫星系统获取定位数据包，计算地基增强基站与北斗导航卫星系统中卫星的纬距ρg；
2)地基增强基站根据测绘获得的地固坐标系坐标和定位数据包中的卫星坐标计算卫星到地基增强基站的几何距离R；
3)地基增强基站计算伪距改正数C，C＝R-ρg，将伪距改正数C向船舶广播；
4)船舶接收若干个地基增强基站广播的伪距改正数C，计算平均纬距校正值PRC；
5)船舶向北斗导航卫星系统获取定位数据包，分别计算船舶与北斗导航卫星系统中若干个卫星的纬距ρs，获得纬距矫正距离Ls、船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)；
6)计算船舶定位跳变误差m，
其中，Xp＝X0+n*v*cosθ，Yp＝Y0+n*v*sinθ，船速为v，航向为θ，船舶初始定位为AL(X0，Y0)，n为船舶航行时间，单位为秒；
7)设定的最大跳变误差T，当m＞T时，所述步骤5)中的船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)无效，返回步骤4)。
优选地，所述步骤1)中地基增强基站与北斗导航卫星系统中卫星的纬距ρg的计算公式为：
ρg(t)＝c*t
其中，c为光速，t为卫星到地基增强基站接收机的延迟时间。
优选地，所述步骤4)中平均纬距校正值PRC的计算公式为：
其中，M为地基增强基站的个数，k＝1,2,…M。
优选地，所述步骤5)中船舶与北斗导航卫星系统中每个卫星的纬距ρs、纬距矫正距离Ls的计算公式为：
Ls＝ρs-PRC
其中，ρs(t)＝c*ts，其中，c为光速，ts为卫星到船舶接收机的延迟时间，Ls1、Ls2、Ls3分别为定位依次为(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)和(X3，Y3，Z3)的三颗卫星的纬距矫正距离；
根据Ls1、Ls2、Ls3计算船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)：
优选地，所述步骤4)中平均纬距校正值PRC计算完成后，针对每一个地基增强基站计算校正参数B，并与参数校正上限值Bmax进行对比，若B大于Bmax，则删除该地基增强基站的伪距改正数C，重新计算平均纬距校正值PRC，所述校正参数B的计算公式为：
其中，j为地基增强基站的编号，j＝1,2,…M。
优选地，所述步骤6)中船舶航行时间n设置为大于2s。
优选地，所述步骤5)中船舶与北斗导航卫星系统中每个卫星的纬距ρs、纬距矫正距离Ls的计算公式为：
Ls＝ρs-PRC
其中，ρs(t)＝c*ts，其中，c为光速，ts为卫星到船舶接收机的延迟时间，Ls1、Ls2、Ls3、Ls4分别为定位依次为(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)，(X3，Y3，Z3)和(X4，Y4，Z4)的四颗卫星的纬距矫正距离，根据Ls1、Ls2、Ls3、Ls4计算船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)，三颗卫星的数据用于计算，一颗卫星的数据用于验证：
本发明还提出一种用于上述的利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法的装置，其特殊之处在于，所述装置包括北斗导航卫星系统、设置于地基增强基站的数据处理与控制中心、公网数据传输基站、AIS基站、设置于船舶的北斗数据处理模块、主控模块、船舶数据传输管理终端；
所述数据处理与控制中心用于向北斗导航卫星系统获取地基增强基站的定位数据包，计算伪距改正数C并通过公网数据传输基站、AIS基站广播；
所述公网数据传输基站、AIS基站分别用于以无线公网、AIS网络传输各个地基增强基站的数据处理与控制中心广播的伪距改正数C；
所述北斗数据处理模块用于向北斗导航卫星系统获取船舶的定位数据包，并传输至主控模块；
所述主控模块用于根据船舶的定位数据包、各个地基增强基站的伪距改正数C计算船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)；
所述船舶数据传输管理终端用于接收公网数据传输基站、AIS基站传输的数据，并传输至主控模块。
进一步地，所述装置还包括拓展模块，所述拓展模块包括声光电报警模块、拓展控制板和本地存储器；所述声光电报警模块用于根据拓展控制板的报警指令发出声光电报警信号；所述拓展控制板(72)用于根据主控模块计算出的船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)实时计算船舶安全间距，当其他船舶与本船舶的距离小于安全距离时发出报警指令；所述本地存储器用于存储拓展控制板的数据。
更进一步地，所述装置还包括应用服务器和客户端，所述应用服务器用于与船舶数据传输管理终端通信，通过船舶数据传输管理终端获取主控模块的船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)，所述客户端用于通过调用应用服务器查看船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)。
本发明的有益效果为：
在本发明中，北斗地基增强系统为用户提供了高精度的实时位置服务。可使北斗定位精度达到米级甚至厘米级的定位精度，保障船舶航行安全。本发明具有覆盖广、定位精度高、连续性强、完整性好、环境影响小等优点。
在本发明中，船舶主控模块可以对接收的信息进行自我纠错，排除掉错误或者无效的信息并识别错误类型上报至服务器。
在本发明中，当船舶行至没有AIS信号的区域可依次将通信通道切换至4G、3G和2G以确保船舶在全航段都可以接收到数据处理与控制中心发来的差分改正信息，提高船舶的航行精度。
在本发明中，船员通过计算机、手机、平板等客户端不仅可以对船舶进行监控而且可以发送指令信息至主控模块。通过这种实时的船舶信息监控系统可以让船员及远程工作人员及时掌握船舶运行状态，使信息的获取更加方便，提高了船员和远程工作人员的工作效率。
在本发明中，船舶可得到本船和周围船舶精确地的船舶航速、航向和定位信息通过无线网传至船舶驾驶室，并通过客户端呈现。船员可以根据获得的信息及时调整船艏方向和航速，当船间距小于安全距离会对船员进行声光报警，大大提高了船舶航行的安全系数。
附图说明
图1为本发明利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法的装置的整体结构示意图。
图2为本发明装置工作流程示意图。
图中：北斗导航卫星系统A，地基增强基站G，船舶S，数据处理与控制中心10，公网数据传输基站20，AIS基站30，北斗数据处理模块40，主控模块50，船舶数据传输管理终端60，AIS数据收发模块61，公网数据传输模块62，拓展模块70，声光电报警模块71，拓展控制板72和，本地存储器73，应用服务器80，客户端90。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明提出的一种利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法，包括如下步骤：
1)地基增强基站G向北斗导航卫星系统A获取定位数据包，定位数据包中包括每个卫星的地固坐标系坐标和发送时间，根据定位数据包计算地基增强基站G与北斗导航卫星系统A中卫星的纬距ρg；
ρg(t)＝c*t
其中，c为光速，t为卫星到地基增强基站G接收机的延迟时间。
2)地基增强基站G根据测绘获得的地固坐标系坐标和定位数据包中的卫星坐标计算卫星到地基增强基站G的几何距离R；
卫星地形地固坐标系坐标为(Xi，Yi，Zi)，通过测绘得到的地基增强基站G的接收机天线中心位置坐标为(Xa，Ya，Za)，计算卫星与基准站几何距离R。
3)地基增强基站G计算伪距改正数C，C＝R-ρg，通过17号报文协议传至AIS基站，通过RTCM协议传至公网数据传输基站。并采用广播方式向船舶S发送伪距改正数C。
4)船舶S接收若干个地基增强基站G广播的伪距改正数C，计算平均纬距校正值PRC。
其中，M为地基增强基站G的个数，k＝1,2,…M。
平均纬距校正值PRC计算完成后，针对每一个地基增强基站G计算校正参数B，并与参数校正上限值Bmax进行对比，若B大于Bmax，则删除该地基增强基站G的伪距改正数C，重新计算平均纬距校正值PRC，所述校正参数B的计算公式为：
其中，j为地基增强基站G的编号，j＝1,2,…M。
通过对多个地基增强基站G接收机的伪距校正值进行计算，以参数B值进行评估。计算同一时间各个接收机的B值后，和B上限值Bm进行对比，若大于Bm则该组数据无效，进而提高本方法的完好性、可用性。
5)船舶S向北斗导航卫星系统A获取定位数据包，分别计算船舶S与北斗导航卫星系统A中若干个卫星的纬距ρs，ρg(t)＝c*ts，c为光速，ts为卫星到船舶S接收机的延迟时间，计算纬距矫正距离Ls、船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)。
Ls＝ρs-PRC
其中，ρs(t)＝c*ts，其中，c为光速，ts为卫星到船舶(S)接收机的延迟时间，Ls1、Ls2、Ls3分别为定位依次为(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)和(X3，Y3，Z3)的三颗卫星的纬距矫正距离；
根据Ls1、Ls2、Ls3计算船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)：
亦可通过四颗卫星计算船舶精确定位。Ls1、Ls2、Ls3、Ls4分别为定位依次为(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)，(X3，Y3，Z3)和(X4，Y4，Z4)的四颗卫星的纬距矫正距离，根据Ls1、Ls2、Ls3、Ls4计算船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)，三颗卫星的数据用于计算，一颗卫星的数据用于验证：
6)计算船舶定位跳变误差m，通过计算船舶定位跳变误差m筛选错误船舶定位。
其中，Xp＝X0+n*v*cosθ，Yp＝Y0+n*v*sinθ，船速为v，航向为θ，船舶初始定位为AL(X0，Y0)，n为船舶航行时间，单位为秒，n须设定为大于系统计算所需的时间，一般大于2s，可设定为3s。
7)设定的最大跳变误差T，当m＞T时，所述步骤5)中的船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)无效，返回步骤4)。
基于上述方法本发明还提出一种利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法的装置，包括北斗导航卫星系统A、设置于地基增强基站G的数据处理与控制中心10、公网数据传输基站20、AIS基站30、设置于船舶S的北斗数据处理模块40、主控模块50、船舶数据传输管理终端60、拓展模块70、应用服务器80和客户端90。
数据处理与控制中心10用于向北斗导航卫星系统A获取地基增强基站G的定位数据包，计算伪距改正数C并通过公网数据传输基站20、AIS基站30广播；
公网数据传输基站20、AIS基站30分别用于以无线公网、AIS网络传输各个地基增强基站G的数据处理与控制中心10广播的伪距改正数C；
北斗数据处理模块40用于向北斗导航卫星系统A获取船舶S的定位数据包，并通过串口传输至主控模块50。
主控模块50用于根据船舶S的定位数据包、各个地基增强基站G的伪距改正数C计算船舶精确定位Xs，Ys，Zs。主控模块50的第一串口通信端连接北斗数据处理模块40的串口通信接口，主控模块50的第二串口通信端连船舶数据传输管理终端60通信模块的串口通信端，主控模块50的第三串口通信端连接拓展模块70的拓展控制板72。
船舶数据传输管理终端60用于接收公网数据传输基站20、AIS基站30传输的数据，并传输至主控模块50。船舶数据传输管理终端60包括AIS数据收发模块61和公网数据传输模块62，分别接收公网数据传输基站20、AIS基站30传输的信好。当船舶S行至没有AIS信号的区域可依次将通信通道切换至4G、3G和2G以确保船舶S在全航段都可以接收到数据处理与控制中心10发来的伪距改正数C，提高船舶S的航行精度。
拓展模块70包括声光电报警模块71、拓展控制板72和本地存储器73；声光电报警模块71用于根据拓展控制板72的报警指令发出声光电报警信号；拓展控制板72用于根据主控模块50计算出的船舶精确定位Xs，Ys，Zs实时计算船舶安全间距，当其他船舶与本船舶的距离小于安全距离时发出报警指令；本地存储器73用于存储拓展控制板72的数据。
应用服务器80用于与船舶数据传输管理终端60通过无线网络通信，通过船舶数据传输管理终端60获取主控模块50的船舶精确定位Xs，Ys，Zs、航速、航向及船舶定位图及时调整船艏方向和航速，客户端90用于无线网络通过调用应用服务器80查看船舶上述信息。
如图2所示，本装置工作时，覆盖区域内的北斗导航卫星系统A空中可见北斗卫星的定位信号，并通过网络通信系统将观测数据的定位数据包实时传输至地基增强基站A的数据处理与控制中心10。数据处理与控制中心10解算自身基准站的实时数据，生成伪距改正数C。数据处理与控制中心10分别按照17号报文协议和RTCM协议传至AIS基站20和无线公网数据传输基站30采用广播方式向船舶S发送更改信息，船舶数据传输管理终端60可根据船舶网络信号覆盖强弱选择接收AIS或者无线公网传输的更改信息，信号优先级依次为AIS信号、4G信号、3G信号、2G信号。船舶S接收并筛选数据处理与控制中心10播发的伪距改正数C，利用伪距改正数C结合自身观测数据解算出高精度坐标。测得的船舶坐标可保存至拓展模块70的本地存储器中，当两船间距小于安全距离时会进行声光报警。主控模块70得出的船舶实时的航速、航向及船舶定位信息传至应用服务器80存储。船员通过无线网下载数据至客户端90；船员根据获得的船舶S实时的航速、航向及船舶定位图及时调整船艏方向和航速。
最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本专利技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)地基增强基站(G)向北斗导航卫星系统(A)获取定位数据包，计算地基增强基站(G)与北斗导航卫星系统(A)中卫星的纬距ρg；
2)地基增强基站(G)根据测绘获得的地固坐标系坐标和定位数据包中的卫星坐标计算卫星到地基增强基站(G)的几何距离R；
3)地基增强基站(G)计算伪距改正数C，C＝R-ρg，将伪距改正数C向船舶(S)广播；
4)船舶(S)接收若干个地基增强基站(G)广播的伪距改正数C，计算平均纬距校正值PRC；
5)船舶(S)向北斗导航卫星系统(A)获取定位数据包，分别计算船舶(S)与北斗导航卫星系统(A)中若干个卫星的纬距ρs，获得纬距矫正距离Ls、船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)；
6)计算船舶定位跳变误差m，
其中，Xp＝X0+n*v*cosθ，Yp＝Y0+n*v*sinθ，船速为v，航向为θ，船舶初始定位为AL(X0，Y0)，n为船舶航行时间，单位为秒；
7)设定的最大跳变误差T，当m＞T时，所述步骤5)中的船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)无效，返回步骤4)。
2.根据权利要求1所述的利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法，其特征在于：所述步骤1)中地基增强基站(G)与北斗导航卫星系统(A)中卫星的纬距ρg的计算公式为：
ρg(t)＝c*t
其中，c为光速，t为卫星到地基增强基站(G)接收机的延迟时间。
3.根据权利要求1所述的利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法，其特征在于：所述步骤4)中平均纬距校正值PRC的计算公式为：
其中，M为地基增强基站(G)的个数，k＝1,2,…M。
4.根据权利要求1所述的利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法，其特征在于：所述步骤5)中船舶(A)与北斗导航卫星系统(C)中每个卫星的纬距ρs、纬距矫正距离Ls的计算公式为：
Ls＝ρs-PRC
其中，ρs(t)＝c*ts，其中，c为光速，ts为卫星到船舶(S)接收机的延迟时间，Ls1、Ls2、Ls3分别为定位依次为(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)和(X3，Y3，Z3)的三颗卫星的纬距矫正距离；
根据Ls1、Ls2、Ls3计算船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)：
5.根据权利要求3所述的利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法，其特征在于：所述步骤4)中平均纬距校正值PRC计算完成后，针对每一个地基增强基站(G)计算校正参数B，并与参数校正上限值Bmax进行对比，若B大于Bmax，则删除该地基增强基站(G)的伪距改正数C，重新计算平均纬距校正值PRC，所述校正参数B的计算公式为：
其中，j为地基增强基站(G)的编号，j＝1,2,…M。
6.根据权利要求3所述的利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法，其特征在于：所述步骤6)中船舶航行时间n设置为大于2s。
7.根据权利要求1所述的利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法，其特征在于：所述步骤5)中船舶(S)与北斗导航卫星系统(A)中每个卫星的纬距ρs、纬距矫正距离Ls的计算公式为：
Ls＝ρs-PRC
其中，ρs(t)＝c*ts，其中，c为光速，ts为卫星到船舶(S)接收机的延迟时间，Ls1、Ls2、Ls3、Ls4分别为定位依次为(X1，Y1，Z1)，(X2，Y2，Z2)，(X3，Y3，Z3)和(X4，Y4，Z4)的四颗卫星的纬距矫正距离，根据Ls1、Ls2、Ls3、Ls4计算船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)，三颗卫星的数据用于计算，一颗卫星的数据用于验证：
8.一种用于实现权利要求1～7中任一项所述的利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法的装置，其特征在于：所述装置包括北斗导航卫星系统(A)、设置于地基增强基站(G)的数据处理与控制中心(10)、公网数据传输基站(20)、AIS基站(30)、设置于船舶(S)的北斗数据处理模块(40)、主控模块(50)、船舶数据传输管理终端(60)；
所述数据处理与控制中心(10)用于向北斗导航卫星系统(A)获取地基增强基站(G)的定位数据包，计算伪距改正数C并通过公网数据传输基站(20)、AIS基站(30)广播；
所述公网数据传输基站(20)、AIS基站(30)分别用于以无线公网、AIS网络传输各个地基增强基站(G)的数据处理与控制中心(10)广播的伪距改正数C；
所述北斗数据处理模块(40)用于向北斗导航卫星系统(A)获取船舶(S)的定位数据包，并传输至主控模块(50)；
所述主控模块(50)用于根据船舶(S)的定位数据包、各个地基增强基站(G)的伪距改正数C计算船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)；
所述船舶数据传输管理终端(60)用于接收公网数据传输基站(20)、AIS基站(30)传输的数据，并传输至主控模块(50)。
9.根据权利要求8所述的利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法的装置，其特征在于：所述装置还包括拓展模块(70)，所述拓展模块(70)包括声光电报警模块(71)、拓展控制板(72)和本地存储器(73)；所述声光电报警模块(71)用于根据拓展控制板(72)的报警指令发出声光电报警信号；所述拓展控制板(72)用于根据主控模块(50)计算出的船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)实时计算船舶安全间距，当其他船舶与本船舶的距离小于安全距离时发出报警指令；所述本地存储器(73)用于存储拓展控制板(72)的数据。
10.根据权利要求8所述的利用AIS和无线公网接收北斗差分信息的方法的装置，其特征在于：所述装置还包括应用服务器(80)和客户端(90)，所述应用服务器(80)用于与船舶数据传输管理终端(60)通信，通过船舶数据传输管理终端(60)获取主控模块(50)的船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)，所述客户端(90)用于通过调用应用服务器(80)查看船舶精确定位(Xs，Ys，Zs)。
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