高精度GPS/BDS船载接收系统的制作方法与工艺

本发明涉及一种AIS船载终端系统，尤其涉及一种基于北斗卫星导航和GPS卫星导航的AIS船载终端系统。

背景技术：
AIS(船舶自动识别系统)的诞生弥补了雷达对船舶跟踪的不足,它在保障船舶航行安全和保护海洋环境方面发挥的作用受到航海界的认可，该系统是自航海雷达应用以来又一先进的航海设备，作为一种船与船、船与岸间通讯及安全避碰手段，支持发展了雷达和船舶交通服务(VTS)，增进了海上生命财产安全和航行安全。目前，AIS系统是海上移动VHF波段采用TDMA技术交换数据的一种避碰系统，该系统在161.975MHz和162.025MHz的两个频点即海上VHF87B/88B频道上收发信号,并合成全球定位系统GPS、电罗经及自动舵、雷达、电子海图等数据，并按需要在显示器上显示船位、动态等信息。目前现有的AIS定位终端其定位系统主要采用GPS-RBN定位技术和北斗定位技术，其定位模式为单频，精度约为10米-5米。最早AIS使用的卫星定位技术主要是美国的GPS，美国的GPS只为美国(尤其是美国军方)提供高精度定位，对其他国家用户只提供低精度的定位服务，而且美国随时可以关闭这种服务(特别是在战时)。与此同时，北斗卫星导航系统日趋成熟，可向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，但其定位精度只有10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。如何使AIS船载设备采用我国自行发射的北斗卫星以及GPS卫星一起进行精确定位，并完成与其他船只以及与陆地基站之间的通讯成为目前需要解决的问题。

技术实现要素：
本发明旨在如何使AIS船载设备采用我国自行发射的北斗卫星以及GPS卫星一起进行精确定位。本发明提供了一种高精度GPS/BDS船载接收系统，包括：电台模块，其形成伪距差分信号；BDS/GPS双模定位模块，其根据伪距差分信号以BDS及/或GPS模式进行定位，并生成观测数据；AIS接收模块，其接收周围船舶位置信息，并将所述周围船舶位置信息提供至所述定位模块；定向模块，其根据所述定位模块的观测数据和所述定向模块的观测数据作差分，计算载体两个天线形成的基线的姿态，及电源管理模块，其进行外部电源到内部电源的转换并且为上述各模块提供电力。一些实施例中，所述电台模块接收岸基台站播发的伪距改正数，所述接收系统根据所述接收到的伪距改正数与所述接收系统自身测量达到的伪距进行校正，获得所述伪距差分信号。一些实施例中，将船舶位置、速度、航向作为观测值，预报船舶下一时刻位置。一些实施例中，预报之前，首先对船舶位置进行粗差探测，剔除粗差位置点，选取不含粗差的历元进行预报。一些实施例中，将速度信息作为位置信息是否含有粗差的依据。一些实施例中，当计算得出的当前历元船舶位置与所述AIS接收模块实测当前船舶位置之间的差大于预定值时，则认为观测值存在粗差。一些实施例中，还包括母板，其向所述船载接收系统的各模块提供电源和各种信号接口。一些实施例中，还包括外部数据接口模块，其可连接电子海图显示设备或传感器。根据本发明的接收系统采用BDS/GPS双核双星四频GNSS模块，可单BDS或单GPS定位，也可联合定位，由此单套设备可实现高精度定位、方位角和俯仰角或横滚角测量。此外，根据本发明的接收系统还包括电台接收，由此可在近海或内河利用岸基台站播发的伪距改正数，从而达到较高精度。以下结合附图，通过示例说明本发明主旨的描述，以清楚本发明的其他方面和优点。附图说明结合附图，通过下文的详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：图1为根据本发明实施例的根据本发明的高精度GPS/BDS船载接收系统的结构示意图；图2示出了第三个字的定义；图3示出了第59号报文子报文1-BDS伪距改正；图4示出了DELTAPRC和RRC；图5示出了预报位置与实测位置差值；图6示出了三种窗口残差；图7示出了计算值与观测值的差值；图8示出了剔除粗差点后预报值与实测值的差值；图9示出了二次多项式拟合残差；图10-图15示出了三维定位误差；及图16示出了定向精度。具体实施方式参见本发明具体实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。现参考附图详细说明本发明的实施例。如图1所示，根据本发明的高精度GPS/BDS船载接收系统，包括：电台模块，其形成伪距差分信号；BDS/GPS双模定位模块，其根据伪距差分信号以BDS及/或GPS模式进行定位，并生成观测数据；AIS接收模块，其接收周围船舶位置信息，并将所述周围船舶位置信息提供至所述定位模块；定向模块，其根据所述定位模块的观测数据和所述定向模块的观测数据作差分，计算载体两个天线形成的基线的姿态，及电源管理模块，其进行外部电源到内部电源的转换并且为上述各模块提供电力。所述电台模块接收岸基台站播发的伪距改正数，所述接收系统根据所述接收到的伪距改正数与所述接收系统自身测量达到的伪距进行校正，获得所述伪距差分信号。一实施例中，将船舶位置、速度、航向作为观测值，预报船舶下一时刻位置。预报之前，首先对船舶位置进行粗差探测，剔除粗差位置点，选取不含粗差的历元进行预报。将速度信息作为位置信息是否含有粗差的依据。当计算得出的当前历元船舶位置与所述AIS接收模块实测当前船舶位置之间的差大于预定值时，则认为观测值存在粗差。本实施例中，采用BDS/GPS双核双星四频GNSS模块，可单BDS或单GPS定位，也可联合定位。单套设备可实现高精度定位、方位角和俯仰角或横滚角测量。高动态数据输出，数据更新率支持1Hz、2Hz、5Hz。内置2000伏光电隔离，对接收机有效进行过流过压保护，预防雷击。内置二极管电源保护功能，可防电源正负极接反。支持自动差分，差分格式支持RTCM2.X、RTCM3.X以及CMR。两个电源接口，两个串口，满足更多需求的使用。内部储存为100M，可设置自动记录原始数据。高度灵活的分体式接收机、天线设计，可以应用于各种姿态测量系统。能提供静态或动态平台精确的实时航向、俯仰姿态角。一实施例中，目前，GPS/BDS接收系统的硬件可实现为，包括含前面板、AIS接收板、电台接收板、高精度定位板卡和高精度定向板卡、壳体和后面板。前面板指示接收机的各种工作状态，电源状态、定位板卡的卫星数、定向板卡的卫星数，电台信号指示；同时配有两个GNSS射频接口，一个UHF接口，一个AIS板卡射频接口，两个串口。母板负责向其他的板卡和部件提供电源和各种信号接口。母板采用德州仪器的TPS54360电源芯片，该芯片集成MOSFET，支持1％业界领先参考精度，支持4.5V-60V的宽输入电压与业界最大温度范围，支持3.5A持续电流、4.5A最小峰值感应器电流限值，并且有过热、过压和频率折返保护。定位板卡(也称主站)利用接收到的差分改正数进行伪距差分定位，实现高精度定位，同时负责向定向板卡(也称从站)发送主站的观测数据。采用BDS+GPS双系统五频高动态解算引擎，真正实现BDS+GPS的双星解算，适应更加恶劣、更远距离的定位环境，支持GPS/BDS单系统独立定位和BDS+GPS多系统联合定位，硬件尺寸、接口、数据指令与进口主板兼容。100MB内存数据存储，可自动记录原始数据。定向板卡(也称从站)利用接收到的主站的观测数据，与自身的观测数据作差分，计算载体两个天线形成的基线的姿态角(方向角和俯仰角)。电台接收板电台接收板接收岸基基准站的差分改正数，然后通过串口发送给主站。电台接收板严格按照工业级产品工艺设计制造，采用超外差二次变频电路及先进的频率合成技术，具有高可靠性、高灵敏度、低误码率、抗感染能力强等突出优势。采用温度补偿电路，频率稳定度达到±1.5ppm，工作环境温度范围可达-40℃-+85℃，功耗低，体积小。AIS接收板接收岸基播发的AIS信息，然后将信息通过串口发送给主站。通讯协议分为两个部分：用于伪距差分的RTCM2.3数据协议和用于定位结果报告的NMEA0183数据协议。目前，这两种数据协议基于GPS部分的内容已经非常成熟；由于BDS区域系统与2011年12月27刚刚建成，与BDS有关的国际和国内标准的数据协议尚不完善，甚至完全没有，本发明因此设计了这些数据协议。基于RTCM2.3的BDS相关数据协议高精度GPS/BDS船载终端要实现高精度的定位和定向，其中高精度定位功能的实现依赖于岸基台站播发的伪距改正数。船载终端接收到伪距改正数后，对自身测量得到的伪距进行校正，获得精度更高的伪距观测量，进而提高定位精度。在近海和内河航道内，这种方式可实现1米左右的定位精度。为了完成上述功能，我们将定义RTCM2.3格式的基于BDS的相关数据报文。RTCM2.3数据协议的报文号段为0～63，而且目前正式使用的为1～37，38～63号报文未明确含义，但RTCM组织规定，其中59号报文为“ProprietaryMessage”，可用于试验用途。所以，我们在59号报文中，扩展了一系列的相关子报文，用于BDS相关信息的播发；同时在59号报文中，添加一个字，用来标识厂家ID，卫星系统，子报文号等信息，这样可以区别于其他的应用。在59号报文中扩展子报文的好处在于，既不违背RTCM2.3的相关协议，又可以避免与别的广播报文相冲突。对RTCM2.3第59号报文的第三个字定义如图2所示：第1～8位定义为：专用识别码；第9～14位定义为：子报文号，有效值范围：0～63；第15～18位定义为：GNSS系统类型标志，对应关系如下表所示：表1：GNSS系统类型标志#GNSS系统名称标志BDS0GPS1GLONASS2WAAS3GALILEO4QZSS5IRNSS6EGNOS7MASA8GAGAN9第19位定义为同步标志，有效值为0和1，其中：0：在报文传输的当前历元内，不再有GNSS观测数据存在。也就是说该条报文为当前传输历元的最后一条报文。1：在报文传输的当前历元内，下一条报文包含其他GNSS的观测数据。第20～24位定义为保留位。第25～30位定义为第三个字的奇偶校验位。现描述子报文类型1—差分BDS改正数。目前，子报文ID(Sub-messageID)1号的具体信息定义为：BDS的B1频率伪距差分改正数。这个子报文的数据信息具体定义如图3所示。图3示出了第59号报文子报文1-BDS伪距改正。每颗卫星的信息为40比特，与GPS伪距改正数的1号报文相比，“SATELLITEID”项增加了1个比特，变为6个比特；“ISSUEOFDATA”项减少了一个比特，变为7个比特。其他内容不变。现说明子报文类型1—DELTA差分BDS伪距改正数。图4示出了DELTAPRC和RRC。该电文播发伪距和伪距变化率改正数在卫星星历更新时产生的变化量。当基准站收到一份新的星历时，可能会立即使用新的星历进行伪距改正数的计算；但是，移动站接收机很可能还在使用“旧”的星历计算卫星位置，这时，由于基准站和移动站使用的星历不同，就会产生额外的定位误差。为了补偿星历更新、或者其他原因导致的星历使用不同步所带来的伪距改正数的变化，使用该报文来播发基于两份不同星历得到的伪距改正数的变化量。伪距改正数的变化量为：“旧”卫星星历计算的伪距改正数与“新”卫星星历计算的伪距改正数之差：DELTAPRC＝PRC(OldIOD)–PRC(NewIOD)伪距变化率改正数的变化量为：“旧”卫星星历计算的伪距改正数变化率与“新”卫星星历计算的伪距改正数变化率之差：DELTARRC＝RRC(OldIOD)–RRC(NewIOD)在实际使用中，当移动站接收机监测到IOD的变化时，这时，移动站接收机如果没有相对应的“新”的星历，就使用基准站发送来的伪距改正数和伪距改正数变化量来恢复使用“旧”星历情况下的伪距改正数。PRC(t)＝PRC(NewIOD)(由子报文1获取)+DELTAPRC(OldIOD)(由子报文2获取)+RRC(New)*(t-t1)(由子报文1获取)+DELTARRC(New)*(t–t2)(由子报文2获取)上式中：t：伪距改正数的使用时刻；t1：子报文1的时刻；t2：子报文2的时刻。现说明子报文9—部分BDS卫星差分改正数。该电文的电文格式与子报文1类似，不同的是，该电文并不发送所有可见的卫星的改正数，而是每次发送3颗卫星的信息，分几次把所有可见卫星的改正数播发完。每分电文最多包含5个字的内容。这样做的好处是，数据延迟会略小于子报文1，同时可以适应更低的数据传输率。但是，要保证基准站的时钟有较高的稳定度，以确保每一组改正数包含相近的接收机钟差，否则，将带来额外的定位误差。现详细描述根据本发明的高精度GPS/BDS船载接收系统的位置确定。船舶速度信息v、方向信息A与位置信息x、y的关系为：建立高阶多项式模型：式中，ai、bi为多项式系数。线性化后得出法方程：式(3)中，Bn为第n历元的系数矩阵，P为观测值权，δx为待求参数。解算中设立计算窗口，确定窗口内历元数为m，当新历元进入时，剔除法方程中失效历元的观测值。如m+1历元数据进入窗口时，法方程变为：只需将当前法方程中失效历元的相应系数减去，新历元法方程系数加上即可。鉴于AIS数据获取多为等时间间隔，短时间内速度变化率较小，本文采用二次多项式方法将船舶位置拟合为时间的函数。将某一运动船只33个历元的动态信息采用4个历元、10个历元、20个历元作为窗口进行二次多项式拟合。图5为船只三个窗口拟合出的预报位置与实测位置的差值。可以看出，预报值与实测值的差值存在一定的跳变，增加窗口历元数可以起到一定的平滑效果，但并没有消除这一现象，如在第29历元、第33历元，跳变值依然存在，同时还可以发现，不同窗口的预报值与实测值差值跳变位置一致。因此可以认为跳变是由于卫星位置存在粗差引起。图6为运动船只二次多项式拟合残差图，可以看出预报窗口历元数越多，位置残差越大，这说明并非历元数越多预报效果越好。结合上节分析，AIS获取的动态速度信息精度在0.5m/s内。可将速度信息作为位置信息是否含有粗差的依据。令X′为通过前一历元船舶位置信息、速度信息、航向信息计算得出的当前历元船舶位置，X为GNSS接收机实测当前船舶位置，若X′-X＞0.5Δt(5)则认为观测值存在粗差(Δt为历元间隔)。图7为上述船只计算值与观测值的差值，可以发现第5、9、19、29历元处差值满足式(4)，与图8及图9得出的跳变位置完全一致。因此，可以认为这四个历元处位置发生跳变，式(5-2-5)的判断方法正确可行，将观测值替换为计算值，消除粗差影响。利用同样的动态数据，基于船舶的运动特性，采用4个历元的预报窗口，将船舶位置、速度、航向作为观测值，拟合二次多项式系数，预报船舶下一时刻位置；预报之前，首先对船舶位置进行粗差探测，剔除粗差位置点，选取不含粗差的四个历元进行预报。图8为剔除粗差点后预报值与实测值的差值，可以看出所有历元的差值均在1m以内。图9为二次多项式拟合残差，位置残差全部在0.2m以内，较图5精度上有本质的提高，证明了粗差点剔除的合理性。为了进一步验证该预报方法的精度，对30条船300个历元的动态信息进行预报，结果如表2所示。表2动态信息预报精度可以看出，大多数预报与实测值的差值在1m以内，根据对船舶速度和方向的分析发现，少量跳变值是由于船舶变向或停泊所造成。为了验证高精度GPS/BDS接收机的定位、定向精度，作了相应的实验。为了实现项目所覆盖的试验区域，在距离移动站70km处架设了GPS/BDS基准站，位置提前精确标出，误差小于10厘米，通过网络向外播发伪距差分信息，移动站通过网络接收伪距改正数，并计算定位结果，实验分别用GPS和BDS独立工作进行实验，分别记录24小时的定位结果，三维定位误差如图10-16所示。图10示出了BDS伪距差分东向误差，图11示出了BDS伪距差分北向误差，图12示出了BDS伪距差分高程误差，图13示出了伪距差分东向误差，图14示出了GPS伪距差分北向误差，图15示出了GPS伪距差分高程误差。图16示出了定向精度。经统计，BDS独立工作的伪距差分精度如下。表3精度统计经统计，GPS独立工作的伪距差分精度如下。表4GPS伪距差分精度统计上述实验结果显示，用独立GPS和BDS都可以实现项目实验区域内平面1米(1σ)的定位精度。根据本发明的接收系统采用BDS/GPS双核双星四频GNSS模块，可单BDS或单GPS定位，也可联合定位，由此单套设备可实现高精度定位、方位角和俯仰角或横滚角测量。此外，根据本发明的接收系统还包括电台接收，由此可在近海或内河利用岸基台站播发的伪距改正数，从而达到较高精度。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。