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北斗卫星导航系统在航海保障行业的应用
聂乾震
（交通运输部北海航海保障中心 天津 300455）
摘 要：文中介绍了我国北斗卫星导航系统的发展现状、服务性能,并简要回顾了北斗系统国际海事标准化进程,重点阐述了北斗系统在航标助航、海事测绘、海上安全通信和综合业务管理等航海保障各领域的应用,提出了目前应用中出现的若干问题,并就此给出了北斗系统行业应用在顶层设计、标准建设、关键技术创新和安全管理等方面建议,以期通过北斗系统航海保障应用发展,为航海者提供更加高效和便捷的助航服务.
关键词：北斗 航海保障 应用
0 引 言
北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统.从最初的试验系统,到2000年,建成了北斗一号系统,在我国境内提供服务；2012年底建成了北斗二号系统,向亚太地区提供服务；计划在2020年前后,建成北斗全球系统,向全球提供服务,截至目前,已成功发射23颗导航卫星,已经初步具备了区域服务能力,提供包含开放服务和授权服务两种方式的服务,开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务,定位精度10m,测速精度0.2m/s,授时精度10ns；授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户,提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息.
我国的北斗卫星导航系统是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟应用的卫星导航系统,作为当今国民经济和国防建设不可或缺的重要空间基础设施,推广其在涉及国计民生领域的深度应用,实现与GPS的兼容,甚至逐渐取而代之,具有重要的战略意义.
1 北斗在航海保障中应用现状
作为北斗系统应用的“先行者”和最大的民用行业用户,2011年,交通运输部与原总装备部联合启动了“重点运输过程监控管理服务示范系统工程”,在该示范工程的带动下,全国已有超过300万辆营运车辆安装应用北斗兼容终端并接入全国平台,形成了全球最大的营运车辆动态监管系统,有效加强了道路营运车辆监控效率,提高了道路运输安全水平.
如果公路运输是北斗系统国内民用的突破口,那么国际航海应用则是北斗系统走向国际的重要途径.2012年底,我国向国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）提交了《关于北斗应用于国际海事领域的议题》,MSC审议通过了该项提案,同意将北斗在海事领域应用的标准制定工作列入N近两年度的工作计划（2012-2013）,标志着北斗进入国际海事领域应用的标准化工作进入IMO正式工作程序.2013年9月,IMO审议通过了我国提交的首个北斗国际海事标准——《船载北斗卫星导航系统（BDS）接收机设备性能标准》；2014年11月,IMO审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函,这标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统组成部分,获得了面向海事应用的国际合法地位.
为积极响应国家北斗发展战略,在涉及国计民生的行业摆脱对GPS系统的过度依赖,提升海事航海保障领域的安全性,北斗航海保障领域的应用研究、开发和建设如火如荼.
1.1航标助航方面
北斗系统的定位精度为10m,测速精度为0.2m/s,与GPS系统相当,完全满足远洋航行船舶定位导航的需求.为推广北斗在全球航海中的应用,2013年9月,中国卫星导航系统管理办公室和中国海事局相关单位联合组团,在航行安全分委员会（N）第59次会议上提交了《船载北斗卫星导航系统（BDS）接收机设备性能标准》（草案）,并顺利通过了N工作组技术审议.MSC93次会议完成了该标准草案的最终审议,获IMO批准.该标准（MSC.379(93)）规定了船舶应用北斗接收机设备的最低性能标准,是船载北斗终端产品开发及船舶北斗应用的基本技术依据,是实现北斗系统海事领域全面应用的必要条件.
在大洋航行中单点定位10m的精度基本足够,但对于沿岸航行,尤其在船舶进港和靠泊时,单点定位的精度就难以胜任.国际航标协会IALA推荐的现用系统中,GPS是通过单站伪距差分的方式,在无线电指向标载频上（283.5~325khz）播发伪距差分改正信息,船舶通过专用接收机接收该改正信息,并对单点定位结果进行修正以获取5m（95%置信度）的定位精度,这样的系统称作RBN-DGPS,基本满足了沿岸航行的需求.目前国际航标协会（IALA）公布的数据显示,全球已有50余个国家和地区,运行中的沿海无线电指向标差分全球定位系统（RBN-DGPS）台站达400余座.中国沿海正在运行的RBN-DGPS台站有22座,如图1-1所示.
为推进北斗系统的航海保障应用,必须开发相应的增强系统,考虑到不能对现有船舶用户造成影响,北斗的增强必须兼容现有的RBN-DGPS.经过前期的科研攻关,兼容BDS和GPS的RBN-DGNSS系统研发成功,交通运输部海事局从2015年起开始了对现有RBN-DGPS台站的技术改造,实现在无线电指向标上同步播发差分北斗和差分GPS信息,系统组成如图1-3所示：
系统由具有完全自主知识产权的RBN-DGNSS播发站、远程监测系统、用户终端及数据中心等组成.播发站产生并播发差分修正信息.用户终端利用接收到的差分修正信息和卫星星历实现高精度定位.远程监测系统监测系统的工作状态.数据中心接收播发站的本地监测数据和远程监测系统的远程监测数据,对整个系统进行监控.目前船载RBN-DGNSS终端以及便携式一体终端等均已研发成功,整个系统的应用测试表明RBN-DGNSS可以大大提高系统的信号的连续性、稳定性和可靠性,定位精度在无线电指向标覆盖范围300km内平面优于1.5m（95%置信度）,北斗和GPS单独定位精度相当,BDS/GPS联合定位精度、数据有效率都优于单个卫星导航系统,定位精度相对于GPS提高25%,相对于北斗提高30%左右.
1.2 海事测绘及精密定位方面
对于有更高精度要求的海事测绘和水工作业,已经在渤海湾、长江口和珠江口等重点水域和航路建设了北斗连续运行服务参考站（BD-CORS）系统,提供实时厘米级的定位服务,在“十三五”期间,交通运输部海事局将陆续完成项目补点建设,争取实现全国沿海重点水域的有效覆盖.BD-CORS的系统结构如图1-4所示：
BD-CORS的服务参数如表1所示：
结合行业应用需求,基于BD-CORS系统,开发了大型船舶高精度导航及靠泊仪,该靠泊仪支持北斗、GPS两种定位模式,可同时支持AIS、北斗、雷达等不同船舶数据的接收与显示,并提供厘米级的高精度导航定位服务,从而为夜航、雾航情况下的船舶高精度定位、导航和安全靠泊提供技术支持,保障船舶始终航行在安全可航水域.
1.3 海上安全通信和船舶避碰方面
播发航行警告等海上基本安全信息是海事部门代表国家政府履行国际公约和沿岸国义务的需要,关系到海事管理以及国家经济发展大局,关系到国内外船舶海上航行和作业的安全.及时向船舶提供有效的海上安全信息,对于预防和减少海上交通事故的发生,具有重要的作用.利用北斗的短报文通信功能,开展海上安全信息播发业务,将有效提高安全信息播发覆盖范围,提升播发效率.2016年10月1日,北海航海保障中心自主研制的北斗安全信息播发系统面向公众用户免费开发,该系统可及时获取由天津海岸电台发布的最新海上重大安全信息,在遇到险情时可选择通过北斗终端进行报警,可实现海上北斗终端与陆上收集用户的短信通信.该业务的开通在遇险救助、船舶安全航行等方面发挥积极作用,将显著扩大海岸电台的服务范围,丰富现有的水上遇险报警手段,同时为广大航海用户与陆地见的便捷通信提供了新的选择.
此外,利用北斗系统的定位和通信功能,在岸基AIS（船舶自动识别系统）覆盖范围之外,可以实现类似AIS的功能,起到船舶位置信息报告、自动识别和避碰等作用.从而大大提升船舶航行安全,并有效扩展船舶的远程监控,有利于船公司及海事监管部门对船舶的监控和管理.
1.4 综合业务管理方面
将北斗的定位导航授时功能与航海保障具体业务结合,还开发了诸多的综合业务管理系统,包括：航标遥测遥控系统、离岸水文信息采集系统,以及无验潮水深测量等.
传统的航标遥测遥控系统主要采用公网移动网络和AIS数据链路进行通信,对于公网和AIS基站无法覆盖的水域一直是一个难题.部分重要航标和巡检距离较远的航标由于无法遥测遥控,曾造成航标漂失后无法连续定位,漂到周边国家和地区的情况,引起国际纷争,也偶有发生. 基于北斗的航标遥测遥控系统,具有监控范围大,数据可靠的优势.其通过传感器收集航标灯器的工作电压、工作电流等信息,通过 BDS 采集航标位置信息,经过北斗遥测终端调制、编码处理后通过北斗卫星传送给中心服务器.航标管理人员通过客户端可以调用中心服务器上的航标遥测数据并在电子海图界面上显示,从而实现对航标工作状况的实时、动态监测.
离岸水文信息采集系统是在远离海岸线和岛礁区域无法设置固定水文潮站的沿海或近海,通过抛设海洋浮标定点观测水文资料等信息,并实时地测报并提供给海上测量作业现场的一种信息获取系统.
2 未来应用设想
从上可见,北斗卫星导航系统已在涉及航标助航、海事测绘和海上安全通信等航海保障全领域获得了广泛的应用,对于增强我国海事国家安全,提升航海保障效能,为航海者提供卓越高效的服务等方面均起到了积极的推动和促进作用.然而,由于北斗系统自身尚在完善之中,相关的应用研究起步较晚,特别是用户对GPS的惯性依赖,所以,北斗系统在国际航海上的推广普及以及深入可持续应用方面还存在以下问题：
（1）与航海保障行业结合的应用虽然遍地开花,但是由于缺乏统一的规划和引导,导致海事航航保障系统内部以及与其他行业间均是各自为政,系统和行业间的互联互通互用不够顺畅.
（2）标准建设相对滞后,虽然北斗系统层面的规范文件,譬如,北斗系统空间信号接口控制文件公开服务信号,北斗系统公开服务性能规范等均已发布,船载设备标准也陆续出台,但众多的国际组织涉及的应用标准五花八门,这导致北斗标准国际化难度较大,需要开展的工作繁多.
（3）尚未全面开发北斗系统的自身优势,与航海保障业务结合的深度不够,关键技术创新欠缺,现有的应用基本围绕原有的GPS应用领域开展,在其他领域应用虽有,但是尚未形成规模.
（4）北斗系统是国家重要的空间基础设施,其在航海保障行业的应用,涉及众多的位置信息和船舶信息,在安全管理方面有所考虑,但还不够完善.
针对以上问题,在“十三五”期间,航海保障部门应更加积极响应国家北斗和海洋发展战略,对北斗系统的航海保障应用进行高角度、深层次的谋划,争取在2020年北斗全球覆盖时,形成北斗航海保障领域的全面深入和特色化的应用,为此,建议如下：
（1）建议海上航海保障主管部门,做好北斗系统应用的顶层设计和总体布局谋划工作,对整体技术架构和安全策略进行详细设计,打通行业内部的互联互通,并预留接口为其他行业应用提供数据共享.
（2）加强国际标准的跟踪研究和国内标准的建设,完善北斗系统应用的标准体系,积极参与国际会议,通过国际沟通协调机制,适时实现国内标准的国际转化,通过IMO、IALA、RTCM等组织推进,引领北斗系统的国际化.
（3）继续开展北斗系统应用的关键技术创新,在北斗高精度实时定位方面（地基、星基增强）开展服务模式的创新,力争实现广域米级、沿岸分米级、重点水域厘米级、事后处理毫米级定位,为船舶安全航行、海事管理、海洋测绘、港口工程、航道疏浚、海洋渔业、海洋资源调查等行业提供高精度的公益性的导助航服务,并进一步开拓与行业监管结合领域的应用,比如北斗AIS一体化研发及应用、北斗全球海上应急搜救综合管理平台建设等.
（4）在加强北斗系统应用推进,为航海者提供高效便捷服务的同时,稳步做好航海保障业务安全信息安全管理工作,在系统建设初期做好安全策略设计,实施中做好物理隔离,最大化降低信息安全漏洞.
3 展望
北斗系统作为国际海事组织认可的全球无线电导航系统,其在船舶安全航行、智慧海事、e-航海建设等诸多方面还有诸多应用潜力,前景广阔.北海航海保障中心将以服务航海用户需求为导向,通过走出去和引进来战略,积极争取国家政策和资金的支持,开拓创新,通过北斗航海保障应用研发和应用,不断提升综合航海保障能力,切实为航海者提供高效卓越的服务.
卫星导航论文范文结:
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