“北斗”數(shù)字航標系統(tǒng)構(gòu)建

周立 彭紅春 董春來 湯均博（淮海工學(xué)院測繪工程學(xué)院）

□□隨著海洋交通運輸業(yè)的發(fā)展，船舶趨于大型化、高速化，船舶數(shù)量和水域交通密度及危險貨物裝載量不斷增加，海上交通事故及經(jīng)濟損失呈增長趨勢，嚴重威脅船舶航行安全及海洋生態(tài)環(huán)境。因此，探索構(gòu)建“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗”）數(shù)字航標系統(tǒng)，確保航標信息的準確性和可靠性，為滿足船舶安全航行需求提供更好的服務(wù)具有非常重要的作用。

1 引言

進入21世紀，數(shù)字海洋作為數(shù)字地球的重要組成部分應(yīng)運而生，而數(shù)字航標又是數(shù)字海洋主要信息基礎(chǔ)設(shè)施、信息社會的重要組成部分。根據(jù)國際航標協(xié)會（IALA）的最新定義，數(shù)字航標（又稱虛擬航標）是指物理上不存在，由經(jīng)授權(quán)的助航服務(wù)提供部門發(fā)布能在導(dǎo)航系統(tǒng)中顯示的數(shù)字信息物標；并對物標注解為一個或一組物標。數(shù)字航標可用于告知航海人員航行危險物、安全航路、謹慎駕駛水域和規(guī)避水域等，用來標識能用圖形表示的線、區(qū)域、位置及其他形式。

如今，“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”概念揭開了未來互聯(lián)網(wǎng)神秘的一角。人們設(shè)想通過微電子芯片無源感應(yīng)射頻識別（RFID）技術(shù)，給各種物體“貼上”RFID 芯片作為識別標簽（簡稱電子標簽），利用移動或固定的RFID 感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備對物體的特定屬性信息進行感應(yīng)識別；結(jié)合相關(guān)的位置、時間等信息，按照約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行物物信息交換和通信，將世界各地物體的信息進行匯聚、處理、分析和分發(fā)，以實現(xiàn)物體智能化信息管理的一種智能網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)的雛形。數(shù)字航標的建設(shè)無疑為物聯(lián)網(wǎng)提供了一個大規(guī)模應(yīng)用的平臺，全球航標、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）、船舶交通服務(wù)（VTS）等與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的融合將成為未來新型數(shù)字航標發(fā)展的大趨勢。而“北斗”作為集定位、導(dǎo)航、通信和授時四大功能于一體的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的誕生，它將在海洋創(chuàng)新應(yīng)用與服務(wù)中更加具有優(yōu)勢，必將為數(shù)字航標的構(gòu)建帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。

2 數(shù)字航標的技術(shù)體系

數(shù)字航標是基于計算機技術(shù)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）、電子海圖顯示系統(tǒng)（ECDIS）、AIS、船載航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR）及無線電導(dǎo)航系統(tǒng)（Rnav）等現(xiàn)代高技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展起來的一門新興航標應(yīng)用技術(shù)。隨著電子海圖的推廣和普及應(yīng)用，航海人員從原來按照紙海圖上的標識，依靠目視觀察航標行船到運用電子海圖操縱自動導(dǎo)航系統(tǒng)行船，其間各類助航標志都將在電子海圖上清晰地標識出來。如果某一航區(qū)內(nèi)的助航標志已經(jīng)納入了AIS的管理中，那么在該區(qū)域中的航標（浮標和固定標志）都會按照3分鐘/次的速率送出最新的航標標志數(shù)據(jù)。這些航標數(shù)據(jù)會實時動態(tài)地被船載AIS設(shè)備接收到，并在電子海圖上顯示出來，即電子海圖上將會顯示航行區(qū)域內(nèi)每個航標的實際位置及當(dāng)前工作狀態(tài)等信息。

當(dāng)中心處理系統(tǒng)（例如VTS控制中心）對每個航標設(shè)施的信號經(jīng)處理后以廣播方式發(fā)射出去時，船載AIS設(shè)備同樣會接收到航標信息數(shù)據(jù)，也同樣會自動標繪在電子海圖上。這些來自于VTS控制中心廣播的航標信息數(shù)據(jù)完全等同于實際航標發(fā)出的航標信息數(shù)據(jù)，在電子海圖上反映出來的效果是完全一致的。如果不考慮駕引人員直接觀察到實際航標設(shè)施的燈光、目標等所產(chǎn)生的心理影響，對船載AIS設(shè)備來說，其接收到的并顯示在電子海圖上的航標實時信息，究竟是來自于VTS控制中心的航標信息數(shù)據(jù)，還是真的從實際航標標志上送出的信息并不重要。既然如此，那么從理論上來說，在AIS覆蓋區(qū)域內(nèi)更可以不再需要設(shè)置具體的航標設(shè)備，或至少在那些固定的標志上如大型燈塔、引導(dǎo)標、雷康標志等， 只要配備一臺AIS應(yīng)答器，即可達到與實際物化的助航設(shè)施相一致的效果。由這個虛擬系統(tǒng)構(gòu)成的助航標志系統(tǒng)即為虛擬的航標系統(tǒng)。

3 “北斗”技術(shù)分析

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為一個國家最重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施之一，在國民經(jīng)濟建設(shè)中占有非常重要的位置，不僅是國民經(jīng)濟信息化建設(shè)的重要組成部分和推動力量，也是直接關(guān)系到國家安全的關(guān)鍵性技術(shù)支撐系統(tǒng)。GNSS應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已逐步成為一個全球性的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。而以“北斗”廣泛應(yīng)用為推動力的我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)，正進入產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展的根本轉(zhuǎn)折時期。

我國的衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用始于20世紀80年代，伴隨著“全球定位系統(tǒng)”（GPS）應(yīng)用的熱潮，近10年來，我國的衛(wèi)星定位與導(dǎo)航應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展，并已滲透到了國民經(jīng)濟的許多典型應(yīng)用系統(tǒng)中，如測繪、車輛導(dǎo)航監(jiān)控及海洋漁業(yè)生產(chǎn)等?？梢哉f，從整體而言，我國的衛(wèi)星定位與導(dǎo)航應(yīng)用已融入到我國現(xiàn)代信息社會建設(shè)的進程中。

按照計劃，“北斗”將在2012年發(fā)射6顆衛(wèi)星，并于年底正式提供區(qū)域運行服務(wù)。在海洋導(dǎo)航定位領(lǐng)域，“北斗”的突出優(yōu)勢在于：

· 自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 具有自主知識產(chǎn)權(quán)，高強度加密設(shè)計，系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定，適合涉及國家安全和最大自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報的關(guān)鍵部門應(yīng)用。通過芯片級多模用戶接收機開發(fā)與傳感器網(wǎng)絡(luò)集成，可為海洋用戶提供全天候、高精度、可靠的快速實時定位服務(wù)。

· 簡短報文通信 系統(tǒng)用戶終端具有雙向數(shù)字報文通信功能，注冊用戶利用連續(xù)傳送方式可以傳送多達120 個漢字的信息，能全天候服務(wù)，沒有通信盲區(qū)；解決了海區(qū)高動態(tài)定位和傳感網(wǎng)信息同步通信技術(shù)支持困難問題。

· 獨特的中心節(jié)點式定位處理和指揮型用戶機集成設(shè)計 不僅能使用戶知道自己所處的位置，還可以告訴別人自己的位置，特別適用于動態(tài)目標跟蹤監(jiān)控需要定位導(dǎo)航與移動安全數(shù)據(jù)控制場所，如海上交通運輸、海上搜索營救、海上航標調(diào)度指揮、智能化的海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

“北斗”導(dǎo)航試驗衛(wèi)星進行熱真空試驗

· 精密授時，統(tǒng)一海上時間基準 “北斗”具有單向和雙向兩種授時功能，根據(jù)不同的精度要求，共享“北斗”用戶終端授時，可實現(xiàn)海上動態(tài)運載平臺、裝備設(shè)施與導(dǎo)航定位之間的時間和頻率同步，可為海洋網(wǎng)提供100ns（單向授時）和20ns（雙向授時）的時間同步精度。

· 具備定位與通信雙重功能 為海洋連續(xù)運行參考站（CORS）的建立提供技術(shù)支撐，特別是滿足當(dāng)前在沿海島嶼建設(shè)CORS基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)通信需求，解決了港口、島礁及海上厘米級高精度實時導(dǎo)航定位技術(shù)瓶頸問題。

4 “北斗”數(shù)字航標模型建立

航標系統(tǒng)是海上交通安全保障體系的重要組成部分，對航標的有效監(jiān)控和管理，確保航標信息的準確性和可靠性，具有非常重要的意義。正是為了滿足海事管理部門對航標全息實時測控的需要，航標遙測遙控系統(tǒng)成為數(shù)字航標技術(shù)的新熱點。以GPS、數(shù)字移動通信技術(shù)、電子海圖信息顯示系統(tǒng)（ECDIS）和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主體的航標遙測遙控綜合系統(tǒng)，實現(xiàn)了航標實時監(jiān)控管理和航標信息的發(fā)布，使船舶及涉海部門及時、準確、方便地獲取航標信息，為海上的船舶交通安全保駕護航。

“北斗”數(shù)字航標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在此基礎(chǔ)上，筆者提出了基于“北斗”的數(shù)字航標模型，將“北斗”多模接收機芯片與航標傳感器網(wǎng)絡(luò)集成，構(gòu)建數(shù)字航標網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計基于系統(tǒng)的地理特性、使用范圍、操作環(huán)境及業(yè)務(wù)需求，采用因特網(wǎng)與“北斗”相結(jié)合的方式，數(shù)字航標終端的各種定位信息和狀態(tài)信息，通過AIS/“北斗”網(wǎng)絡(luò)傳送到具有AIS應(yīng)答器或“北斗”芯片的監(jiān)控中心、AIS船舶平臺、航標及各種海上浮標等設(shè)備，實現(xiàn)海上物-物互聯(lián)的智慧海洋。

航標監(jiān)控終端系統(tǒng)框圖

“北斗”數(shù)字航標系統(tǒng)是基于“北斗”衛(wèi)星通信協(xié)議建立的航標遙測遙控應(yīng)用系統(tǒng)，包括海圖基礎(chǔ)平臺、航標遙測遙控和數(shù)據(jù)通信。其中，海圖基礎(chǔ)平臺能向用戶提供完善的電子海圖顯示與控制、導(dǎo)航、數(shù)字航標服務(wù)，數(shù)據(jù)通信由“北斗”的通信技術(shù)支撐。

該系統(tǒng)的工作原理就是利用“北斗”導(dǎo)航天線和接收模塊獲得航標的經(jīng)緯度定位數(shù)據(jù)，通過傳感器采集航標燈工作狀況和參數(shù)，定位信息和狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過單片機處理后，利用“北斗”通信模塊按照設(shè)定的方式和時間傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的計算機上。其中心站監(jiān)控采用高性能計算機、收發(fā)設(shè)備、差分GNSS 處理技術(shù)以及滿足國際海道測量組織（IHO）和國際海事組織（IMO）有關(guān)標準的電子海圖,保證了實時數(shù)據(jù)處理分析的及時、可靠。

按照系統(tǒng)設(shè)計，航標燈器監(jiān)控終端與AIS中心站聯(lián)網(wǎng)，燈器監(jiān)控終端通過水文、氣象及濕度和溫度傳感器獲取的航標運行環(huán)境參數(shù)，檢測航標工作狀態(tài)，采集、存儲數(shù)據(jù)，并按定時指令，將存儲數(shù)據(jù)通過“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星的通信系統(tǒng)傳給AIS中心站；遇到特殊狀態(tài)或燈標運行到報警值時，將即時采集數(shù)據(jù)傳遞給中心站，實現(xiàn)報警或預(yù)報警。航標監(jiān)控終端主要由核心控制模塊、GNSS接收模塊、“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星通信接入模塊、各類傳感器及供電模塊組成，構(gòu)成一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。

納入AIS中心站管理的航標信息，同樣可以實現(xiàn)類似于“船-船”工作模式的應(yīng)用，具有船載AIS的全部功能。當(dāng)來往于AIS 覆蓋區(qū)域內(nèi)的船只向周圍船只發(fā)出詢問時，各類助航標志也會發(fā)出相應(yīng)的應(yīng)答信號。這些助航標志的應(yīng)答信息也同樣被準確地標繪并顯示在導(dǎo)航電子海圖上，使得船舶及時準確地了解周圍助航標志的情況。配合數(shù)字航標自動航行系統(tǒng)，船舶航行的安全率和避碰率都將得到很大的提高。同時，AIS中心站設(shè)立航標監(jiān)控終端，除了實時顯示航標動態(tài)位置和軌跡等信息外，還報告航標燈器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，例如太陽電池組自動切換、光控制航標燈故障應(yīng)急處理等；實時監(jiān)控管理航標自動工作信息；隨時調(diào)閱相關(guān)信息，并發(fā)出有關(guān)指令。

“北斗”應(yīng)用于水利水文

對于我國沿海配布的航標，監(jiān)控終端由電子海圖操作和控制終端組成。電子海圖操作部分具有向服務(wù)器請求海圖數(shù)據(jù)，顯示和操作海圖，實時顯示船舶、航標的當(dāng)前位置和軌跡等功能?？刂平K端的功能是接收中心站送來的航標狀態(tài)及數(shù)據(jù)，進行實時監(jiān)控；隨時調(diào)閱中心站各種相關(guān)信息，并發(fā)出有關(guān)指令。航標燈器監(jiān)控終端與AIS中心站的通信利用“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星的短報文功能傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)起來比較簡單，而且通信成本低。

5 結(jié)束語

基于“北斗”網(wǎng)絡(luò)的航標智能監(jiān)控系統(tǒng)，為航標管理逐步向自動化、綜合化、集中化和智能化發(fā)展提供了一個新方向。由于數(shù)字航標傳感器網(wǎng)絡(luò)依托于網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)實現(xiàn)感知信息的傳遞和協(xié)同，因此，在航標上安裝“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航無線監(jiān)控終端后，既可迅速確定相關(guān)信息位置，又可遠程傳遞各種傳感器采集的數(shù)據(jù)，極大地強化了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大范圍信息獲取能力。

我國對“北斗”擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，且系統(tǒng)本身具有高安全性設(shè)計，完全可以滿足海事、氣象、水利、電力、交通等特殊需求行業(yè)的使用。此外，建立在AIS雙向通信基礎(chǔ)上的指揮調(diào)度和控制操作功能，進一步滿足了數(shù)字航標傳感器網(wǎng)絡(luò)交互的要求。

基于“北斗”的數(shù)字航標傳感器網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)全疆域無縫隙覆蓋。目前，全天候?qū)崟r工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已初具規(guī)模，在各相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用中極大地提高了信息化水平和管理效率，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益?！?/p>