北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在遠海島礁建設中的應用探討

田俊峰，崔銀秋

（1.中國交通建設集團有限公司，北京 100086；2.上海達華測繪有限公司，上海 200136）

1 概述

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System“BDS”）是我國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Global Positioning System“GPS”）和俄羅斯全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System“GLONASS”）、歐洲“伽利略GALILEO”系統(tǒng)之后第4個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端組成，采用衛(wèi)星無線電測定（RDSS）與衛(wèi)星無線電導航（RNSS）集成體制，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經(jīng)初步具備區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時能力，其中開放服務面向全球范圍，定位精度10 m，授時精度20 ns，測速精度0.2 m/s；授權服務包括全球范圍更高性能的導航定位服務，以及亞太地區(qū)的廣域差分服務和短報文通信服務[1]。

2 北斗遠海島礁建設工程實時數(shù)據(jù)傳輸服務

科學技術快速更新的今天，船舶精細化施工高度依賴信息化技術手段，工程船舶施工狀態(tài)數(shù)據(jù)需要實時傳輸至公司進行施工狀態(tài)分析處理研究，為實時動態(tài)掌握船舶狀況、施工效率和優(yōu)化施工工藝奠定堅實基礎。海洋實時信息服務，是為作業(yè)船舶和用戶提供各類海洋航行、作業(yè)、通信、導航、定位等相關服務。

2.1 北斗潮位信息服務遠海島礁建設

在遠海島礁建設的疏浚、填筑等工程施工和測量中，潮位數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)臏蚀_及時與否至關重要。遠海島礁建設離岸距離遠，潮位數(shù)據(jù)傳統(tǒng)實時傳輸方式受電磁、氣候、距離等外部環(huán)境條件限制，導致潮位數(shù)據(jù)信號丟失，錯誤經(jīng)常發(fā)生，潮位數(shù)據(jù)的實時傳輸越來越困難。利用北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的雙向報文通信和定位功能進行潮位數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡發(fā)布，就能夠很好解決這個問題。利用北斗衛(wèi)星遠距離傳輸?shù)奶攸c，可以建立自主技術的潮位數(shù)據(jù)綜合采集與傳輸系統(tǒng)，通過整理收集中國遠海區(qū)域包括東南亞、西亞等區(qū)域?qū)崟r潮位，結合北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的“有源定位”特點，將潮位站與遠海島礁建設施工位置相結合，通過分帶處理，距離加權改正等計算方法，為遠海島礁建設提供高精度、實時的潮位數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)遠海島礁建設中北斗潮位信息服務的全天候、全覆蓋服務[2]。

2.2 北斗通信服務遠海島礁建設

相對于GPS系統(tǒng)，北斗具有的一個重要優(yōu)勢就是短報文通信功能，現(xiàn)在1臺北斗用戶機1次可傳送120個漢字，這使得在海洋上實現(xiàn)通信服務成為可能。北斗的短報文功能，在遠海島礁建設施工聯(lián)系和應急救援等領域，都具有很強的應用價值。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的前身——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)試驗系統(tǒng)，其具有的短報文功能在四川汶川特大地震、青海玉樹強烈地震、甘肅舟曲特大山洪泥石流等重大自然災害中得到應用并發(fā)揮重要作用。北斗通信服務還可以提供北斗手機端信息，譬如天氣預報等通信服務。

2.3 北斗定位導航服務遠海島礁建設

目前，北斗系統(tǒng)的16顆衛(wèi)星集中分布在亞太地區(qū)，其中5顆集中在赤道面。由于衛(wèi)星發(fā)送信號是向下輻射，分布在一個區(qū)域的衛(wèi)星越多，意味著信號強度、導航精度和穩(wěn)定性越高。我國遠海等區(qū)域靠近赤道，GPS的覆蓋較小，而北斗密集覆蓋。武漢大學2013年11月在泰國的實驗觀測證實，GPS自主定位精度為13 m，而北斗自主定位精度可以達到3~5 m，說明北斗在赤道附近是最佳的導航系統(tǒng)。所以，在我國尚無星基增強系統(tǒng)（SBAS）提供實時位置改正服務的情況下，對遠離大陸、沒有固定的坐標基準的遠海海域，使用北斗導航定位系統(tǒng)是唯一正確的選擇。

2.4 基于北斗衛(wèi)星的海洋測繪系統(tǒng)服務遠海島礁建設

海洋范圍內(nèi)布設大地控制網(wǎng)，進行海洋重力測量，在此基礎上進行水下地形測量，測繪水下地形圖，測定海洋大地水準面。有了水下地形測量的數(shù)據(jù)和水下地形圖，就可以構建大地水準面，這使得作業(yè)船舶有了基準數(shù)據(jù)基礎，從而更好地進行疏浚作業(yè)。利用北斗定位功能和數(shù)據(jù)傳輸功能，就可以精確地把水下地形的位置和深度，以及大地水準面數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)叫畔⒅行模⒗萌S地理信息系統(tǒng)進行實時建模，構建大地水準面和水下地形圖。

3 北斗遠海島礁建設工程實時監(jiān)控指揮

隨著科學技術的發(fā)展，衛(wèi)星定位和通信技術研究逐步成熟，監(jiān)控現(xiàn)代化信息技術和現(xiàn)代化管理技術高效結合，可以讓工程管理更加規(guī)范，決策更加科學，工作更加高效，施工更加順暢。

3.1 北斗在遠海島礁建設中施工監(jiān)控與專家遠程診斷

在遠海島礁施工的工程船舶實時船位、航速、航向、吃水、耙頭深度、泥漿濃度、船載干土方、主機轉速、油耗等施工信息，都有不同的儀器設備進行采集顯示在船舶工作電腦服務器上，如果把這些施工數(shù)據(jù)信息，通過北斗衛(wèi)星鏈路實時傳輸給路面監(jiān)控管理服務中心進行數(shù)據(jù)分析、處理、存儲，所有的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一管理存放在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，供管理者通過中心服務器實時獲得作業(yè)船舶上傳的各類信息，結合系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行生產(chǎn)調(diào)度和業(yè)務管理，同時管理者通過中心服務器可以向下屬作業(yè)船舶發(fā)送控制指令和各種信息，實現(xiàn)施工船舶的實時監(jiān)控，實時調(diào)度，實時操作。

準確獲取海洋工程的實時大數(shù)據(jù)，有利于建立起遠程的專家監(jiān)控、管理與輔助決策系統(tǒng)，最大限度地優(yōu)化遠海島礁建設中的作業(yè)方法，降低作業(yè)成本，提高作業(yè)效率，及時避免并解決作業(yè)過程遇到的各種疑難問題[3]。

3.2 北斗在中交遠海島礁建設工程中的應用初探

中交上航局正在進行的《基于北斗兼容系統(tǒng)的工程船舶智能位置服務平臺研制與應用示范》項目，對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用進行了非常有益的嘗試。該項目可以大大提高潮位數(shù)據(jù)信息、船舶位置信息、船舶施工信息、船舶運行信息、水深檢測圖信息、指揮調(diào)度功能信息的傳輸效率及穩(wěn)定性，有效降低工程管理及運營的相關費用；服務平臺在建設中所產(chǎn)生的硬件及軟件衍生品能夠創(chuàng)造更多的經(jīng)濟價值[4]。

4 北斗遠海島礁建設工程安全保障

目前，民航系統(tǒng)的標準配置是美國GPS衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，GPS只能進行單向通信，飛機只能被動接收衛(wèi)星信號，一旦遭遇事故，只能等待GPS來搜尋自己。而北斗則具有雙向通信功能，信號接收端也可以主動向衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)出消息，從而實現(xiàn)其搜救功能。馬航客機失聯(lián)事件牽動了太多人的神經(jīng)，全世界為之揪心，由于北斗信號接收器尚未成為民航飛機的標準配置，失聯(lián)飛機上沒有安裝北斗接收器。如果失聯(lián)飛機、失事船舶、事故車輛或遇險人員安裝或攜帶了北斗接收終端，救援中心就可以及時找到它的蹤跡，指揮開展應急搜救。我國交通運輸行業(yè)應當積極推動北斗成為行業(yè)的標配[5]，努力提高應對突發(fā)事件的能力。

北斗系統(tǒng)不需要其他系統(tǒng)支持就具備定位和通訊功能，適合遠海島礁建設過程中監(jiān)控管理、資料獲取以及用戶資料傳輸?shù)?，并且我國擁有這個系統(tǒng)的自主產(chǎn)權，使用起來更加安全，可靠，穩(wěn)定，保密性強。對遠海島礁建設施工船舶，擁有自主產(chǎn)權的導航定位系統(tǒng)是非常有必要的，其次通過北斗系統(tǒng)提供實時高精度船位，結合接收機的航跡顯示、防撞報警和航跡偏差報警等功能，正確引導施工船舶按計劃施工路線進行，以保障施工船舶的安全。此外，應用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，施工船舶在茫茫大海上可與岸上及時聯(lián)系互動，施工船舶遭遇故障時可發(fā)出信號開展自救，互救，發(fā)生海上邊界糾紛時也能得到國家支持。

在各類遠海開發(fā)工程中，推廣應用北斗技術是國家建設海洋強國戰(zhàn)略的需要，中國交建是國內(nèi)唯一具備遠海工程開發(fā)建設的企業(yè)，向離岸遠海發(fā)展，更需要北斗的支持。2014年5月，中國交通建設集團完成了北斗指揮系統(tǒng)的搭建、測試與運行，系統(tǒng)具備手機與北斗手持機間的雙向通信，以及北斗手持終端的自動位置上報服務；項目經(jīng)理部內(nèi)網(wǎng)用戶可以隨時訪問，外網(wǎng)用戶可通過授權獲得服務。凡是架設北斗系統(tǒng)的施工船舶均在項目部監(jiān)控范圍內(nèi)，為遠海工程項目的安全管理提供了保障。

當前，中國交建研究提出了北斗技術應用的“三步走”戰(zhàn)略：2008—2014年，以北斗船舶安全應用為突破口，攻克關鍵技術；2013—2015年，建立船舶應急指揮系統(tǒng)；2014—2016年，研制“遠海開發(fā)北斗管理服務平臺”，實現(xiàn)對公司項目部的人員、裝備、物資的安全管理與應用示范[5]。

5 結語

在遠海島礁建設過程中，通過應用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，結合自主移動衛(wèi)星通信、地理信息等技術，將有效提高遠海島礁建設的效率，提高遠海島礁建設的精度，改善現(xiàn)有建設運作和管理中的缺陷，使運作和管理更加高效、規(guī)范、實用、科學，也更加優(yōu)化遠海島礁的航務、航道、圍填海造地建設結構，并且也可以大大提高潮位數(shù)據(jù)信息、船舶位置信息、船舶施工信息、船舶運行信息、水深檢測圖信息、指揮調(diào)度功能信息的傳輸效率及穩(wěn)定性，有效降低工程管理及運營的相關費用，提升遠海島礁建設項目整體管理水平。

[1]北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)政府網(wǎng)站.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)簡介[EB/OL].（2010-01-15）.www.beidou.gov.cn.Government Websites of the BeiDou Navigation Satellite System.Introduction of the BeiDou Navigation Satellite System[EB/OL].（2010-01-15）.www.beidou.gov.cn.

[2]焦永強，萬軍.基于北斗衛(wèi)星的潮位數(shù)據(jù)傳輸與控制技術[C]//華東六省一市測繪技術論壇.2010年現(xiàn)場技術交流會，2010.JIAO Yong-qiang,WAN Jun.Tide-level data transmission and control technique by the BeiDou statellite[C]//Surveying and mappingtechnology forumin East China.On-site technical communication meetingin 2010，2010.

[3] TIAN Jun-feng，DING Shu-you.The application of a production optimization system for a cutter suction dredger[C]//18th world dredgingcongress.USA：Orland,2007.

[4]趙法彬.推廣北斗應用，服務產(chǎn)業(yè)發(fā)展——訪中國交通建設股份有限公司科技部副總經(jīng)理田俊峰[J].數(shù)字通信世界，2014（S1）：59-62.ZHAOFa-bin.To promote the application of the BeiDou statellite and thedevelopment of service industry：visit to Tian Jun fengwho is the deputy general manager of science and technology department of China Communications Construction Co.,Ltd.[J].Digital Communication World,2014（S1）：59-62.

[5] 田俊峰.盡快讓“北斗”服務海洋工程建設[N].交通建設報，2014-05-29.TIAN Jun-feng.Let the BeiDou statellinte serve for marine engineering construction as soon as possible[N].Communications Construction News,2014-05-29.