北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在艦艇上的擴(kuò)展應(yīng)用

劉冬利，龐海濱，戴 耀

(1.大連海事大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連 116026;2.海軍大連艦艇學(xué)院信息作戰(zhàn)系，遼寧大連 116018;3.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì)，遼寧大連 116018）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在艦艇上的擴(kuò)展應(yīng)用

劉冬利1，2，龐海濱3，戴 耀2

(1.大連海事大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連 116026;2.海軍大連艦艇學(xué)院信息作戰(zhàn)系，遼寧大連 116018;3.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì)，遼寧大連 116018）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?yàn)榕炌в脩籼峁┒ㄎ?、?dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)。通過對(duì)北斗系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)和利用，能夠更好地發(fā)揮其軍事效能，提高艦艇的信息化水平。本文在分析北斗系統(tǒng)性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出將其應(yīng)用于艦艇裝備維修遠(yuǎn)程支援、艦載雷達(dá)標(biāo)定和艦艇態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控的具體方案，為北斗系統(tǒng)在艦艇上的擴(kuò)展應(yīng)用提供借鑒和參考。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);遠(yuǎn)程支援;標(biāo)定;態(tài)勢(shì)監(jiān)控

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)艦艇上有著舉足輕重的地位，GPS已經(jīng)被美海軍艦艇部隊(duì)廣泛應(yīng)用于艦艇導(dǎo)航、武器制導(dǎo)、系統(tǒng)授時(shí)和海上搜救等領(lǐng)域，起到了戰(zhàn)斗力倍增器的作用。2012年12月27日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)，系統(tǒng)性能有了很大提高，功能更加完善，能夠?yàn)榕炌в脩籼峁┚_的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)以及短報(bào)文通信服務(wù)。通過對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的深入開發(fā)和利用，能夠使其在艦艇上得到更為廣泛的應(yīng)用，將為我艦艇部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的提升提供有力的信息支撐。本文對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在艦艇裝備維修遠(yuǎn)程支援、艦載雷達(dá)標(biāo)定和艦艇態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控上的應(yīng)用進(jìn)行了深入探討，并給出具體方案。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研制、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它能夠?yàn)楦黝愑脩籼峁┤旌?、全天時(shí)、高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)。同時(shí)，北斗系統(tǒng)具有的短報(bào)文通信功能是相對(duì)于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所獨(dú)有的功能。

根據(jù)2012年12月發(fā)布的《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報(bào)告》，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通區(qū)域服務(wù)后，保留了有源定位方式，并開始提供連續(xù)的無(wú)源定位服務(wù)。無(wú)源定位精度可以達(dá)到平面10 m、高程10 m。測(cè)速精度0.2 m/s。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確授時(shí)服務(wù)，系統(tǒng)定時(shí)發(fā)播授時(shí)信息，為用戶提供時(shí)差修正值。單向授時(shí)精度為50 ns。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文通信可以實(shí)現(xiàn)用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間的雙向報(bào)文通信，允許用戶每次最多可以進(jìn)行120個(gè)漢字的通信。系統(tǒng)還能夠?qū)νㄐ艃?nèi)容進(jìn)行加密，完成一定級(jí)別的保密通信。

2 北斗系統(tǒng)在艦艇上的擴(kuò)展應(yīng)用

2.1 艦艇裝備維修遠(yuǎn)程支援

隨著我海軍使命任務(wù)的不斷拓展，水面艦艇將承擔(dān)越來越多的遠(yuǎn)海作戰(zhàn)與訓(xùn)練任務(wù)，裝備維修遠(yuǎn)程支援將成為艦艇裝備維修的一種主要方式。艦艇裝備維修遠(yuǎn)程支援目前可以利用的無(wú)線通信手段包括短波通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和北斗通信系統(tǒng)。北斗的短報(bào)文通信相對(duì)于短波通信和衛(wèi)星通信具有成本低、通信距離遠(yuǎn)、設(shè)備體積小、適裝性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足艦艇進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息傳輸?shù)男枨螅倍范虉?bào)文通信具有加密功能，符合海軍信息傳輸?shù)谋Ｃ芤蟆?/p>

裝備維修遠(yuǎn)程支援需要傳輸?shù)男畔ㄑb備狀態(tài)描述、故障圖片文件和裝備自檢信息等。裝備各個(gè)部分所有的狀態(tài)信息、指示信息、測(cè)試信息，包括可能的故障狀態(tài)可以通過統(tǒng)一的狀態(tài)描述和編碼壓縮成幾十個(gè)byte的信息，然后傳輸?shù)竭h(yuǎn)程專家處再進(jìn)行解碼復(fù)現(xiàn)。北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信每次最多可以進(jìn)行200個(gè)byte的通信［1］，完全可以將裝備狀態(tài)描述信息一次性傳輸。然而圖片文件和裝備的自檢信息無(wú)法通過一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)完成發(fā)送，可以通過制定一個(gè)基于北斗系統(tǒng)的長(zhǎng)報(bào)文通信協(xié)議，將裝備維修通信數(shù)據(jù)分包進(jìn)行發(fā)送。因此，將北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能作為裝備維修遠(yuǎn)程支援的信息傳輸手段完全可行。

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的艦艇裝備維修遠(yuǎn)程支援系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 艦艇裝備遠(yuǎn)程支援系統(tǒng)組成Fig.1 The configuration of remote support system of shipborn equipment repairing

利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文通信進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)通信時(shí)存在數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，制定長(zhǎng)報(bào)文通信協(xié)議可以借鑒衛(wèi)星TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中對(duì)數(shù)據(jù)通信控制的方法:對(duì)大的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包并加相應(yīng)的包頭，接收端對(duì)接收的數(shù)據(jù)包拆除包頭，并對(duì)數(shù)據(jù)合并，如果有數(shù)據(jù)包丟失，則要求發(fā)送端重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)包，直到所有的數(shù)據(jù)接收完畢為止，從而保證了利用北斗短報(bào)文通信進(jìn)行信息傳輸?shù)目煽啃裕?］。

2.2 艦載雷達(dá)標(biāo)定

艦載雷達(dá)是艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要信息來源，其測(cè)量精度直接影響到艦艇的信息作戰(zhàn)能力［3］。在雷達(dá)使用過程中，雷達(dá)系統(tǒng)誤差會(huì)不斷積累，嚴(yán)重影響雷達(dá)工作性能，必須進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)校加以消除。GPS已經(jīng)開始應(yīng)用于雷達(dá)動(dòng)態(tài)標(biāo)校，由于其本身不具有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，只能通過加裝專用的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)來實(shí)時(shí)傳輸目標(biāo)的位置信息，增加了標(biāo)校系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度。北斗系統(tǒng)具有短報(bào)文通信功能，可以實(shí)時(shí)傳輸位置信息，而且北斗短報(bào)文通信比其他無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸手段作用距離更遠(yuǎn)，因此將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于雷達(dá)動(dòng)態(tài)標(biāo)校具有更大優(yōu)勢(shì)。

艦載雷達(dá)精度較高，因此對(duì)真值設(shè)備的測(cè)距精度也有較高的要求。北斗系統(tǒng)正式提供區(qū)域服務(wù)后，可以提供定位精度優(yōu)于1 m的廣域差分服務(wù)，完全能滿足要求。所以采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為艦載雷達(dá)標(biāo)定的真值設(shè)備完全可行?；诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的艦載雷達(dá)標(biāo)定系統(tǒng)組成如圖2所示。

由于雷達(dá)觀測(cè)的數(shù)據(jù)率低，因此需要真值樣本的密度盡可能大 (數(shù)據(jù)率不小于1 Hz），這樣有助于提高真值樣本與觀測(cè)樣本進(jìn)行時(shí)間配準(zhǔn)的精度。由于短報(bào)文通信的服務(wù)頻度較大，為提高真值樣本數(shù)據(jù)率，需將單位時(shí)間段內(nèi)的位置信息存儲(chǔ)打包進(jìn)行傳輸。北斗短報(bào)文通信的服務(wù)頻度受用戶等級(jí)的限制，選用較高等級(jí)的北斗用戶終端傳輸位置信息，完全可以使真值樣本數(shù)據(jù)率達(dá)到1 Hz。

圖2 艦載雷達(dá)標(biāo)定系統(tǒng)組成Fig.2 The configuration of shipborn radar calibration system

實(shí)際使用時(shí)，需要將雷達(dá)計(jì)算機(jī)與北斗用戶端相連進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，以滿足時(shí)間同步的要求。由于雷達(dá)測(cè)量值不會(huì)完全在整秒上，所以必須對(duì)真值數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，使其與測(cè)量數(shù)據(jù)在時(shí)間上對(duì)齊。由于標(biāo)校平臺(tái)與配合目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在短時(shí)間內(nèi)可以看成勻速直線航行狀態(tài)，因此可以采用線性插值的方法對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理［4］。

標(biāo)校平臺(tái)主機(jī)將雷達(dá)測(cè)得的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)與真值數(shù)據(jù)求差，對(duì)得到的誤差序列進(jìn)行預(yù)處理，剔除野值后，進(jìn)行平穩(wěn)性、周期性、正態(tài)性、獨(dú)立性等統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，求取方位與距離的誤差，完成雷達(dá)精度的標(biāo)定［5－6］。

2.3 艦艇態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控

對(duì)海上執(zhí)行任務(wù)艦艇的態(tài)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控有助于指揮員全面、實(shí)時(shí)地掌握海戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，是信息化海戰(zhàn)的必然要求。連續(xù)準(zhǔn)確的定位和安全可靠的遠(yuǎn)距離通信手段是實(shí)現(xiàn)艦艇態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控的關(guān)鍵。一方面，目前艦艇主要的無(wú)線電定位手段有GPS和羅蘭C系統(tǒng)，其中羅蘭C系統(tǒng)作用距離有限，無(wú)法滿足艦艇遠(yuǎn)海定位的需求;GPS在戰(zhàn)時(shí)易受干擾和封鎖，無(wú)法保證工作可靠性。另一方面，傳統(tǒng)的艦艇態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控所依賴的通信手段主要有短波通信和衛(wèi)星通信。這些通信手段都有一定的局限性:短波通信距離有限，工作可靠性差;衛(wèi)星通信裝備造價(jià)高、容量有限，不適用于所有的水面艦艇。因此，艦艇態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控迫切需要一種準(zhǔn)確可靠的全球定位系統(tǒng)和一種覆蓋范圍廣、用戶容量大、性能穩(wěn)定的通信手段。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由我國(guó)自主研制，獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)定位和授時(shí)精度高，抗干擾能力強(qiáng)，戰(zhàn)時(shí)比GPS更加穩(wěn)定可靠;北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信作用距離遠(yuǎn)，且可以進(jìn)行信息加密，適用于艦艇與陸上基地之間進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息交換;北斗用戶機(jī)的ID號(hào)是固定的，便于對(duì)艦艇的身份識(shí)別;北斗用戶機(jī)體積小、造價(jià)低，適用于所有海軍艦艇上。因此，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于艦艇態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是完全可行的?；诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的艦艇態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 艦艇態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)組成Fig.3 The configuration of dynamic ship monitoring system

軍用AIS能夠連續(xù)地采集艦艇的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和航行狀態(tài)等信息。利用集成電路芯片將軍用AIS采集的艦艇信息與北斗終端發(fā)送來的位置信息解碼后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，再進(jìn)行編碼處理形成短報(bào)文 (報(bào)文內(nèi)容最長(zhǎng)不超過北斗短消息通信容量規(guī)定的200 byte）發(fā)送給北斗終端，由北斗終端將本船的信息發(fā)送給陸上基地的北斗終端［1］。指揮所的艦艇態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將接收到的信息與電子海圖系統(tǒng)相融合，再通過顯示終端，可以實(shí)現(xiàn)艦艇位置、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和航行狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤和直觀顯示［7］。

3 結(jié)語(yǔ)

在詳細(xì)分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討了將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在艦艇裝備維修遠(yuǎn)程支援、艦載雷達(dá)標(biāo)定和艦艇態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控上的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域得到更加廣泛而深入地應(yīng)用，具有一定的借鑒和參考價(jià)值。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有顯著的性能優(yōu)點(diǎn):我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，系統(tǒng)運(yùn)行不受國(guó)外控制;定位及測(cè)速精度高;可以采用多種授時(shí)方式，授時(shí)精度高;具有短報(bào)文通信功能，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離加密傳輸;用戶設(shè)備體積小，成本較低，可以在艦艇上大批量、大范圍使用?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)授時(shí)、海上聯(lián)合搜救和編隊(duì)內(nèi)部通信領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用潛力，能夠更好地推動(dòng)艦艇信息化水平的提高。

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Study of expanding app lication of Beidou navigation satellite system to naval ships

Beidou navigation satellite system can provide positioning，navigation，timing and shortmessage communication services for naval ships.With further development and use of Beidou system，its military value and the informational level of naval ships will be improved.In this paper，based on detailed analyzing of the main features of Beidou system，the implementation approach of Beidou system in remote support of shipborn equipment repairing，shipborn radar calibration and dynamic ship monitoring are discussed，which will provide useful references and experiences for expanding application of Beidou system to naval ships.

Beidou navigation satellite system;remote support;calibration;dynamic monitoring

U661.134

A

1672－7649(2014）04－0093－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.018

2013－03－21;

2013－09－18

劉冬利(1975－），男，副教授，主要從事艦載雷達(dá)總體技術(shù)和裝備作戰(zhàn)使用研究。LIU Dong-li1，2，PANG Hai-bin3，DAIYao2

(1.School of Intelligence and Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China;2.Department of Information Operation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China;3.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）