北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在我國沿海集裝箱船舶調(diào)度和安全救助中的應(yīng)用

湯瑋　張耿霖

【摘 要】 為實(shí)現(xiàn)集裝箱船舶安全、快速的現(xiàn)代化移動辦公機(jī)制以及高效的海上救援定位，提出通過利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建立船岸統(tǒng)一的管理信息平臺。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)越性包括：覆蓋范圍廣，基本覆蓋我國海區(qū)；定位精度高，同時還具有數(shù)字報文通信以及授時功能；北斗衛(wèi)星的定位服務(wù)為全免費(fèi)，通信服務(wù)為包年方式，價格相對于海事衛(wèi)星非常低廉。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以信息集成為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)船岸數(shù)據(jù)的共享，保證船舶運(yùn)輸企業(yè)業(yè)務(wù)流程順暢，提高船舶安全控制、成本控制、船舶監(jiān)控、船舶機(jī)（海）務(wù)管理等運(yùn)營管理水平。

【關(guān)鍵詞】 北斗衛(wèi)星；導(dǎo)航；集裝箱船舶；救助；船舶自動識別系統(tǒng)

作為一種先進(jìn)的運(yùn)輸方式，集裝箱船舶運(yùn)輸業(yè)發(fā)展越來越快。由于其運(yùn)營的特點(diǎn)，集裝箱船舶運(yùn)輸企業(yè)經(jīng)營管理面臨巨大的挑戰(zhàn)：既要保證安全、準(zhǔn)班、環(huán)保，又要控制成本，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。這無疑對船隊(duì)的管理水平提出了更高的要求，既要在確保整個企業(yè)運(yùn)營層面上實(shí)現(xiàn)全局戰(zhàn)略優(yōu)化，又要在船舶控制層面上實(shí)現(xiàn)快速、安全、準(zhǔn)班、適航和環(huán)保。針對集裝箱船舶運(yùn)營管理的現(xiàn)狀，尋求提高管理水平的途徑，克服目前管理上存在的癥結(jié)問題，僅憑制度的改革和人員素質(zhì)的提高是無法實(shí)現(xiàn)的，必須依賴現(xiàn)代科技的發(fā)展和應(yīng)用，建立船岸統(tǒng)一的管理信息平臺。穩(wěn)定、快捷、范圍廣的通信手段是應(yīng)用現(xiàn)代科技的基礎(chǔ)條件。

1 常見的岸船通信方式

船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）由岸基（基站）設(shè)施與船載設(shè)備共同組成，在船舶通信中應(yīng)用廣泛，但此系統(tǒng)在渤海灣部分海域存在盲區(qū)，會造成船舶與外界失去聯(lián)系，給安全生產(chǎn)和調(diào)度帶來非常大的隱患。

2G，3G，4G等移動通信網(wǎng)絡(luò)，信息傳輸速度比較快，但在船舶離岸20～30 n mile以后設(shè)備就無信號，無法承擔(dān)在茫茫渤海灣以及我國沿海航行中的通信任務(wù)。海事衛(wèi)星以及其他衛(wèi)星通信方式價格高昂，是北斗衛(wèi)星通信價格的數(shù)十倍，對很多支線船舶運(yùn)輸企業(yè)來說并不經(jīng)濟(jì)。

作為近年來新興的通信手段，北斗衛(wèi)星通信異軍突起。2012年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已完成對亞太部分地區(qū)的覆蓋并正式提供定位服務(wù)。使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸船舶定位數(shù)據(jù)，具有傳輸穩(wěn)定、功耗低、后期維護(hù)費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。

2 北斗衛(wèi)星通信性能

“北斗一號”衛(wèi)星系統(tǒng)是利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供快速定位、簡短數(shù)字報文通信和授時服務(wù)的一種全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)?！氨倍芬惶枴睂?dǎo)航通信定位系統(tǒng)由3顆地球同步衛(wèi)星（兩顆工作衛(wèi)星分別在80€癊和140€癊，在軌備用衛(wèi)星在110.5€癊）、一個地面中心控制系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)和各種用戶機(jī)等組成。在我國大陸、臺灣、南沙及其他島礁，我國領(lǐng)海，日本海，太平洋部分海域及周邊部分地區(qū)，該系統(tǒng)可為時速為1 000 km以下的中、低動態(tài)用戶和靜態(tài)用戶提供每小時54萬次以上的定位、通信、授時服務(wù)。與陸基導(dǎo)航定位系統(tǒng)相比，“北斗一號”衛(wèi)星系統(tǒng)具有更優(yōu)越的性能：（1）覆蓋范圍廣，其覆蓋范圍是5€?。?€癗，70€?。?0€癊之間的心形區(qū)域，基本覆蓋我國海區(qū)；（2）定位精度高，靜止水平誤差是20 m，運(yùn)動水平誤差是100 m，經(jīng)過校標(biāo)可達(dá)到€？0 m，同時還具有數(shù)字報文通信以及授時功能。更值得一提的是，北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航定位服務(wù)為全免費(fèi)，通信服務(wù)為包年方式，價格相對于海事衛(wèi)星更低廉。因此，“北斗一號”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在渤海灣以及我國沿海的航海上有很大的應(yīng)用前景。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對船舶通信業(yè)務(wù)增值服務(wù)的拓展，為船舶運(yùn)輸企業(yè)解決岸船之間信息交換提供了技術(shù)保障。在現(xiàn)行船舶通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，集現(xiàn)代通信技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)及航行信息、貨物數(shù)據(jù)、管理信息、人員信息為一體的思路，建設(shè)船岸一體化管理平臺，可以給船舶管理帶來新的思路和方向。

3 北斗短報文在船舶信息傳輸中的應(yīng)用

北斗短報文是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特有的功能，指衛(wèi)星定位終端與北斗衛(wèi)星或北斗地面服務(wù)站之間能夠直接通過衛(wèi)星信號進(jìn)行雙向信息傳遞，不依賴于其他通信網(wǎng)絡(luò)。在災(zāi)害發(fā)生地區(qū)移動通信中斷、電力中斷或移動通信不能覆蓋等情況下，北斗衛(wèi)星終端可以利用短報文方式進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)定位信息和遠(yuǎn)程信息交互等。該技術(shù)適用于應(yīng)急救災(zāi)、野外作業(yè)、遠(yuǎn)洋作業(yè)等系統(tǒng)。

船載信息機(jī)與北斗衛(wèi)星終端相連接可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p向性。北斗短報文通信每次服務(wù)只能完成120個漢字（軍用）或60個漢字（民用）長度的電文通信，當(dāng)超出最大電文長度的電文信息傳輸時，發(fā)送端將電文拆包（每包長度為最大電文長度）分多次發(fā)送，接收端待收全一條完整的電文信息后，再將接收到的電文信息進(jìn)行拼包，最后集中顯示。這是目前大報文傳輸?shù)钠毡樽龇ā４靶畔⒑桶踩珨?shù)據(jù)往往超過60個漢字的長度，需要拆成多包發(fā)送。

目前，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的信道傳輸質(zhì)量是10-5，也就是說，平均傳輸105個 bit可能產(chǎn)生1個錯誤。一般北斗電文最長為 bit，假設(shè)平均長度為 bit，那么，每個包出現(xiàn)錯誤的概率為10-2，即1%，成功的概率為99%。如果1條預(yù)警信息需要發(fā)送n個包，即整個預(yù)警信息發(fā)送成功的概率是（1-1%）n，失敗的概率是1-（1-1%）n。由此可見，發(fā)送的信息越長，n就越大，失敗的概率越大，成功的概率越小。對于小的報文來說，點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，99%的單包傳輸成功率也許很高，但對于長度較長、常年每天都要發(fā)送的信息來說，這個標(biāo)準(zhǔn)有些低。假設(shè)1條信息需要拆分為5個包，以單包99%的成功率計算，預(yù)警信息的傳輸成功率為95.1%。

為了適應(yīng)短報文的傳輸方式，可設(shè)定一鍵呼救的功能，即可在一次傳輸時段內(nèi)，將呼救信息傳輸?shù)椒?wù)器，提高傳輸速度。在緊急情況下，可以通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的一鍵呼救按鈕，將設(shè)定好的緊急信息發(fā)送到服務(wù)器。信息中應(yīng)包含求救的具體位置信息，以便船舶運(yùn)輸企業(yè)調(diào)度室在最短時間內(nèi)收到求救信息并作出相關(guān)的救援行動，保障船舶安全。

4 傳輸平臺設(shè)計

船端工控機(jī)通過船載北斗客戶機(jī)上傳數(shù)據(jù)到北斗衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星與數(shù)據(jù)中心的北斗指揮機(jī)進(jìn)行通信，最終由北斗指揮機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給中心服務(wù)器，確保覆蓋的可靠性。在近岸時，根據(jù)3G信號狀況可輔助切換到工業(yè)3G路由器模式，通過3G路由器接入互聯(lián)網(wǎng)與中心服務(wù)器進(jìn)行通信。

4.1 北斗船載終端

北斗船載終端軟件采用技術(shù)應(yīng)用開發(fā)。 是微軟的新一代技術(shù)平臺，為“敏捷商務(wù)”構(gòu)建互聯(lián)互通的應(yīng)用系統(tǒng)，這些系統(tǒng)具有簡便易用、適應(yīng)變化、穩(wěn)定和高性能等優(yōu)點(diǎn)。從技術(shù)角度來看， 應(yīng)用是一個運(yùn)行于 Framework之上的應(yīng)用程序。

船載終端利用串口與北斗船用終端機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)船舶數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳，保證數(shù)據(jù)的可到達(dá)性。船載“北斗一號”普通型用戶機(jī)是為了適應(yīng)海上高鹽霧、高腐蝕使用環(huán)境而研制的產(chǎn)品，用戶可利用該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)北斗定位、短信息通信功能和GPS定位功能。主要指標(biāo)如下：接收信號誤碼率≤1€？10-5（用戶機(jī)天線端口輸入信號功率≥ 154.6 dBW）；發(fā)射功率EIRP值≤19 dBW（方位角0€??？60€埃黿？0€?。?€埃喚郵瘴佬峭ǖ朗？個通道。

4.2 中心服務(wù)器端

中心服務(wù)器端是通過北斗指揮機(jī)與客戶機(jī)進(jìn)行通信的?！氨倍芬惶枴敝笓]型用戶機(jī)是為了便于上級指揮機(jī)關(guān)通過北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，對其下屬用戶進(jìn)行指揮、監(jiān)控而研制的北斗用戶機(jī)產(chǎn)品。除了具有普通型用戶機(jī)的所有功能外，該服務(wù)器還可以接收其下屬用戶機(jī)的定位、通信信息，并可向下屬用戶機(jī)發(fā)出指令。

“北斗一號”指揮型用戶機(jī)適應(yīng)固定指揮所、移動指揮所、方艙等多種場合使用。接收信號誤碼率≤1€？0-5（用戶機(jī)天線端口輸入信號功率≥ 157.6 dBW）。

中心服務(wù)器端是基于微軟.NET Framework 4.0設(shè)計的網(wǎng)站應(yīng)用程序，以易用、高可靠性和高負(fù)載的信息技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段，整體采用MVC（Model View Controller）框架分層，交互系統(tǒng)由模型、視圖、控制器等3種部件組成。

MVC框架作為一種軟件設(shè)計典范，用一種業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的方法組織代碼，將業(yè)務(wù)邏輯聚集到一個部件內(nèi)，在改進(jìn)和個性化定制界面及用戶交互的同時，不需要重新編寫業(yè)務(wù)邏輯。MVC用于映射傳統(tǒng)的輸入、處理和輸出功能在一個邏輯圖形化用戶界面的結(jié)構(gòu)中，包含指揮機(jī)通信服務(wù)程序和調(diào)度監(jiān)控Web系統(tǒng)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以北斗衛(wèi)星和無線通信技術(shù)為依托，為海運(yùn)人員提供一種安全、快速的現(xiàn)代化移動辦公機(jī)制以及海上救援定位手段（見圖1）。

5 結(jié) 語

船舶在使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)前，一些重要的船舶行駛信息只能在有移動網(wǎng)絡(luò)的情況下發(fā)出，常常導(dǎo)致信息發(fā)送不及時、不準(zhǔn)確。利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，集裝箱船舶可在全氣象條件下，在航行中的各海域各時間段發(fā)出信息，極大地提高了航行的安全性，也為船舶運(yùn)輸企業(yè)全域指揮調(diào)度提供了基礎(chǔ)。同時，通過實(shí)現(xiàn)船岸數(shù)據(jù)的共享，可以保證船舶運(yùn)輸企業(yè)業(yè)務(wù)流程順暢，提高包括船舶安全控制、成本控制、船舶監(jiān)控、船舶機(jī)（海）務(wù)管理等在內(nèi)的運(yùn)營管理水平，以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。