北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用

陳洪武,胡斌,田鋮

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 200000)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用

陳洪武,胡斌,田鋮

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 200000)

摘要：隨著全球資源問(wèn)題的愈發(fā)突出,2011年國(guó)務(wù)院在“十二五規(guī)劃”中提出了加強(qiáng)對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用,海洋工程相關(guān)技術(shù)與設(shè)備是開(kāi)發(fā)海洋資源的根本。論文首先介紹了北斗系統(tǒng)的基本組成和功能,對(duì)其定位精度作了簡(jiǎn)要分析,并從遠(yuǎn)程通信與管理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、高精度定位以及緊急救援四個(gè)方面對(duì)北斗系統(tǒng)在海洋工程的應(yīng)用進(jìn)行了探索,總結(jié)了北斗系統(tǒng)在該領(lǐng)域的重要應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：北斗系統(tǒng);海洋工程;作業(yè)船舶

0引言

海洋工程指以開(kāi)發(fā)、利用、保護(hù)和恢復(fù)海洋資源為目的,并且工程主體位于海岸線向海一側(cè)的新建、改建和擴(kuò)建工程,分為海岸工程、近海工程和深海工程[1]。面對(duì)全球性人口的緩慢增長(zhǎng)、陸地資源的逐步枯竭和環(huán)境危機(jī),各國(guó)對(duì)海洋資源越來(lái)越重視．海洋工程中的技術(shù)與設(shè)備在海洋資源的開(kāi)發(fā)與利用中起著決定性的作用．隨著科技的發(fā)展,各種先進(jìn)技術(shù)與理論應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的且與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。2015年的第四顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在9月30日7時(shí)13分成功發(fā)射,標(biāo)志著我國(guó)北斗系統(tǒng)由區(qū)域運(yùn)行向全球拓展計(jì)劃的穩(wěn)步推進(jìn)。隨著北斗系統(tǒng)地面基礎(chǔ)設(shè)施的完善,多項(xiàng)核心技術(shù)的突破以及全球范圍內(nèi)的布站,北斗系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于交通、氣象、航空、通信等領(lǐng)域[2-4]。論文利用北斗系統(tǒng)的特點(diǎn)從遠(yuǎn)程通信與管理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、高精度定位以及緊急救援四個(gè)方面對(duì)海洋工程中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由地面段、空間段和用戶段組成,地面段主要包含主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等,空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成,用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃,北斗系統(tǒng)將在2020年左右覆蓋全球。屆時(shí),北斗系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi),向各類用戶提供全天候、高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù),并兼具短報(bào)文通信能力。截止到2016年3月底,我國(guó)已成功發(fā)射22顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。

1.2系統(tǒng)功能

北斗系統(tǒng)的主要功能有三個(gè)方面:1) 快速定位,為服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶提供全天候、實(shí)時(shí)定位服務(wù),其定位精度與GPS民用定位精度相當(dāng),水平定位精度為100 m,在設(shè)立標(biāo)校站之后的定位精度可達(dá)20 m．2) 精密授時(shí),精度達(dá)20 ns．3) 短報(bào)文通信,北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報(bào)文通信功能,一次可傳送多達(dá)120個(gè)漢字的信息。

1.3系統(tǒng)定位精度

根據(jù)用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),定位分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位;根據(jù)定位模式,定位分為絕對(duì)定位(又稱單點(diǎn)定位)和相對(duì)定位(又稱差分定位)。北斗動(dòng)態(tài)導(dǎo)航定位技術(shù)主要有兩種,一是精密單點(diǎn)定位,二是載波相位差分定位。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究了北斗系統(tǒng)單點(diǎn)定位、精密單點(diǎn)定位、動(dòng)態(tài)偽距差分定位、基線相對(duì)定位等算法,通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估了北斗系統(tǒng)的定位性能。數(shù)據(jù)處理表明:偽距單點(diǎn)定位精度在10 m之內(nèi),動(dòng)態(tài)偽距差分定位精度可達(dá)2～4 m,精密單點(diǎn)定位和基線相對(duì)定位精度可達(dá)厘米級(jí)[5-6]。其中,北斗偽距單點(diǎn)定位和差分定位的定位精度可分別滿足普通導(dǎo)航定位要求和較高精度的要求。

2北斗系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用

海洋環(huán)境復(fù)雜、惡劣且多變,海洋工程技術(shù)由于起步較晚,明顯落后于歐美國(guó)家,極大地限制了海洋工程的發(fā)展與進(jìn)步。目前海洋工程面臨著眾多關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題,其中主要包括遠(yuǎn)程通信與管理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和精準(zhǔn)定位等[7]。隨著北斗系統(tǒng)由區(qū)域服務(wù)向全球拓展的逐漸轉(zhuǎn)變,以及北斗地基建設(shè)的日益完善,北斗系統(tǒng)的高精度定位、全天候、全天時(shí)、短報(bào)文通信等特點(diǎn)更加突出,促進(jìn)了北斗系統(tǒng)在各行業(yè)各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。北斗系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)程通信與管理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、高精度定位以及緊急救援四個(gè)方面。

2.1遠(yuǎn)程通信與管理

長(zhǎng)期以來(lái),海洋工程中以作業(yè)船舶與人員為主的作業(yè)單位有著迫切的海上通信要求,岸上指揮中心需要時(shí)刻確定海上作業(yè)情況便于管理,工程船舶或海上作業(yè)平臺(tái)指揮中心需要實(shí)時(shí)監(jiān)控各作業(yè)單位的進(jìn)度信息與突發(fā)情況,遇到特殊險(xiǎn)情時(shí),更是急需與救援中心或附近船舶建立通訊關(guān)系。北斗系統(tǒng)問(wèn)世以前,海上船舶通信設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率較低,大多數(shù)從歐洲進(jìn)口,通信技術(shù)以短波通信和數(shù)字微波通信為主,其抗干擾能力較弱且價(jià)格昂貴。

北斗系統(tǒng)以其有源定位和短報(bào)文通信的特點(diǎn),為海洋工程領(lǐng)域提供了不可替代的技術(shù)支持。利用北斗系統(tǒng),在工程船舶上安裝北斗導(dǎo)航終端,并與岸邊的指揮中心、地基站和北斗衛(wèi)星組形成了通訊鏈。當(dāng)指揮中心因業(yè)務(wù)管理或者作業(yè)調(diào)度時(shí),可通過(guò)北斗系統(tǒng)將任務(wù)信息打包發(fā)送至遠(yuǎn)洋工程船舶或施工平臺(tái),還可提供包括潮位信息和天氣狀況在內(nèi)的其他訊息。工程船舶每天需將作業(yè)信息通過(guò)北斗導(dǎo)航終端,經(jīng)過(guò)衛(wèi)星鏈路,發(fā)送至岸上指揮中心,便于中心的監(jiān)督和管理。工程船舶間可以利用北斗導(dǎo)航終端短報(bào)文的能力相互發(fā)送消息,方便溝通交流,當(dāng)遇到特殊險(xiǎn)情時(shí),更是快捷地將求救消息發(fā)送至就近船舶,保障了作業(yè)人員的人身及財(cái)產(chǎn)安全。

隨著“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略的提出,2015年10月,我國(guó)成功發(fā)射亞太九號(hào)衛(wèi)星,提高了北斗系統(tǒng)的定位服務(wù)能力,填補(bǔ)了東南亞地區(qū)的通信服務(wù)空白。根據(jù)北斗系統(tǒng)全球組網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃,2018年將率先為“一帶一路”國(guó)家提供基本服務(wù)。屆時(shí),北斗系統(tǒng)在海上遠(yuǎn)程通信與管理方面的應(yīng)用將進(jìn)入新的起點(diǎn)。

2.2數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸

海洋工程中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)有效傳輸是指作業(yè)船舶在施工過(guò)程中將包括位置、環(huán)境等在內(nèi)的作業(yè)信息及時(shí)有效地發(fā)送至岸上指揮中心并解析和處理,之后將新的任務(wù)和相關(guān)信息轉(zhuǎn)發(fā)回作業(yè)船舶。隨著海洋資源開(kāi)發(fā)的需求越來(lái)越迫切,作業(yè)船舶離海岸越來(lái)越遠(yuǎn),作業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸成為了海洋工程的一大技術(shù)難題。

鑒于北斗系統(tǒng)的精確授時(shí)和短報(bào)文遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn),北斗系統(tǒng)已成為海洋工程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵支撐點(diǎn)。工程作業(yè)船舶在遠(yuǎn)海進(jìn)行施工過(guò)程中,作業(yè)人員記錄和處理所得的數(shù)據(jù)和船舶上安裝的各類傳感設(shè)備所獲得部分相關(guān)數(shù)據(jù)是整個(gè)施工過(guò)程中的全部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)船舶控制中心進(jìn)行整理、存儲(chǔ)后并打包,經(jīng)過(guò)北斗船載終端設(shè)備和北斗衛(wèi)星組發(fā)送至岸上指揮中心。同時(shí),船舶控制中心將反饋信息通過(guò)通信設(shè)備發(fā)送到各作業(yè)小組。岸上指揮中心在接收到來(lái)自作業(yè)船舶的施工信息后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、識(shí)別和預(yù)處理,并存入指揮中心數(shù)據(jù)庫(kù)中,便于管理者或相關(guān)部門提取,以了解海洋工程實(shí)時(shí)作業(yè)情況。

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者以北斗系統(tǒng)為背景技術(shù),結(jié)合數(shù)據(jù)壓縮算法和長(zhǎng)報(bào)文通信協(xié)議,設(shè)計(jì)了海上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng),但是也存在一定的局限,對(duì)于海量數(shù)據(jù)在海上的實(shí)時(shí)傳輸仍舊是難題。對(duì)此,基于北斗短報(bào)文雙向通信的特點(diǎn),一些學(xué)者提出了北斗集群數(shù)傳技術(shù),通過(guò)建立一種有效的數(shù)據(jù)處理方法和壓縮算法,解決了海洋工程船大數(shù)據(jù)量的傳輸[8]。

2.3高精度定位

隨著北斗系統(tǒng)定位技術(shù)的發(fā)展以及地基系統(tǒng)的建設(shè)加強(qiáng),北斗系統(tǒng)的定位精度逐步滿足海洋工程測(cè)量和施工定位對(duì)高精度的要求。2015年6月,“中國(guó)精度”正式提供服務(wù),并面向全球同步發(fā)布。該全球星基高精度增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)將使我國(guó)北斗用戶在無(wú)需架設(shè)基站的情況下,在全球任一地點(diǎn)能夠享受到便捷的亞米級(jí)、分米級(jí)和厘米級(jí)三種不同精度層級(jí)的增強(qiáng)服務(wù)，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　星基高精度增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)

隨著科技的發(fā)展,衛(wèi)星定位技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的大地測(cè)量技術(shù)、測(cè)量工程和聲學(xué)定位等傳統(tǒng)測(cè)量和定位技術(shù)。北斗系統(tǒng)建設(shè)初期,以海上筑堤、海峽貫通工程及海上石油鉆探工程等為主的海上工程測(cè)量過(guò)程中主要以GPS測(cè)量為主,GPS測(cè)量技術(shù)的定位精度和自動(dòng)化程度高,觀測(cè)時(shí)間短,但其使用成本較高,不支持信息雙向傳輸且存在安全隱患。科技發(fā)展的同時(shí),我國(guó)發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)增多,定位技術(shù)由有源定位轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)源定位,用于海上高精度定位的船舶施工技術(shù)的產(chǎn)品愈加成熟,廣州南方衛(wèi)星導(dǎo)航儀器有限公司研發(fā)的北斗RTK系列已基本符合海洋工程施工中的高精度定位要求,其中,S86C北斗RTK測(cè)量系統(tǒng)是針對(duì)海上高精度定位、定向的施工技術(shù)要求而設(shè)計(jì)的,可含蓋海測(cè)、疏浚、打樁、插排等海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用?；凇爸袊?guó)精度”,北斗系統(tǒng)已經(jīng)滿足了遠(yuǎn)海工程測(cè)量對(duì)高精度的要求。由于無(wú)需架設(shè)基站,使得高精度工程測(cè)量作業(yè)更加方便靈活,北斗系統(tǒng)完善及其相關(guān)設(shè)備的研發(fā)極大的促進(jìn)了北斗系統(tǒng)在海洋工程測(cè)繪和施工方面的應(yīng)用。

2.4緊急救援

海洋環(huán)境復(fù)雜多變,自然災(zāi)害或突發(fā)事故時(shí)常發(fā)生,嚴(yán)重威脅了作業(yè)人員和工程船舶的人身財(cái)產(chǎn)安全。北斗系統(tǒng)以其全天時(shí)、全天候的特點(diǎn),對(duì)海上緊急救援有著重要的意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,北斗已成為海上搜救工作的“利器”:對(duì)海上遇險(xiǎn)對(duì)象的搜尋效率提高30%以上;救撈系統(tǒng)的管理能力和救助調(diào)度能力明顯提升,人命救助成功率達(dá)到98%以上;節(jié)約近1.5億元的人身傷害賠償費(fèi)。

當(dāng)工程作業(yè)船舶遇險(xiǎn)后,船載北斗終端支持自動(dòng)或手動(dòng)發(fā)送遇險(xiǎn)求救信號(hào),救援中心接收到遇險(xiǎn)信號(hào)后,在發(fā)出報(bào)警之后可立即確定電子海圖上遇險(xiǎn)船舶的準(zhǔn)確位置,調(diào)度就近船舶或岸邊救援船舶迅速趕往支援,在一定程度上減少了人員和財(cái)產(chǎn)的傷亡。

3結(jié)束語(yǔ)

北斗系統(tǒng)是未來(lái)全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的主力軍,體現(xiàn)著我國(guó)的綜合國(guó)力和科技水平。北斗系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用,推進(jìn)了海洋科技的發(fā)展、保障了海事人員的安全,終端設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用推動(dòng)了北斗系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。隨著新北斗探空系統(tǒng)的研制成功、北斗RNSS基帶射頻一體化芯片項(xiàng)目的完成、北斗應(yīng)用下的交通運(yùn)輸智能化等,北斗在民用和行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在2020年完成全球覆蓋的計(jì)劃基礎(chǔ)上,構(gòu)建完善的北斗產(chǎn)業(yè)應(yīng)用體系將是助推北斗走向全球應(yīng)用的關(guān)鍵。

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陳洪武(1969-),男,山東濟(jì)南人,副教授,主要從事現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法和海洋工程裝備等相關(guān)方面研究。

胡斌(1990-),男,安徽六安人,碩士生,主要從事海洋工程裝備的研究。

田鋮(1990-),男,河南開(kāi)封人,碩士生,主要從事實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

Application of Beidou Satellite Navigation System in Ocean Engineering

CHEN Hongwu,HU Bin,TIAN Chen

(SOUCollegeofEngineeringScienceandTechnology,Shanghai, 200000,China)

Abstract: With the increasingly prominent problem of global resources, in 2011 the State Council in the "12th Five Year Plan" put forward to strengthen the development and utilization of marine resources, marine engineering related technology and equipment is the implementation of the development of marine resources. Firstly, the paper introduces the basic components and functions of the system, and analyzes the positioning accuracy of the Beidou system. The application of the Beidou System in the ocean engineering is explored from four aspects: remote communication and management, data real-time transmission, high precision positioning and emergency rescue.

Keywords:Beidou system; ocean engineering; operating ship

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.025

收稿日期：2015-10-23

中圖分類號(hào)：P752

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1008-9268(2016)02-0121-04

作者簡(jiǎn)介

資助項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):51075258)

聯(lián)系人： 胡斌 E-mail:810709290@qq.com