北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在航海保障行業(yè)的應(yīng)用思考

聶乾震

摘要：文中介紹了我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、服務(wù)性能，并簡要回顧了北斗系統(tǒng)國際海事標準化進程，重點闡述了北斗系統(tǒng)在航標助航、海事測繪、海上安全通信和綜合業(yè)務(wù)管理等航海保障各領(lǐng)域的應(yīng)用，提出了目前應(yīng)用中出現(xiàn)的若干問題，并就此給出了北斗系統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用在頂層設(shè)計、標準建設(shè)、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和安全管理等方面建議，以期通過北斗系統(tǒng)航海保障應(yīng)用發(fā)展，為航海者提供更加高效和便捷的助航服務(wù)。

關(guān)鍵詞：北斗 航海保障 應(yīng)用

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。從最初的試驗系統(tǒng)，到2000年，建成了北斗一號系統(tǒng)，在我國境內(nèi)提供服務(wù)；2012年底建成了北斗二號系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；計劃在2020年前后，建成北斗全球系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)，截至目前，已成功發(fā)射23顆導(dǎo)航衛(wèi)星，已經(jīng)初步具備了區(qū)域服務(wù)能力，提供包含開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種方式的服務(wù)，開放服務(wù)是向全球免費提供定位、測速和授時服務(wù)，定位精度10m，測速精度0.2m/s，授時精度10ns；授權(quán)服務(wù)是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。

我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個成熟應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，作為當(dāng)今國民經(jīng)濟和國防建設(shè)不可或缺的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，推廣其在涉及國計民生領(lǐng)域的深度應(yīng)用，實現(xiàn)與GPS的兼容，甚至逐漸取而代之，具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 北斗在航海保障中應(yīng)用現(xiàn)狀

作為北斗系統(tǒng)應(yīng)用的“先行者”和最大的民用行業(yè)用戶，2011年，交通運輸部與原總裝備部聯(lián)合啟動了“重點運輸過程監(jiān)控管理服務(wù)示范系統(tǒng)工程”，在該示范工程的帶動下，全國已有超過300萬輛營運車輛安裝應(yīng)用北斗兼容終端并接入全國平臺，形成了全球最大的營運車輛動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，有效加強了道路營運車輛監(jiān)控效率，提高了道路運輸安全水平。

如果公路運輸是北斗系統(tǒng)國內(nèi)民用的突破口，那么國際航海應(yīng)用則是北斗系統(tǒng)走向國際的重要途徑。2012年底，我國向國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）提交了《關(guān)于北斗應(yīng)用于國際海事領(lǐng)域的議題》，MSC審議通過了該項提案，同意將北斗在海事領(lǐng)域應(yīng)用的標準制定工作列入NAV近兩年度的工作計劃（2012-2013），標志著北斗進入國際海事領(lǐng)域應(yīng)用的標準化工作進入IMO正式工作程序。2013年9月，IMO審議通過了我國提交的首個北斗國際海事標準——《船載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）接收機設(shè)備性能標準》；2014年11月，IMO審議通過了對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)認可的航行安全通函，這標志著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式成為全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)組成部分，獲得了面向海事應(yīng)用的國際合法地位。

為積極響應(yīng)國家北斗發(fā)展戰(zhàn)略，在涉及國計民生的行業(yè)擺脫對GPS系統(tǒng)的過度依賴，提升海事航海保障領(lǐng)域的安全性，北斗航海保障領(lǐng)域的應(yīng)用研究、開發(fā)和建設(shè)如火如荼。

1.1航標助航方面

北斗系統(tǒng)的定位精度為10m，測速精度為0.2m/s，與GPS系統(tǒng)相當(dāng)，完全滿足遠洋航行船舶定位導(dǎo)航的需求。為推廣北斗在全球航海中的應(yīng)用，2013年9月，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室和中國海事局相關(guān)單位聯(lián)合組團，在航行安全分委員會（NAV）第59次會議上提交了《船載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）接收機設(shè)備性能標準》（草案），并順利通過了NAV工作組技術(shù)審議。MSC93次會議完成了該標準草案的最終審議，獲IMO批準。該標準（MSC.379（93））規(guī)定了船舶應(yīng)用北斗接收機設(shè)備的最低性能標準，是船載北斗終端產(chǎn)品開發(fā)及船舶北斗應(yīng)用的基本技術(shù)依據(jù)，是實現(xiàn)北斗系統(tǒng)海事領(lǐng)域全面應(yīng)用的必要條件。

在大洋航行中單點定位10m的精度基本足夠，但對于沿岸航行，尤其在船舶進港和靠泊時，單點定位的精度就難以勝任。國際航標協(xié)會IALA推薦的現(xiàn)用系統(tǒng)中，GPS是通過單站偽距差分的方式，在無線電指向標載頻上（283.5～325khz）播發(fā)偽距差分改正信息，船舶通過專用接收機接收該改正信息，并對單點定位結(jié)果進行修正以獲取5m（95%置信度）的定位精度，這樣的系統(tǒng)稱作RBN-DGPS，基本滿足了沿岸航行的需求。目前國際航標協(xié)會（IALA）公布的數(shù)據(jù)顯示，全球已有50余個國家和地區(qū)，運行中的沿海無線電指向標差分全球定位系統(tǒng)（RBN-DGPS）臺站達400余座。中國沿海正在運行的RBN-DGPS臺站有22座，如圖1-1所示。

為推進北斗系統(tǒng)的航海保障應(yīng)用，必須開發(fā)相應(yīng)的增強系統(tǒng)，考慮到不能對現(xiàn)有船舶用戶造成影響，北斗的增強必須兼容現(xiàn)有的RBN-DGPS。經(jīng)過前期的科研攻關(guān)，兼容BDS和GPS的RBN-DGNSS系統(tǒng)研發(fā)成功，交通運輸部海事局從2015年起開始了對現(xiàn)有RBN-DGPS臺站的技術(shù)改造，實現(xiàn)在無線電指向標上同步播發(fā)差分北斗和差分GPS信息，系統(tǒng)組成如圖1-3所示：

系統(tǒng)由具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的RBN-DGNSS播發(fā)站、遠程監(jiān)測系統(tǒng)、用戶終端及數(shù)據(jù)中心等組成。播發(fā)站產(chǎn)生并播發(fā)差分修正信息。用戶終端利用接收到的差分修正信息和衛(wèi)星星歷實現(xiàn)高精度定位。遠程監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)中心接收播發(fā)站的本地監(jiān)測數(shù)據(jù)和遠程監(jiān)測系統(tǒng)的遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)，對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控。目前船載RBN-DGNSS終端以及便攜式一體終端等均已研發(fā)成功，整個系統(tǒng)的應(yīng)用測試表明RBN-DGNSS可以大大提高系統(tǒng)的信號的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性，定位精度在無線電指向標覆蓋范圍300km內(nèi)平面優(yōu)于1.5m（95%置信度），北斗和GPS單獨定位精度相當(dāng)，BDS/GPS聯(lián)合定位精度、數(shù)據(jù)有效率都優(yōu)于單個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，定位精度相對于GPS提高25%，相對于北斗提高30%左右。

1.2 海事測繪及精密定位方面

對于有更高精度要求的海事測繪和水工作業(yè)，已經(jīng)在渤海灣、長江口和珠江口等重點水域和航路建設(shè)了北斗連續(xù)運行服務(wù)參考站（BD-CORS）系統(tǒng)，提供實時厘米級的定位服務(wù)，在“十三五”期間，交通運輸部海事局將陸續(xù)完成項目補點建設(shè)，爭取實現(xiàn)全國沿海重點水域的有效覆蓋。BD-CORS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-4所示：

BD-CORS的服務(wù)參數(shù)如表1所示：

結(jié)合行業(yè)應(yīng)用需求，基于BD-CORS系統(tǒng)，開發(fā)了大型船舶高精度導(dǎo)航及靠泊儀，該靠泊儀支持北斗、GPS兩種定位模式，可同時支持AIS、北斗、雷達等不同船舶數(shù)據(jù)的接收與顯示，并提供厘米級的高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，從而為夜航、霧航情況下的船舶高精度定位、導(dǎo)航和安全靠泊提供技術(shù)支持，保障船舶始終航行在安全可航水域。

1.3 海上安全通信和船舶避碰方面

播發(fā)航行警告等海上基本安全信息是海事部門代表國家政府履行國際公約和沿岸國義務(wù)的需要，關(guān)系到海事管理以及國家經(jīng)濟發(fā)展大局，關(guān)系到國內(nèi)外船舶海上航行和作業(yè)的安全。及時向船舶提供有效的海上安全信息，對于預(yù)防和減少海上交通事故的發(fā)生，具有重要的作用。利用北斗的短報文通信功能，開展海上安全信息播發(fā)業(yè)務(wù)，將有效提高安全信息播發(fā)覆蓋范圍，提升播發(fā)效率。2016年10月1日，北海航海保障中心自主研制的北斗安全信息播發(fā)系統(tǒng)面向公眾用戶免費開發(fā)，該系統(tǒng)可及時獲取由天津海岸電臺發(fā)布的最新海上重大安全信息，在遇到險情時可選擇通過北斗終端進行報警，可實現(xiàn)海上北斗終端與陸上收集用戶的短信通信。該業(yè)務(wù)的開通在遇險救助、船舶安全航行等方面發(fā)揮積極作用，將顯著擴大海岸電臺的服務(wù)范圍，豐富現(xiàn)有的水上遇險報警手段，同時為廣大航海用戶與陸地見的便捷通信提供了新的選擇。

此外，利用北斗系統(tǒng)的定位和通信功能，在岸基AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）覆蓋范圍之外，可以實現(xiàn)類似AIS的功能，起到船舶位置信息報告、自動識別和避碰等作用。從而大大提升船舶航行安全，并有效擴展船舶的遠程監(jiān)控，有利于船公司及海事監(jiān)管部門對船舶的監(jiān)控和管理。

1.4 綜合業(yè)務(wù)管理方面

將北斗的定位導(dǎo)航授時功能與航海保障具體業(yè)務(wù)結(jié)合，還開發(fā)了諸多的綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，包括：航標遙測遙控系統(tǒng)、離岸水文信息采集系統(tǒng)，以及無驗潮水深測量等。

傳統(tǒng)的航標遙測遙控系統(tǒng)主要采用公網(wǎng)移動網(wǎng)絡(luò)和AIS數(shù)據(jù)鏈路進行通信，對于公網(wǎng)和AIS基站無法覆蓋的水域一直是一個難題。部分重要航標和巡檢距離較遠的航標由于無法遙測遙控，曾造成航標漂失后無法連續(xù)定位，漂到周邊國家和地區(qū)的情況，引起國際紛爭，也偶有發(fā)生。 基于北斗的航標遙測遙控系統(tǒng)，具有監(jiān)控范圍大，數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)勢。其通過傳感器收集航標燈器的工作電壓、工作電流等信息，通過 BDS 采集航標位置信息，經(jīng)過北斗遙測終端調(diào)制、編碼處理后通過北斗衛(wèi)星傳送給中心服務(wù)器。航標管理人員通過客戶端可以調(diào)用中心服務(wù)器上的航標遙測數(shù)據(jù)并在電子海圖界面上顯示，從而實現(xiàn)對航標工作狀況的實時、動態(tài)監(jiān)測。

離岸水文信息采集系統(tǒng)是在遠離海岸線和島礁區(qū)域無法設(shè)置固定水文潮站的沿?；蚪?，通過拋設(shè)海洋浮標定點觀測水文資料等信息，并實時地測報并提供給海上測量作業(yè)現(xiàn)場的一種信息獲取系統(tǒng)。

2 未來應(yīng)用設(shè)想

從上可見，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已在涉及航標助航、海事測繪和海上安全通信等航海保障全領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，對于增強我國海事國家安全，提升航海保障效能，為航海者提供卓越高效的服務(wù)等方面均起到了積極的推動和促進作用。然而，由于北斗系統(tǒng)自身尚在完善之中，相關(guān)的應(yīng)用研究起步較晚，特別是用戶對GPS的慣性依賴，所以，北斗系統(tǒng)在國際航海上的推廣普及以及深入可持續(xù)應(yīng)用方面還存在以下問題：

（1）與航海保障行業(yè)結(jié)合的應(yīng)用雖然遍地開花，但是由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和引導(dǎo)，導(dǎo)致海事航航保障系統(tǒng)內(nèi)部以及與其他行業(yè)間均是各自為政，系統(tǒng)和行業(yè)間的互聯(lián)互通互用不夠順暢。

（2）標準建設(shè)相對滯后，雖然北斗系統(tǒng)層面的規(guī)范文件，譬如，北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務(wù)信號，北斗系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范等均已發(fā)布，船載設(shè)備標準也陸續(xù)出臺，但眾多的國際組織涉及的應(yīng)用標準五花八門，這導(dǎo)致北斗標準國際化難度較大，需要開展的工作繁多。

（3）尚未全面開發(fā)北斗系統(tǒng)的自身優(yōu)勢，與航海保障業(yè)務(wù)結(jié)合的深度不夠，關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新欠缺，現(xiàn)有的應(yīng)用基本圍繞原有的GPS應(yīng)用領(lǐng)域開展，在其他領(lǐng)域應(yīng)用雖有，但是尚未形成規(guī)模。

（4）北斗系統(tǒng)是國家重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，其在航海保障行業(yè)的應(yīng)用，涉及眾多的位置信息和船舶信息，在安全管理方面有所考慮，但還不夠完善。

針對以上問題，在“十三五”期間，航海保障部門應(yīng)更加積極響應(yīng)國家北斗和海洋發(fā)展戰(zhàn)略，對北斗系統(tǒng)的航海保障應(yīng)用進行高角度、深層次的謀劃，爭取在2020年北斗全球覆蓋時，形成北斗航海保障領(lǐng)域的全面深入和特色化的應(yīng)用，為此，建議如下：

（1）建議海上航海保障主管部門，做好北斗系統(tǒng)應(yīng)用的頂層設(shè)計和總體布局謀劃工作，對整體技術(shù)架構(gòu)和安全策略進行詳細設(shè)計，打通行業(yè)內(nèi)部的互聯(lián)互通，并預(yù)留接口為其他行業(yè)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)共享。

（2）加強國際標準的跟蹤研究和國內(nèi)標準的建設(shè)，完善北斗系統(tǒng)應(yīng)用的標準體系，積極參與國際會議，通過國際溝通協(xié)調(diào)機制，適時實現(xiàn)國內(nèi)標準的國際轉(zhuǎn)化，通過IMO、IALA、RTCM等組織推進，引領(lǐng)北斗系統(tǒng)的國際化。

（3）繼續(xù)開展北斗系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，在北斗高精度實時定位方面（地基、星基增強）開展服務(wù)模式的創(chuàng)新，力爭實現(xiàn)廣域米級、沿岸分米級、重點水域厘米級、事后處理毫米級定位，為船舶安全航行、海事管理、海洋測繪、港口工程、航道疏浚、海洋漁業(yè)、海洋資源調(diào)查等行業(yè)提供高精度的公益性的導(dǎo)助航服務(wù)，并進一步開拓與行業(yè)監(jiān)管結(jié)合領(lǐng)域的應(yīng)用，比如北斗AIS一體化研發(fā)及應(yīng)用、北斗全球海上應(yīng)急搜救綜合管理平臺建設(shè)等。

（4）在加強北斗系統(tǒng)應(yīng)用推進，為航海者提供高效便捷服務(wù)的同時，穩(wěn)步做好航海保障業(yè)務(wù)安全信息安全管理工作，在系統(tǒng)建設(shè)初期做好安全策略設(shè)計，實施中做好物理隔離，最大化降低信息安全漏洞。

3 展望

北斗系統(tǒng)作為國際海事組織認可的全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，其在船舶安全航行、智慧海事、e-航海建設(shè)等諸多方面還有諸多應(yīng)用潛力，前景廣闊。北海航海保障中心將以服務(wù)航海用戶需求為導(dǎo)向，通過走出去和引進來戰(zhàn)略，積極爭取國家政策和資金的支持，開拓創(chuàng)新，通過北斗航海保障應(yīng)用研發(fā)和應(yīng)用，不斷提升綜合航海保障能力，切實為航海者提供高效卓越的服務(wù)。