北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展及其在現(xiàn)代海運(yùn)業(yè)的應(yīng)用

李先強(qiáng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具有短報(bào)文通信能力。

2012年12月27日，北斗導(dǎo)航業(yè)務(wù)正式對亞太地區(qū)提供無源定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。

2014年11月23日，國際海事組織海上安全委員會審議通過了對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)認(rèn)可的航行安全通函，這標(biāo)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)的組成部分，取得了面向現(xiàn)代海運(yùn)業(yè)應(yīng)用的國際合法地位。[1]

一、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展

1.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展概況

中國自20世紀(jì)后期開始探索適合國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路，逐步形成了三步走發(fā)展戰(zhàn)略：2000年底，建成北斗一號系統(tǒng)，向中國提供服務(wù)；2012年底，建成北斗二號系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；目前，我國正在實(shí)施北斗三號系統(tǒng)建設(shè)。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，計(jì)劃2018年，面向“一帶一路”沿線及周邊國家提供基本服務(wù)；2020年前后，完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，為全球用戶提供服務(wù)。

目前，正在運(yùn)行的北斗二號系統(tǒng)免費(fèi)向亞太地區(qū)提供公開服務(wù)。定位精度優(yōu)于10米，測速精度優(yōu)于0.2 米/秒，授時(shí)精度優(yōu)于50納秒。

2.北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與特點(diǎn)

2017年是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的全球布網(wǎng)開局之年，2017年11月，實(shí)施了北斗三號全球組網(wǎng)衛(wèi)星的首次發(fā)射。從2017到2020年這4年中，中國將把多種類型的近30顆北斗衛(wèi)星送入軌道，并借此向用戶提供覆蓋全球的高水準(zhǔn)導(dǎo)航服務(wù)。

北斗二號系統(tǒng)與北斗三號系統(tǒng)的區(qū)別：

（1）星座情況：北斗二號系統(tǒng)由14顆衛(wèi)星組網(wǎng)。北斗三號系統(tǒng)由35顆衛(wèi)星組網(wǎng)。

（2）北斗三號系統(tǒng)不僅在衛(wèi)星組網(wǎng)方面從區(qū)域走向全球，更在衛(wèi)星重量（增加1倍以上）、壽命（由5年左右增加至10年左右）、激光通信等方面有所創(chuàng)新。比如北斗三號采用星載氫原子鐘，其精度比北斗二號的星載銣原子鐘提高一個(gè)數(shù)量級。

（3）北斗三號系統(tǒng)增加了衛(wèi)星搜救和全球位置報(bào)告功能，在必要時(shí)可以讓用戶機(jī)隨時(shí)向中心系統(tǒng)報(bào)告動態(tài)和位置。

（4）定位精度更高，由北斗二號系統(tǒng)的民用精度10米左右提高至北斗三號系統(tǒng)的亞米級，可以在更廣泛的范圍內(nèi)擴(kuò)展應(yīng)用。

3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成

北斗系統(tǒng)基本組成包括空間段、地面控制段和用戶段。

（1）空間段（空間星座），由5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星（分別位于東經(jīng)58°.75、80°、110°.5、140°和160°的赤道上空）、27顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星組成。該系統(tǒng)于2012年覆蓋亞太地區(qū)，2020年左右覆蓋全球，系統(tǒng)將向全球提供高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)。靜止軌道衛(wèi)星的高度為36 000千米左右，30顆非靜止軌道衛(wèi)星的高度為21 600千米左右。[2]

（2）地面控制段：負(fù)責(zé)系統(tǒng)導(dǎo)航任務(wù)的運(yùn)行控制，主要由主控站、時(shí)間同步/注入站、監(jiān)測站等組成。

主控站是北斗系統(tǒng)的運(yùn)行控制中心，主要任務(wù)包括：收集各時(shí)間同步/注入站、監(jiān)測站的導(dǎo)航信號監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成導(dǎo)航電文；負(fù)責(zé)任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度和系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制；負(fù)責(zé)星地時(shí)間觀測比對，向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文參數(shù)；衛(wèi)星有效載荷監(jiān)測和異常情況分析等。

時(shí)間同步/注入站主要負(fù)責(zé)完成星地時(shí)間同步測量，向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文參數(shù)。

監(jiān)測站對衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行連續(xù)觀測，為主控站提供實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)。

（3）用戶段：多種類型的北斗用戶終端，包括與其他導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。

4.目前覆蓋的區(qū)域

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)階段可以連續(xù)提供公開服務(wù)的區(qū)域包括55°S—55°N、70°E—150°E的大部分區(qū)域。

二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)比較

1.北斗系統(tǒng)的三頻信號與GPS的雙頻信號

北斗系統(tǒng)使用三頻信號，GPS系統(tǒng)目前的衛(wèi)星還使用雙頻信號。依據(jù)不同頻率的電磁波在同一介質(zhì)中的不同折射率，三頻信號可以更好地計(jì)算出大氣電離層的折射影響并降低電離層折射誤差，提高定位的精度。

2.北斗系統(tǒng)有源與無源定位相結(jié)合的技術(shù)與GPS的單獨(dú)無源定位技術(shù)

在新一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，為了保證應(yīng)急需要，原北斗試驗(yàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的雙星有源定位技術(shù)得以保留，而GPS為純粹單獨(dú)無源定位技術(shù)。北斗系統(tǒng)的有源與無源定位相結(jié)合的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)既保證了無源定位技術(shù)在接收機(jī)終端方面的無限性，又可根據(jù)申請，向重要用戶提供有源定位服務(wù)，從而告訴該用戶其部分接收機(jī)所在的位置和動態(tài)，這與AIS服務(wù)有些類似。

3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獨(dú)特的短報(bào)文功能

北斗試驗(yàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)的短報(bào)文通信技術(shù)，在新一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中得以保留。目前，導(dǎo)航終端可提供軍用版120個(gè)漢字、民用版49個(gè)漢字（僅限于亞太區(qū)域）的短信服務(wù)功能，目前中國漁業(yè)監(jiān)督部門已開始用該功能向漁業(yè)船舶提供氣象服務(wù)，進(jìn)行航行安全信息發(fā)布和休漁監(jiān)督管理等。

4.全球建站的主動權(quán)不同

美國的GPS系統(tǒng)目前在美國本土、太平洋的關(guān)島和夏威夷、印度洋的迭戈加西亞、大西洋的阿森松群島建設(shè)地面控制段。北斗系統(tǒng)也正在全球建設(shè)地面控制段，包括北歐的瑞典、南美的阿根廷以及太平洋的基里巴斯、非洲的納米比亞等地。但二者有重大差別的是美國的均建設(shè)在自己的土地上，而中國的是建設(shè)在外國的土地上，可靠性有變數(shù)。

5.坐標(biāo)系的不同

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的是CGCS2000坐標(biāo)系，GPS使用的WGS84坐標(biāo)系。

6.定位精度改進(jìn)

目前北斗二號系統(tǒng)服務(wù)區(qū)內(nèi)公開服務(wù)定位、測速、授時(shí)精度指標(biāo)如表1所示。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)精度比較：

（1）信號質(zhì)量：北斗系統(tǒng)信號質(zhì)量總體上與GPS相當(dāng)。

（2）民用領(lǐng)域的開放水平定位精度：二者均為10米。

（3）民用領(lǐng)域的高程精度：北斗系統(tǒng)高程方向10米左右，GPS高程方向低于10米，北斗系統(tǒng)較GPS略差。

（4）民用領(lǐng)域的測速精度：GPS≤0.1米/秒，優(yōu)于北斗系統(tǒng)。

當(dāng)然，這是公開數(shù)據(jù)。實(shí)際上GPS的水平定位精度技術(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于10米，甚至達(dá)到厘米級。北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的水平定位技術(shù)也達(dá)到了亞米級。

7.原子鐘技術(shù)

當(dāng)前全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，美國GPS導(dǎo)航衛(wèi)星采用了銫原子鐘和銣原子鐘結(jié)合的方式，歐盟GALILEO導(dǎo)航衛(wèi)星采用了銣原子鐘和被動型氫原子鐘結(jié)合的方式，俄羅斯GLONASS-K三代導(dǎo)航衛(wèi)星也采用銣原子鐘和被動型氫原子鐘結(jié)合的方式，我國新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星采用銣原子鐘和被動型氫原子鐘相結(jié)合的授時(shí)方式。[4]目前，北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的原子鐘精度達(dá)到了10-14秒的數(shù)量級，與GPS系統(tǒng)接近。

8.衛(wèi)星技術(shù)與質(zhì)量

GPS的衛(wèi)星壽命目前為8～10年，中國的北斗二號系統(tǒng)的壽命在5～6年，比美國的衛(wèi)星壽命還差不少。北斗三號系統(tǒng)的壽命將達(dá)到10年左右，高于GPS系統(tǒng)衛(wèi)星。

另外，由于中國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)使用的國產(chǎn)芯片價(jià)格較高，芯片性能距離GPS還有一定的差距。

9.接收機(jī)的兼容性

目前美國的GPS接收機(jī)只能接收GPS衛(wèi)星信號，而中國的北斗接收機(jī)已經(jīng)可以兼容美國的GPS和俄羅斯的GLONASS信號。但應(yīng)當(dāng)注意到，目前中國和美國正在就GPS系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在民用信號的互操作應(yīng)用方面進(jìn)行談判，估計(jì)將來的兩種定位系統(tǒng)的民用信號接收機(jī)的兼容性問題可以得到解決。

表1 北斗二號系統(tǒng)服務(wù)區(qū)內(nèi)公開服務(wù)定位、測速、授時(shí)精度[3]

三、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在現(xiàn)代海運(yùn)業(yè)的應(yīng)用思考

（1）為船舶提供比較準(zhǔn)確的位置和速度信息。目前的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位和測速精度雖然比不上GPS系統(tǒng)，但在2020年全球組網(wǎng)完成后其接近2米的定位精度和高于0.2節(jié)的測速精度完全可以滿足商船定位需要，同時(shí)由于目前的北斗接收機(jī)對GPS和GLONASS具有兼容性，也為其他國家商船船隊(duì)的設(shè)備配備提供了新的選擇。

（2）為船公司有效管理船舶和船舶之間的應(yīng)急救援提供了良好的途徑。由于該系統(tǒng)具有用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間雙向簡短漢字?jǐn)?shù)字通信能力，且這種數(shù)字通信服務(wù)在系統(tǒng)的工作區(qū)域內(nèi)不受時(shí)間和次數(shù)的限制，船公司可以方便地通過該系統(tǒng)直接向船舶下達(dá)指令，便于船舶調(diào)度。在船舶遇險(xiǎn)的情況下，可以直接向周圍的用戶機(jī)發(fā)出短信救助要求，便于進(jìn)行緊急救援。[5]

（3）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密授時(shí)功能可以為海事事故調(diào)查提供信息支持。海事事故調(diào)查過程中，往往由于兩船之間的時(shí)間記錄有差別，導(dǎo)致船舶動作記錄因時(shí)間差別而與實(shí)際差別較大，責(zé)任判定出現(xiàn)失誤。船舶用戶可以直接引用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的精密授時(shí)，保證時(shí)間信號的準(zhǔn)確。

（4）船隊(duì)監(jiān)控與管理。2016年全國12米以上海洋機(jī)動漁船艘數(shù)為83 874艘，[6]是世界上海洋機(jī)動漁船數(shù)量最多的國家之一。目前農(nóng)業(yè)部已經(jīng)在所有中國沿海海洋捕撈機(jī)動漁船上安裝了基于北斗系統(tǒng)的漁船船位監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)與AIS系統(tǒng)整合，為海洋漁業(yè)安全生產(chǎn)與緊急救援提供了技術(shù)保障，取得了非常好的應(yīng)用效果。其主要功能是：

①向外海生產(chǎn)作業(yè)者和關(guān)聯(lián)者提供船、岸間的多種通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字報(bào)文互通服務(wù)；

②向漁業(yè)管理部門提供漁業(yè)管理、船位監(jiān)控、緊急救援信息服務(wù)；

③向漁業(yè)經(jīng)營者提供漁業(yè)交易信息服務(wù)以及物流運(yùn)輸信息服務(wù)；

④向海洋漁業(yè)船只提供定位導(dǎo)航、航海通告、遇險(xiǎn)求救、增值信息服務(wù)。

同樣，該功能可以用于大型航運(yùn)企業(yè)的全球船隊(duì)管理，并可以按照不同的船舶類型在全球調(diào)度。大型船公司可以通過該系統(tǒng)掌握自己船隊(duì)的分布及動態(tài)狀況。在進(jìn)行分組管理以后，可以知道自己的油輪船隊(duì)、集裝箱船隊(duì)、散貨船隊(duì)的分布及動態(tài)狀況，實(shí)現(xiàn)指揮、監(jiān)控的功能。

（5）整合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海運(yùn)集裝箱全球調(diào)度管理。以物聯(lián)網(wǎng)為基本構(gòu)架，以北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)為主要傳輸工具，整合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線射頻識別RFID技術(shù)（又稱電子標(biāo)簽）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，形成北斗-物聯(lián)網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)[7]，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心是通過通信和交流來進(jìn)行資源共享，不受天氣、地域限制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位是其非常重要的技術(shù)支撐。RFID技術(shù)擁有無精準(zhǔn)對位、大批量數(shù)據(jù)同時(shí)采集等特點(diǎn)，讀寫器自動識別并將信息傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)中，然后更新標(biāo)簽，使集裝箱調(diào)度人員從大量重復(fù)的入站、出站、維護(hù)、在途、盤點(diǎn)等工作中解脫出來，方便了對集裝箱的全球調(diào)度與管理。

[1]李作虎，等.北斗海事國際標(biāo)準(zhǔn)總體研究及發(fā)展思考[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2015(4):79-83.

[2]中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務(wù)信號(2.1版)[R].北京:中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2016.

[3]中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范(1.0版)[R].北京:中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2013:15.

[4]王文明，操春燕.新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星首次搭載氫原子鐘大幅提高導(dǎo)航精度、性能和自主維持能力[EB/OL].(2015-10-12)[2017-11-02].http://www.cqn.com.cn/news/zgzlb/dier/1083406.html.

[5]李先強(qiáng).北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的功能及其在海上運(yùn)輸中的應(yīng)用[J].航海技術(shù)，2008(4):40-41.

[6]農(nóng)業(yè)部漁業(yè)漁政管理局.2017中國漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒[R].北京:農(nóng)業(yè)部漁業(yè)漁政管理局，2017:67.

[7]王淑芳，等.基于北斗-物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)洋漁船補(bǔ)給信息管理系統(tǒng)應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng)，2017(2):94-98.