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

李先強

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、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具有短報文通信能力。

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，正在運行的北斗二號系統(tǒng)免費向亞太地區(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

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告功能，在必要時可以讓用戶機隨時向中心系統(tǒng)報告動態(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)航和授時以及短報文通信服務(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)的運行控制，主要由主控站、時間同步/注入站、監(jiān)測站等組成。

主控站是北斗系統(tǒng)的運行控制中心，主要任務(wù)包括：收集各時間同步/注入站、監(jiān)測站的導(dǎo)航信號監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行數(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)運行管理與控制；負(fù)責(zé)星地時間觀測比對，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。

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

監(jiān)測站對衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行連續(xù)觀測，為主控站提供實時觀測數(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)點既保證了無源定位技術(shù)在接收機終端方面的無限性，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)獨特的短報文功能

北斗試驗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)的短報文通信技術(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個漢字、民用版49個漢字（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

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)芯片價格較高，芯片性能距離GPS還有一定的差距。

9.接收機的兼容性

目前美國的GPS接收機只能接收GPS衛(wèi)星信號，而中國的北斗接收機已經(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)用方面進行談判，估計將來的兩種定位系統(tǒng)的民用信號接收機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、授時精度[3]

三、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在現(xiàn)代海運業(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，同時由于目前的北斗接收機對GPS和GLONASS具有兼容性，也為其他國家商船船隊的設(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)直接向船舶下達指令，便于船舶調(diào)度。在船舶遇險的情況下，可以直接向周圍的用戶機發(fā)出短信救助要求，便于進行緊急救援。[5]

（3）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密授時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間記錄有差別，導(dǎo)致船舶動作記錄因時間差別而與實際差別較大，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，保證時間信號的準(zhǔn)確。

（4）船隊監(jiān)控與管理。2016年全國12米以上海洋機動漁船艘數(shù)為83 874艘，[6]是世界上海洋機動漁船數(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、遇險求救、增值信息服務(wù)。

同樣，該功能可以用于大型航運企業(yè)的全球船隊管理，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)掌握自己船隊的分布及動態(tài)狀況。在進行分組管理以后，可以知道自己的油輪船隊、集裝箱船隊、散貨船隊的分布及動態(tài)狀況，實現(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)，實現(xiàn)海運集裝箱全球調(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)同時采集等特點，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、在途、盤點等工作中解脫出來，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.北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的功能及其在海上運輸中的應(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)洋漁船補給信息管理系統(tǒng)應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng)，2017(2):94-98.