北斗定位技術(shù)在客船安全監(jiān)控中的研究與應(yīng)用

燕鵬飛，高玉軍，張厚保

（1.中國交通通信信息中心，北京 100011；2.山東海事局，青島 266002）

海上客運的安全性面臨著巨大的挑戰(zhàn)，依然存在著事故隱患和安全風(fēng)險疊加、安全監(jiān)控存有盲區(qū)、部分企業(yè)主體責(zé)任落實不夠等問題，這些都對廣大旅客游客的生命財產(chǎn)安全以及海上旅游的順暢發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。因此，一方面，依賴相關(guān)法律法規(guī)的不斷健全、完善與落實，以規(guī)范和約束客運行為；另一方面，通過合適可行的信息技術(shù)手段，提高船舶監(jiān)控中的早預(yù)警早發(fā)現(xiàn)的能力，也會有效降低客船航行中的重大事故發(fā)生的風(fēng)險。

在船舶航行過程中，主要是綜合利用AIS、VTS、CCTV、VHF、GPS、衛(wèi)星電話等通信手段對船舶實施動態(tài)監(jiān)控。但這些技術(shù)手段也各有利弊，如衛(wèi)星電話費用昂貴，通常只在緊急或重大情況中使用；岸基AIS 信號覆蓋范圍有限；衛(wèi)星AIS 信號上報頻率太低等。這些都對我國客船航行狀況的監(jiān)控提出了考驗。

為此，本文將研究在客運船舶上安裝北斗終端后，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提升了船舶定位能力，從而進一步保障了船舶的客運安全。并且，通過客船監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)促進了海事管理部門與客運企業(yè)安全信息共享，實現(xiàn)了在客船動態(tài)監(jiān)控、異常行為防控等方面的聯(lián)防聯(lián)動，形成發(fā)現(xiàn)、核實、反饋的有效閉環(huán)管理，推動了企業(yè)落實安全生產(chǎn)主體責(zé)任，從而構(gòu)建了客運安全齊抓共管的良好格局。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)、高精度定位的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著北斗系統(tǒng)建設(shè)和服務(wù)能力的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通運輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、測繪地理信息、森林防火、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域，逐步滲透到人類社會生產(chǎn)和人們生活的方方面面，為全球經(jīng)濟和社會發(fā)展注入新的活力。[1]

北斗系統(tǒng)定位的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。衛(wèi)星坐標(biāo)可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出衛(wèi)星的坐標(biāo)，而用戶坐標(biāo)（及用戶接收機坐標(biāo)）則可以通過用戶到衛(wèi)星的距離進行測算，理論上3顆衛(wèi)星即可。也就是說由于衛(wèi)星的位置精確可知，我們可得到用戶到衛(wèi)星的距離，再利用三維坐標(biāo)中的距離公式[2]，通過3顆衛(wèi)星（假設(shè)用戶到衛(wèi)星的距離為d1，d2，d3），就可以解出用戶的位置坐標(biāo)，如圖1所示。

圖1 用戶接收機定位關(guān)系圖

設(shè)衛(wèi)星坐標(biāo)分別為p1（x1，y1，z1），p2（x2，y2，z2），p3（x3，y3，z3），用戶坐標(biāo)為p（x，y，z），則計算公式如下：

從圖1以及上面的公式，可解出用戶坐標(biāo)p（x，y，z），即確定接收機所在的位置，但實際上，接收機在僅接收到3顆衛(wèi)星的有效信號的情況下只能確定二維坐標(biāo)。這是因為計算衛(wèi)星同用戶接收機之間的距離的時間點不是絕對一致的，也就是說衛(wèi)星時間和接收機時間不是統(tǒng)一的，而在遠(yuǎn)如太空這樣的距離，失之毫厘謬以千里是切實的存在。

而解決時間不一致的方法，一是像在衛(wèi)星上安裝原子鐘一樣，在接收機上也同樣安裝，但由于原子鐘太過昂貴，顯然在每臺接收機上安裝也不切實際。這樣就引入了另一種解決方案，通過引入一個標(biāo)準(zhǔn)時間（即鐘差）來解決這個問題，但鐘差的引入將上述方程式的未知變量增加了一個，顯然用三個方程式是無法解出的，所以就需要增加1顆衛(wèi)星來進行計算。

設(shè)衛(wèi)星到用戶的距離為（d1，d2，d3，d4），衛(wèi)星坐標(biāo)分別為p1（x1，y1，z1），p2（x2，y2，z2），p3（x3，y3，z3），p4（x4，y4，z4），用戶坐標(biāo)為p（x，y，z），衛(wèi)星發(fā)射信號的時間為（t1，t2，t3，t4），用戶接收機當(dāng)時的時間為t，接收機同原子鐘的鐘差為△t，光速為c。計算公式如下：

由以上四個方程式，可求出四個未知參數(shù)（x，y，z）和△t，即確定了用戶的位置。不過在實際上，這個結(jié)果也并非是完全準(zhǔn)確，因為還存在其他的影響因素，比如雖然接收機的鐘差確定了，但衛(wèi)星雖然使用了原子鐘，但實際也可能存在衛(wèi)星的鐘差，以及天氣因素等。所以在實際情況中，定位的精度也是一個范圍。不過這里主要討論的是定位原理，所以不對過多的因素進行探討。

而且，由于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)有GEO，IGSO 和MEO 三類衛(wèi)星構(gòu)成，三類衛(wèi)星的可見性和觀測誤差特性各異，如GEO 和IGSO衛(wèi)星可見時段長，而GEO 衛(wèi)星觀測值存在明顯的周期性多徑誤差等[3]，故提高北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位的精確性也是需要重點研究的內(nèi)容。

2 常用船舶位置識別系統(tǒng)對比

目前，國內(nèi)使用的船舶位置識別系統(tǒng)主要有：

（1）VTS：Vessel Traffic Service 的縮寫，意為船舶交通服務(wù)，是由主管機關(guān)實施的、用于提高交通安全和效率以及保護環(huán)境的服務(wù)。[4]

（2）AIS：Automatic Identification System 的縮寫，意為船舶自動識別系統(tǒng)，由岸基（基站）設(shè)施和船載設(shè)備共同組成，是一種集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)、電子信息顯示技術(shù)為一體的數(shù)字助航系統(tǒng)和設(shè)備。[5]

它們具有不同的特點，如表1所示：

表1 不同船舶位置識別系統(tǒng)的特點

從表1可見，不同的定位系統(tǒng)，有不同的優(yōu)勢和劣勢，VTS和岸基AIS 延時短，但是覆蓋范圍有限，特別對于遠(yuǎn)距離航行的船舶來說，容易形成信號盲區(qū)；衛(wèi)星AIS 可以覆蓋全球，但信號延時太長，不能及時的定位船舶當(dāng)前所處的位置。這些定位系統(tǒng)雖各有優(yōu)勢，但其弱點也很明顯，對于船舶航行的安全及監(jiān)控都很不利。

所以，如果有定位系統(tǒng)，其既能夠保證覆蓋范圍又可以有較小的信號延時，則無疑會對船舶安全的有著很大的提升。而我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其北斗三號覆蓋范圍為全球（北斗一號為中國，北斗二號為亞太地區(qū)），保證船舶在全球任何水域都可以被監(jiān)測到；并且其民用信號的頻率可以低到1分鐘/次，也保證了定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性。因而，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍和信號頻率，使其可以作為很好的船舶位置定位和識別系統(tǒng)加以應(yīng)用。

3 北斗定位技術(shù)在客船安全監(jiān)控中的應(yīng)用

從上面的分析可見，一方面在客運船舶遠(yuǎn)途航行過程中，對實時監(jiān)控確實有切實的需求或者可稱之為痛點；另一方面，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在很大程度上剛好可以解決客船監(jiān)控的這一痛點。而且，北斗系統(tǒng)的實時動態(tài)偽距差分定位精度達到2-4m[6]，所以如果在遠(yuǎn)航客船上加裝北斗終端，通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)將其船位信號及時回傳并在軟件系統(tǒng)上進行展現(xiàn)，則可消除信號盲區(qū)、及時了解船舶當(dāng)前位置從而大幅提升安全監(jiān)控能力。

同時，為了促進現(xiàn)代綜合交通運輸發(fā)展，我國也通過制定專項規(guī)劃等不斷推動北斗系統(tǒng)在水路領(lǐng)域的應(yīng)用。提出要在現(xiàn)有海上安全監(jiān)管平臺中接入北斗系統(tǒng)相關(guān)信息，與海事共享數(shù)據(jù)庫融合，拓展智慧海事的感知手段和應(yīng)用功能。[7]

3.1 客船監(jiān)控應(yīng)用北斗定位技術(shù)的整體流程設(shè)計

將北斗定位技術(shù)應(yīng)用在客運船舶安全監(jiān)控的過程，總體可以分為兩個部分，一是在客船上加裝北斗終端，從而通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取船舶的船位等信息，二是建設(shè)客船監(jiān)控系統(tǒng)，并從北斗系統(tǒng)獲取信號并加以展示及應(yīng)用。整體示意如圖2所示。

圖2 客船監(jiān)控中北斗定位技術(shù)應(yīng)用示意圖

基本流程說明如下：

（1）北斗衛(wèi)星持續(xù)發(fā)送詢問信號。

（2）客運船舶上安裝的北斗終端接收到北斗衛(wèi)星的詢問信號后進行相應(yīng)，發(fā)出定位申請。

（3）北斗衛(wèi)星收到定位申請后將其轉(zhuǎn)給衛(wèi)星基站，運營中心通過衛(wèi)星定位原理計算出終端位置后，一方面將位置信息發(fā)送到北斗數(shù)據(jù)中心存儲，一方面發(fā)送給北斗衛(wèi)星。

（4）北斗衛(wèi)星再將定位信息轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)客運船舶上的北斗終端，在客船上即可知道當(dāng)前位置。

（5）客船監(jiān)控系統(tǒng)從北斗數(shù)據(jù)中心獲取定位信息后，即可知道當(dāng)前客船的船位情況，并由此進行更多的實際應(yīng)用。

上述流程為通常情況，在實際應(yīng)用中，如果想要了解某客船當(dāng)前的位置，也可以通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運營中心主動發(fā)起消息給北斗衛(wèi)星，衛(wèi)星去詢問指定北斗終端的位置，獲取以后發(fā)回給運營中心。

3.2 客船監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

客船監(jiān)控系統(tǒng)在建設(shè)時，需要緊密結(jié)合實際需要，并且充分考慮功能使用和技術(shù)可行，在設(shè)計上遵循分層設(shè)計思想進行系統(tǒng)實現(xiàn)并提供對外服務(wù)，故可將其總體架構(gòu)劃分為安全系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、主機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)資源平臺、應(yīng)用支撐平臺和應(yīng)用系統(tǒng)5個層級，如圖3所示。

圖3 客船監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

每一層的設(shè)計內(nèi)容及交互關(guān)系如下：

（1）安全系統(tǒng)：安全系統(tǒng)主要包括安全技術(shù)和安全管理。安全技術(shù)分為物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、主機系統(tǒng)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全。安全管理主要是建立安全管理機構(gòu)、制定安全管理制度、進行人員安全管理和系統(tǒng)安全管理及系統(tǒng)運維管理。

（2）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：包括海事內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)實際需要提供不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

（3）主機系統(tǒng)：主要包括主機、存儲、操作系統(tǒng)、WEB 服務(wù)器。

（4）數(shù)據(jù)資源平臺：主要是針對應(yīng)用的需要，對應(yīng)用底層的數(shù)據(jù)資源進行統(tǒng)一管理和統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計。

（5）應(yīng)用支撐平臺：SOA 運行環(huán)境平臺，用于提供一系列工具和功能，為本系統(tǒng)提供綜合的SOA 運行支撐環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，基于Internet 平臺提供基礎(chǔ)地圖服務(wù)。

（6）應(yīng)用系統(tǒng)：實現(xiàn)客船監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用需求并提供對外服務(wù)。

3.3 北斗定位技術(shù)在客船監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用實現(xiàn)

客船監(jiān)控系統(tǒng)從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取船舶定位數(shù)據(jù)后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的船舶自動識別系統(tǒng)協(xié)議進行解析，生成應(yīng)用系統(tǒng)可識別的船位信息，完成數(shù)據(jù)校驗并入庫，之后系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)調(diào)用并在前臺頁面展示。

在離岸距離并不非常遠(yuǎn)的情況下，以某艘客船為例，我們對比采用北斗、岸基AIS、衛(wèi)星AIS 這三類定位的數(shù)據(jù)情況。

圖4 某近岸航行客船北斗船位航跡圖

圖5 某近岸航行客船岸基AIS船位航跡圖

圖6 某近岸航行客船衛(wèi)星AIS船位航跡圖

從圖4、圖5、圖6的航跡圖來比較，可以發(fā)現(xiàn)在近岸航行的情況下，無論是北斗系統(tǒng)定位還是岸基AIS 定位，都能夠很好地獲取船位信號進行展示。但是對于衛(wèi)星AIS 來講，雖然總體上也能了解船舶的基本航行軌跡，但是從圖6可以清晰看到，存在信號間隔時間比較長的情況，這樣對于船舶航行安全存在監(jiān)控空白。故可知北斗系統(tǒng)定位和岸基AIS 定位對于近岸航行船舶的表現(xiàn)更好，也更有利于船舶航行的安全。

再分析遠(yuǎn)洋航行客船的情況，由于近岸航行情況已經(jīng)證明衛(wèi)星AIS 定位存在信號獲取問題，故接下來只進行北斗系統(tǒng)定位和岸基AIS 定位兩類進行比對。

圖7 某遠(yuǎn)洋航行客船北斗船位航跡圖

圖8 某遠(yuǎn)洋航行客船岸基AIS船位航跡圖

從上述圖7、圖8的航跡圖來比較，可以發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)洋航行的情況下，北斗系統(tǒng)定位能夠覆蓋到的范圍更大，而岸基AIS 定位覆蓋的范圍就比較有限，存在覆蓋盲區(qū)。所以從這方面來比較，北斗系統(tǒng)比岸基AIS 在遠(yuǎn)洋航行中的表現(xiàn)更好，也更有利于船舶航行的安全。將北斗信號展示的船舶航跡圖層放大如圖9所示。

圖9 某遠(yuǎn)洋航行客船北斗船位航跡細(xì)節(jié)圖

從圖9可見，北斗船位信號的間隔接近1分鐘并且間隔時間比較穩(wěn)定。

從上述近岸及遠(yuǎn)洋航行的分析可以得出結(jié)論：北斗系統(tǒng)定位在客船航行中具備覆蓋范圍廣、信號頻率高、信號接收穩(wěn)定等顯著的特點，因而在客運船舶安裝北斗終端后，能夠明顯提升定位效果，從而提高客運船舶航行安全水平。

4 結(jié)束語

本文所進行的研究與應(yīng)用，依托了山東海事局所建設(shè)的山東沿?？痛瑒討B(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中通過對北斗系統(tǒng)定位技術(shù)的研究，結(jié)合客運船舶航行安全監(jiān)控發(fā)展的現(xiàn)狀，探討并驗證了在客船上加裝北斗終端后，相比傳統(tǒng)定位技術(shù)，對船舶定位能力方面的提升效果，證明了北斗系統(tǒng)定位技術(shù)在客船航行應(yīng)用中的可行性和可靠性。但同時，目前北斗星座的衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)還未完成，距離全球覆蓋還需要一點時間，并且相關(guān)的法律法規(guī)特別是國際上相關(guān)的法律支持和推動進展還待繼續(xù)完善，所以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)距離全球化應(yīng)用還有一些距離，需要更多的支持和努力。另外，在實際中，很多安裝北斗終端的船舶，其本身已經(jīng)具有了AIS 設(shè)備，因而在應(yīng)用系統(tǒng)對航跡顯示時，還需要考慮多路船位信號的融合展示問題。