基于海上數(shù)字廣播（NAVDAT）技術(shù)的海上定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）優(yōu)化性研究

摘 ?要：海上定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）的可靠性是海上船舶安全航行的重要保證，其衛(wèi)星和陸基技術(shù)是國(guó)際海事領(lǐng)域內(nèi)各國(guó)重要的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。在衛(wèi)星方面，我國(guó)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已在PNT體系中開(kāi)始發(fā)揮作用，而陸基方面的技術(shù)研究還相對(duì)匱乏。本文通過(guò)對(duì)海上數(shù)字廣播（NAVDAT）這一未來(lái)海事領(lǐng)域中重要技術(shù)的拓展研究，提出了一種陸基PNT服務(wù)方式，有效優(yōu)化現(xiàn)有PNT系統(tǒng)，同時(shí)可憑借我國(guó)在NAVDAT技術(shù)研究上的主導(dǎo)性國(guó)際地位，有力維護(hù)我國(guó)海域上的安全和權(quán)益。

關(guān)鍵詞：定位;導(dǎo)航;授時(shí);海上數(shù)字廣播（NAVDAT）

定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）體系是每一個(gè)國(guó)家的重點(diǎn)安全戰(zhàn)略，可獲取與播發(fā)時(shí)空信息，提供導(dǎo)航服務(wù)。海上數(shù)字廣播（NAVDAT）技術(shù)在國(guó)際上還處于研究階段，我國(guó)在其技術(shù)、實(shí)踐以及標(biāo)準(zhǔn)制定方面都處于優(yōu)勢(shì)地位，根據(jù)前期的研究成果，有能力拓展其在PNT服務(wù)方面的應(yīng)用。

1 海上定位導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）能力現(xiàn)狀

目前，PNT體系主要以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心、多個(gè)協(xié)同工作的定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)相互增強(qiáng)、補(bǔ)充、備份、融合[1]，共同提高安全保障能力。

1.1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）

海上PNT體系采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）為主要手段，包括美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO和中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等四大GNSS全球系統(tǒng)[2]，以及其他區(qū)域系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)。GNSS具有精度高、全球覆蓋的優(yōu)點(diǎn)，但由于發(fā)射功率小、收發(fā)設(shè)備距離遠(yuǎn)以及高頻段特性的原因，其存在抗干擾能力低、繞射能力差的脆弱性，單獨(dú)作為航海定位、導(dǎo)航和授時(shí)的支撐系統(tǒng)有著較大的風(fēng)險(xiǎn)，需要其他手段作為輔助或備份，以提高整個(gè)PNT體系的可靠性。

1.2 陸基遠(yuǎn)程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)

由于GNSS的脆弱性，不易受到干擾且繞射能力強(qiáng)的陸基遠(yuǎn)程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)得以發(fā)展，其優(yōu)勢(shì)恰可彌補(bǔ)GNSS的潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多個(gè)國(guó)家多年來(lái)的技術(shù)評(píng)估和試驗(yàn)研究，羅蘭-C系統(tǒng)可完全達(dá)到GNSS的性能指標(biāo)，是GNSS出現(xiàn)故障或被破壞時(shí)的最佳備份系統(tǒng)。我國(guó)現(xiàn)有3個(gè)羅蘭-C臺(tái)鏈，基本覆蓋服務(wù)海域，可提供可靠的PNT服務(wù)。但羅蘭技術(shù)發(fā)源于國(guó)外，從國(guó)家安全和發(fā)展角度考慮，對(duì)于我國(guó)海上PNT體系的建設(shè)，應(yīng)在大力發(fā)展北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的同時(shí)，考慮陸基無(wú)線電導(dǎo)航的新手段，以形成更安全、可靠的海上PNT體系。

1.3 海上主要導(dǎo)航及輔助手段

在茫茫大海上，船舶的位置及航向確定對(duì)于航行安全至關(guān)重要，岸基部門(mén)利用GNSS或陸基系統(tǒng)提供的PNT信息，提供多種導(dǎo)助航手段。比如：電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）主要提供海上導(dǎo)航服務(wù)，類似陸地的導(dǎo)航手段。而船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、海上安全信息（MSI）服務(wù)、船舶交通服務(wù)（VTS）等主要提供位置、方向、有關(guān)航行安全、航線指導(dǎo)等助航信息。

2 海上數(shù)字廣播（NAVDAT）技術(shù)在定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）領(lǐng)域的優(yōu)化應(yīng)用

鑒于GNSS的脆弱性以及羅蘭-C技術(shù)的非主導(dǎo)性，我國(guó)應(yīng)著力研究具備技術(shù)主導(dǎo)權(quán)的新型陸基無(wú)線電定位、導(dǎo)航和授時(shí)手段，為服務(wù)海域上的船舶提供更有力的航海保障。

海上數(shù)字廣播（NAVDAT）是國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）于2011年提出的一種基于數(shù)字傳輸?shù)暮Ｉ蠌V播技術(shù)手段，由于其具備高速率、高帶寬等優(yōu)點(diǎn)，是GMDSS現(xiàn)代化和e-航海戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)。目前，我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已處于世界領(lǐng)先水平，結(jié)合其技術(shù)特性，NAVDAT系統(tǒng)是我國(guó)在定位、導(dǎo)航和授時(shí)方面最適合的新型手段，我國(guó)也完全具備NAVDAT技術(shù)在PNT領(lǐng)域上拓展功能的研發(fā)水平。

2.1 海上導(dǎo)航方面

NAVDAT技術(shù)具有10 kHz帶寬，這在海事通信領(lǐng)域已屬較高帶寬。我國(guó)自2014年開(kāi)始研制的NAVDAT系統(tǒng)，采用正交頻分復(fù)用（OFDM）中的同步、信道補(bǔ)償、編解碼等技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)了10 kHz帶寬信道上數(shù)據(jù)的高速數(shù)字化傳輸，NAVDAT系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)速率可達(dá)12～18 kbps，是現(xiàn)有海上廣播系統(tǒng)NAVTEX的360倍，能實(shí)現(xiàn)電子海圖改正信息、VTS文件等大信息量導(dǎo)助航數(shù)據(jù)的播發(fā)，為在航人員提供最及時(shí)、可靠的航路信息，提高在航船舶的通行能力。同時(shí)，利用HTML語(yǔ)言，可實(shí)現(xiàn)NAVDAT系統(tǒng)與船舶電子海圖系統(tǒng)（ECS）、導(dǎo)航信息系統(tǒng)（NIS）的無(wú)縫連接，將航行警告、水文信息、搜救信息、氣象圖等可視化地發(fā)布在海圖、導(dǎo)航畫(huà)面上，與其航線監(jiān)視等功能融為一體，增強(qiáng)了船舶對(duì)環(huán)境的感知力，提升了電子海圖系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)助航水平。

2.2 海上定位方面

ITU將495～505 kHz劃分給中頻NAVDAT系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)A2海區(qū)的覆蓋，其傳播速度變化不大，因此可利用穩(wěn)定的傳播特性開(kāi)拓NAVDAT技術(shù)在定位、授時(shí)方面的應(yīng)用。

無(wú)線電定位的本質(zhì)就是利用無(wú)線電傳播距離確定目標(biāo)位置。NAVDAT系統(tǒng)通過(guò)待測(cè)點(diǎn)與已知位置發(fā)射臺(tái)的距離差，結(jié)合無(wú)線電測(cè)距交會(huì)原理，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖1所示的3個(gè)發(fā)射臺(tái)（其中A、B和C分別為主、副發(fā)射臺(tái)），通過(guò)船臺(tái)接收機(jī)接收到主、副發(fā)射臺(tái)載波的時(shí)差值，計(jì)算出距離差，繼而利用A和B、A和C與待測(cè)點(diǎn)的兩個(gè)距離差構(gòu)建兩條雙曲線，其交點(diǎn)就是定位的位置[4]，同時(shí)根據(jù)誤差傳播定律評(píng)估可得出NAVDAT系統(tǒng)位置定位精度<100 m。

2.3 海上授時(shí)方面

NAVDAT發(fā)射臺(tái)可接入北斗衛(wèi)星接收機(jī)進(jìn)行時(shí)間同步，具有20～50 ns的高精度授時(shí)能力，船臺(tái)接收設(shè)備的授時(shí)精度主要受發(fā)射臺(tái)到接收設(shè)備之間傳播時(shí)間的測(cè)量精度影響，由于NAVDAT采用的500 kHz中頻在海面?zhèn)鞑ゾ哂休^穩(wěn)定的傳播速度，不易受外界環(huán)境影響，因此可利用傳播距離精準(zhǔn)測(cè)量傳播時(shí)間。假設(shè)T0為發(fā)射臺(tái)發(fā)射信號(hào)的準(zhǔn)確時(shí)刻，船舶通過(guò)雙時(shí)差定位后確定出自己的位置，根據(jù)發(fā)射臺(tái)和船舶位置的空間距離可以計(jì)算出發(fā)射臺(tái)發(fā)射信號(hào)到達(dá)船舶的時(shí)間延遲ΔT，最終便可確定船舶接收發(fā)射臺(tái)信號(hào)的準(zhǔn)確時(shí)刻為T(mén)=T0+ΔT，也即自身準(zhǔn)確的時(shí)間信息，這樣就實(shí)現(xiàn)了基于NAVDAT技術(shù)的無(wú)線電授時(shí)功能。通過(guò)仿真測(cè)試，NAVDAT系統(tǒng)授時(shí)精度優(yōu)于1 μs。

3 NAVDAT技術(shù)應(yīng)用于PNT領(lǐng)域的前景

e-航海是國(guó)際海事組織（IMO）的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略計(jì)劃，在其背景下制定的《海上無(wú)線電規(guī)劃》指導(dǎo)著海事領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向，NAVDAT作為其中的重要組成部分，在PNT領(lǐng)域的應(yīng)用不斷地解讀著e-航海的建設(shè)目標(biāo)：一是，向航海者提供清晰的信息。NAVDAT系統(tǒng)利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各類海事信息集中化、可視化呈現(xiàn)于電子海圖、船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)上的功能，向航海者提供了更清晰、豐富的導(dǎo)助航信息，提高導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)效能;二是，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)捷而有效的船岸之間的通信。NAVDAT系統(tǒng)與NAVTEX系統(tǒng)一樣，采取輪播的工作模式，但由于NAVDAT系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，可大幅縮短輪播間隔，同時(shí)，NAVDAT系統(tǒng)引入了單頻網(wǎng)（SFN）技術(shù)，可在不會(huì)造成同頻干擾的情況下實(shí)現(xiàn)大霧等特殊時(shí)段的多臺(tái)站同頻聯(lián)播，保證更及時(shí)、有效的導(dǎo)助航信息送達(dá)服務(wù)目標(biāo)。另外，由于NAVDAT系統(tǒng)可集中化提供各類導(dǎo)助航信息，避免了眾多接收終端為航海人員造成的不便，便捷了信息服務(wù)方式;三是，提高船舶對(duì)環(huán)境的知曉。NAVDAT系統(tǒng)可播發(fā)NAVTEX系統(tǒng)所無(wú)法處理的電子海圖更新數(shù)據(jù)、氣象傳真圖、VTS等大信息量、多媒體格式的文件，保證在航船舶及時(shí)掌握航行環(huán)境要素，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，安全高效地進(jìn)行海上活動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，我國(guó)NAVDAT技術(shù)研究已相對(duì)成熟，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的修訂上占據(jù)世界主導(dǎo)地位。利用其高效、穩(wěn)定的技術(shù)特性可提升導(dǎo)助航系統(tǒng)的服務(wù)水平，而日后建設(shè)的覆蓋我國(guó)海域的NAVDAT臺(tái)鏈系統(tǒng)經(jīng)適當(dāng)?shù)募夹g(shù)調(diào)整，可具備類似羅蘭系統(tǒng)的定位、授時(shí)服務(wù)能力，構(gòu)建出我國(guó)技術(shù)主導(dǎo)的海上無(wú)線電定位系統(tǒng)，為船舶增加一種新型的、可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)途徑，有效優(yōu)化現(xiàn)有PNT系統(tǒng)，建設(shè)安全高效暢通航運(yùn)環(huán)境，助力航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

高迎，女，工程師，13917984453