北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海上的應(yīng)用

文|華程

中博信息技術(shù)研究院有限公司

一、前言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的國家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施。北斗系統(tǒng)具備導(dǎo)航定位和通信數(shù)傳兩大功能，提供七種服務(wù)，分別是定位導(dǎo)航授時(shí)（RNSS）、全球短報(bào)文通信（GSMC）、國際搜救（SAR）、星基增強(qiáng)（SBAS）、地基增強(qiáng)（GAS）、精密單點(diǎn)定位（PPP）、區(qū)域短報(bào)文通信（RSMC）。

2020 年3 月11 日國際電工委員會(huì)（IEC）正式發(fā)布首個(gè)北斗船載接收設(shè)備檢測國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61108-5），對(duì)于推動(dòng)北斗全面進(jìn)入船載綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)應(yīng)急示位標(biāo)、電子海圖和信息系統(tǒng)等相關(guān)IEC 標(biāo)準(zhǔn)，持續(xù)推進(jìn)北斗在國際海事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，具有重要的意義。北斗系統(tǒng)通信導(dǎo)航一體化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不僅擺脫了對(duì)美國GPS 的依賴，維護(hù)國家安全，還具備比GPS 系統(tǒng)更廣泛的應(yīng)用前景。

二、海上通信導(dǎo)航業(yè)務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)狀

1. 海上通信業(yè)務(wù)

目前我國海上通信業(yè)務(wù)主要承擔(dān)相關(guān)國際公約規(guī)定的海上遇險(xiǎn)安全通信、安全信息播發(fā)等公益性業(yè)務(wù)，以及國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)（COSPAS-SARSAT）遇險(xiǎn)搜救業(yè)務(wù)（SAR）。

（1）遇險(xiǎn)安全通信

遇險(xiǎn)安全通信直接影響到船舶遇險(xiǎn)報(bào)警值守和遇險(xiǎn)船舶救助。為確保全球各國或地區(qū)船舶安全航行和遇險(xiǎn)安全通信需要，IMO 要求各締約國或地區(qū)政府通過自建或政府間合作，盡可能對(duì)全球各海域分別形成甚高頻（VHF）、中頻（MF）和高頻（HF）岸臺(tái)的連續(xù)或全面覆蓋。DSC（數(shù)字選擇性呼叫）是使用與VHF、MF/HF SSB（單邊帶模式）相連接的DSC 終端進(jìn)行的遇險(xiǎn)、緊急、安全和日常通信呼叫的一種數(shù)字通信系統(tǒng)。DSC 采用的代碼發(fā)送信息方式，使用復(fù)雜，效率較低，特別是在緊急情況下更加難以良好地使用，而且不能獨(dú)立發(fā)送定位信息，需要GPS 系統(tǒng)設(shè)備配合。無線電話是窄帶語音通信，通過特定人工頻率協(xié)調(diào)方式切換合適信道進(jìn)行單工/雙工語音通信，MF 頻率依靠地波傳輸距離不遠(yuǎn)，HF 依靠天波傳播，傳播環(huán)境不穩(wěn)定變化大，通常在VHF 頻段使用單工通信比較多，傳播距離更小。NBDP（窄帶直接印字電報(bào)）實(shí)現(xiàn)了船舶之間以及船舶與岸臺(tái)之間的雙向報(bào)文通信，也可用于海上安全信息播發(fā)。

（2）海上安全信息播發(fā)

GMDSS 中主要涉及七種海上安全信息（MSI）：航行警告、氣象警告、冰況報(bào)告、搜救信息、氣象預(yù)報(bào)、引航業(yè)務(wù)（不包含美國）和電航信息系統(tǒng)的更正信息等。GMDSS 海上安全信息使用專用廣播頻率。海岸電臺(tái)安全信息播發(fā)系統(tǒng)由一個(gè)分系統(tǒng)和一個(gè)輔助系統(tǒng)構(gòu)成，即航行電傳系統(tǒng)（NAVTEX）和HF NBDP 系統(tǒng)。還有氣象傳真圖、傳統(tǒng)MF/HF無線電報(bào)、MF/HF/VHF無線電話等其他非主流方式，播發(fā)MSI 的主要方式依然是NAVTEX。NAVTEX 系統(tǒng)服務(wù)于近洋航區(qū)，HF NBDP 輔助系統(tǒng)服務(wù)于遠(yuǎn)洋航區(qū)。由于HF 傳播的不確定因素很多，傳播環(huán)境變化大易不穩(wěn)定，日常依然以NAVTEX 播發(fā)為主。但是NAVTEX 使用486/518kHz 頻率播發(fā)，受岸臺(tái)的覆蓋范圍限制，覆蓋范圍有限。

（3）常規(guī)通信

常規(guī)通信主要是與沿海、近洋和遠(yuǎn)洋船舶電臺(tái)進(jìn)行MF/HF 無線電話通信和無線電報(bào)通信。除此之外，深海通信主要以美國Inmarsat 衛(wèi)星通信為主。Inmarsat 衛(wèi)星通信系統(tǒng)是地球同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)，經(jīng)過多年發(fā)展，目前已發(fā)展到技術(shù)應(yīng)用成熟的第五代全球覆蓋的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，除了地球兩極地區(qū)外可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。一方面Inmarsat 系統(tǒng)也是美軍使用的系統(tǒng)，存在較大的安全隱患；另一方面，該系統(tǒng)通信資費(fèi)較為昂貴，對(duì)船舶的要求較高，在船舶中并不普及。

（4）搜救衛(wèi)星遇險(xiǎn)搜救

搜救衛(wèi)星系統(tǒng)通過接收用戶遇險(xiǎn)示位標(biāo)發(fā)送的報(bào)警信息，并計(jì)算其遇險(xiǎn)位置信息，將遇險(xiǎn)信息轉(zhuǎn)發(fā)至搜救機(jī)構(gòu)進(jìn)行救援。中國搜救衛(wèi)星系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，為在中國搜救服務(wù)區(qū)范圍內(nèi)的海上、空中和陸地用戶提供遇險(xiǎn)報(bào)警服務(wù)，通過國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)西北太平洋數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，向全球用戶發(fā)布遇險(xiǎn)報(bào)警信息，為中國和境外的遇險(xiǎn)搜救指揮部門實(shí)施救助行動(dòng)，提供了有力的支持和幫助。國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)分為低軌道搜救衛(wèi)星系統(tǒng)（LEOSAR）、靜止軌道搜救衛(wèi)星系統(tǒng)（GEOSAR）和中軌道搜救衛(wèi)星系統(tǒng)（MEOSAR），我國目前已經(jīng)支持LEOSAR 和MEOSAR。搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的不足是定位精度不高，而且發(fā)送遇險(xiǎn)報(bào)警后，由于沒有通信機(jī)制，難以收到搜救機(jī)構(gòu)的確認(rèn)反饋信息。

2. 船舶管理業(yè)務(wù)

船舶交通管理系統(tǒng)（VTS，vessel traffic service）是目前船舶管理的主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)。VTS 是利用船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS，automatic identification system）基站、雷達(dá)、視頻監(jiān)控、無線電話，以及船載終端等通信設(shè)施監(jiān)控航行在港灣和進(jìn)出港口的船舶，并給這些船舶提供航行中所需的安全信息的一種系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可監(jiān)控船舶的航路脫離與否、行進(jìn)方向、速度、船舶相互交行等，以向船舶迅速地提供進(jìn)出港時(shí)所需的安全航行信息。其中獲得船位的AIS 系統(tǒng)主要是依靠美國GPS 系統(tǒng)來獲得位置信息，在當(dāng)前國際形勢(shì)下，存在很大安全隱患。

三、北斗海上業(yè)務(wù)應(yīng)用分析

海上業(yè)務(wù)通信覆蓋困難，對(duì)位置服務(wù)有強(qiáng)烈要求。基于北斗系統(tǒng)的服務(wù)能力和水上業(yè)務(wù)需求，北斗通信導(dǎo)航一體化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，除了滿足水上基本的定位業(yè)務(wù)需求外，在數(shù)據(jù)采集、信息播發(fā)和基本通信服務(wù)方面與水上業(yè)務(wù)十分契合。此外，GMDSS 現(xiàn)代化的一個(gè)基本特征是數(shù)字化，時(shí)頻基準(zhǔn)服務(wù)也將會(huì)是GMDSS 系統(tǒng)現(xiàn)代化的重要組成。北斗海上業(yè)務(wù)應(yīng)用范圍如圖1 所示。

圖1 北斗海上業(yè)務(wù)應(yīng)用示意圖

1. 全球船舶信息動(dòng)態(tài)跟蹤

目前廣泛應(yīng)用的船舶位置跟蹤系統(tǒng)是AIS/LRIT系統(tǒng)。但是AIS 主要是依靠岸基的AIS 基站來獲取船舶位置信息，有效范圍主要在A1 海區(qū)（離岸21海里區(qū)域）。船舶遠(yuǎn)距識(shí)別及跟蹤系統(tǒng)（LRIT，long range identification and tracking of ships）獲得船位信息一方面需要船舶另外搭載衛(wèi)星通信系統(tǒng)支持，另一方面是其位置信息更新周期超過6h，實(shí)時(shí)性不高。而且目前船舶位置信息基本是基于GPS 系統(tǒng)的，存在很大的安全隱患。

北斗系統(tǒng)既支持定位又支持短報(bào)文通信，通過船舶搭載支持短報(bào)文通信的北斗定位終端，可以很好地解決船舶信息動(dòng)態(tài)跟蹤的定位和通信需求。特別是在深遠(yuǎn)海區(qū)域，基于北斗系統(tǒng)的船舶信息動(dòng)態(tài)跟蹤更具有優(yōu)勢(shì)。北斗全產(chǎn)業(yè)鏈所有元器件基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，設(shè)備更加簡單，系統(tǒng)成本低，性價(jià)比高。

而且AIS 系統(tǒng)中將GPS 定位替換為北斗系統(tǒng)，同樣可以實(shí)現(xiàn)AIS 的系統(tǒng)功能。我國東海航海保障中心已經(jīng)在水上交通建設(shè)中應(yīng)用北斗，為北斗行業(yè)應(yīng)用提供了良好的經(jīng)驗(yàn)。

2. 海上設(shè)施虛擬化

海上比較重要的設(shè)施是航道、航標(biāo)、錨地、燈塔等。一直以來，航道、航標(biāo)等的維護(hù)都是海事部門的重要工作，耗費(fèi)了大量的人力物力。為了簡化管理，建立航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)，簡化了巡檢，也降低了設(shè)施維護(hù)成本。而在海上，通信網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋，主要依靠衛(wèi)星通信，而傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信不僅設(shè)備復(fù)雜、資費(fèi)昂貴，而且還需要單獨(dú)配備定位裝置。北斗終端設(shè)備簡單，可集成定位和短報(bào)文通信，能夠?qū)Ｉ显O(shè)施位置、狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測，判斷航標(biāo)是否發(fā)生位移。

待北斗系統(tǒng)在水上廣泛應(yīng)用后，結(jié)合電子地圖，可以將各種水上設(shè)施虛擬化，通過北斗系統(tǒng)在電子地圖上更新，為船舶廣播各類設(shè)施的位置、信息的更新。

3. 安全信息播發(fā)

目前海上安全信息播發(fā)主要通過NAVTEX、EGC（增強(qiáng)型群呼）以廣播方式播發(fā)。其中NAVTEX 主要覆蓋沿海區(qū)域，免費(fèi)使用，遠(yuǎn)海主要通過收費(fèi)的EGC 覆蓋，并且要求船舶搭載Inmarsat衛(wèi)星船載終端。NAVTEX 的不足是覆蓋范圍有限。EGC 的不足是設(shè)備復(fù)雜、收費(fèi)，而且對(duì)船舶缺乏針對(duì)性。

北斗短報(bào)文系統(tǒng)，不僅支持MSI 信息播發(fā)，還能夠面向部分船舶發(fā)送特定航運(yùn)信息，而且設(shè)備簡單能夠覆蓋全球。在A3/A4 海區(qū)（A1 海區(qū)，是指至少由一個(gè)具有連續(xù)數(shù)字選擇呼叫報(bào)警能力的甚高頻岸臺(tái)的無線電話所覆蓋的區(qū)域；A2 海區(qū)，是指除A1 海區(qū)以外，至少由一個(gè)具有連續(xù)DSC 報(bào)警能力的中頻（MF）岸臺(tái)的無線電話所覆蓋的區(qū)域；A3 海區(qū)，是指除A1 和A2 海區(qū)以外，由具有連續(xù)報(bào)警能力的國際海事衛(wèi)星組織（INMARSAT）靜止衛(wèi)星所覆蓋的區(qū)域；A4 海區(qū)，是指除A1，A2 和A3 海區(qū)以外的海區(qū)）可替代EGC，中遠(yuǎn)海中區(qū)域中文安全信息播發(fā)可部分替代NAVTEX。

我國北海航海保障中心建設(shè)的北斗應(yīng)用平臺(tái)，包含安全信息播發(fā)平臺(tái)，訂制獲取并向船舶發(fā)送航行警（通）告、氣象警報(bào)、氣象預(yù)報(bào)、冰況報(bào)告等航行安全信息，很好地服務(wù)于渤海灣區(qū)域。

4. 全球船舶遇險(xiǎn)應(yīng)急報(bào)警

目前海上應(yīng)急報(bào)警主要是通過應(yīng)急無線電示位標(biāo)（emergency position indicating radio beacon，EPIRB）實(shí)現(xiàn)。通過COSPAS-SARSAT 搜救衛(wèi)星系統(tǒng)接收遇險(xiǎn)報(bào)警信號(hào)，計(jì)算遇險(xiǎn)位置，將位置信息發(fā)給搜救協(xié)調(diào)點(diǎn)，開展搜救工作。北斗有6顆衛(wèi)星加入了國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)，目前COSPASSARSAT 搜救衛(wèi)星包括GPS、伽利略、GLONASS 和北斗。因此北斗不僅支持傳統(tǒng)的搜救衛(wèi)星遇險(xiǎn)報(bào)警功能，還支持北斗自有的遇險(xiǎn)報(bào)警機(jī)制。COSPASSARSAT 采用的定位方式是有源定位方式，定位精度不高。北斗可以采用無源定位和短報(bào)文通信，提供更高的定位精度，具有更加豐富的遇險(xiǎn)報(bào)警功能，北斗的應(yīng)用更加靈活。

各類船舶均可搭載北斗應(yīng)急遇險(xiǎn)報(bào)警終端，還可以兼容COSPAS-SARSAT EPIRB，實(shí)現(xiàn)多種遇險(xiǎn)報(bào)警方式。而COSPAS-SARSAT EPIRB 主要面向從事國際航線300t 及以上的貨船、從事國際航運(yùn)的客船以及國內(nèi)從事沿海航行的船舶。北斗遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)功能如圖2 所示。

圖2 北斗遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)

四、結(jié)束語

海上通信導(dǎo)航長期以來都是由歐美國家主導(dǎo)，特別是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，更是威脅國家安全。北斗系統(tǒng)通信導(dǎo)航一體化設(shè)計(jì)，不僅在技術(shù)上領(lǐng)先，而且在應(yīng)用上具有更加靈活的優(yōu)勢(shì)。海上業(yè)務(wù)對(duì)通信和導(dǎo)航都有強(qiáng)烈需求。傳統(tǒng)的海上通信導(dǎo)航技術(shù)，一方面存在技術(shù)落后、設(shè)備集成度低、系統(tǒng)臃腫的問題，另一方面又有SOLAS 公約（國際海上人命安全公約）、GMDSS 體系的限制，已經(jīng)不能夠適應(yīng)海上技術(shù)發(fā)展的需要和用戶新的業(yè)務(wù)需求。北斗系統(tǒng)已經(jīng)被國際電信聯(lián)盟（ITU）、IMO 組織認(rèn)可，使用北斗系統(tǒng)不僅能夠滿足公約要求，更加契合海上通信導(dǎo)航業(yè)務(wù)，完全能夠滿足海上安全信息播發(fā)、遇險(xiǎn)報(bào)警、應(yīng)急搜救、船舶安全監(jiān)管、航標(biāo)管理等海上典型業(yè)務(wù)需求，而且設(shè)備更加簡單，系統(tǒng)集成度更高，具有更加廣泛的應(yīng)用前景。