“北斗”數字航標系統構建

周立 彭紅春 董春來 湯均博（淮海工學院測繪工程學院）

□□隨著海洋交通運輸業的發展，船舶趨于大型化、高速化，船舶數量和水域交通密度及危險貨物裝載量不斷增加，海上交通事故及經濟損失呈增長趨勢，嚴重威脅船舶航行安全及海洋生態環境。因此，探索構建“北斗”衛星導航系統（以下簡稱“北斗”）數字航標系統，確保航標信息的準確性和可靠性，為滿足船舶安全航行需求提供更好的服務具有非常重要的作用。

1 引言

進入21世紀，數字海洋作為數字地球的重要組成部分應運而生，而數字航標又是數字海洋主要信息基礎設施、信息社會的重要組成部分。根據國際航標協會（IALA）的最新定義，數字航標（又稱虛擬航標）是指物理上不存在，由經授權的助航服務提供部門發布能在導航系統中顯示的數字信息物標；并對物標注解為一個或一組物標。數字航標可用于告知航海人員航行危險物、安全航路、謹慎駕駛水域和規避水域等，用來標識能用圖形表示的線、區域、位置及其他形式。

如今，“物物相連的互聯網”概念揭開了未來互聯網神秘的一角。人們設想通過微電子芯片無源感應射頻識別（RFID）技術，給各種物體“貼上”RFID 芯片作為識別標簽（簡稱電子標簽），利用移動或固定的RFID 感應器等信息傳感設備對物體的特定屬性信息進行感應識別；結合相關的位置、時間等信息，按照約定的協議，把任何物體與互聯網連接起來，進行物物信息交換和通信，將世界各地物體的信息進行匯聚、處理、分析和分發，以實現物體智能化信息管理的一種智能網絡，是物聯網的雛形。數字航標的建設無疑為物聯網提供了一個大規模應用的平臺，全球航標、船舶自動識別系統（AIS）、船舶交通服務（VTS）等與互聯網、物聯網的融合將成為未來新型數字航標發展的大趨勢。而“北斗”作為集定位、導航、通信和授時四大功能于一體的衛星導航系統的誕生，它將在海洋創新應用與服務中更加具有優勢，必將為數字航標的構建帶來新的機遇和挑戰。

2 數字航標的技術體系

數字航標是基于計算機技術、全球衛星導航系統（GNSS）、電子海圖顯示系統（ECDIS）、AIS、船載航行數據記錄儀（VDR）及無線電導航系統（Rnav）等現代高技術而產生和發展起來的一門新興航標應用技術。隨著電子海圖的推廣和普及應用，航海人員從原來按照紙海圖上的標識，依靠目視觀察航標行船到運用電子海圖操縱自動導航系統行船，其間各類助航標志都將在電子海圖上清晰地標識出來。如果某一航區內的助航標志已經納入了AIS的管理中，那么在該區域中的航標（浮標和固定標志）都會按照3分鐘/次的速率送出最新的航標標志數據。這些航標數據會實時動態地被船載AIS設備接收到，并在電子海圖上顯示出來，即電子海圖上將會顯示航行區域內每個航標的實際位置及當前工作狀態等信息。

當中心處理系統（例如VTS控制中心）對每個航標設施的信號經處理后以廣播方式發射出去時，船載AIS設備同樣會接收到航標信息數據，也同樣會自動標繪在電子海圖上。這些來自于VTS控制中心廣播的航標信息數據完全等同于實際航標發出的航標信息數據，在電子海圖上反映出來的效果是完全一致的。如果不考慮駕引人員直接觀察到實際航標設施的燈光、目標等所產生的心理影響，對船載AIS設備來說，其接收到的并顯示在電子海圖上的航標實時信息，究竟是來自于VTS控制中心的航標信息數據，還是真的從實際航標標志上送出的信息并不重要。既然如此，那么從理論上來說，在AIS覆蓋區域內更可以不再需要設置具體的航標設備，或至少在那些固定的標志上如大型燈塔、引導標、雷康標志等， 只要配備一臺AIS應答器，即可達到與實際物化的助航設施相一致的效果。由這個虛擬系統構成的助航標志系統即為虛擬的航標系統。

3 “北斗”技術分析

衛星導航系統作為一個國家最重要的信息基礎設施之一，在國民經濟建設中占有非常重要的位置，不僅是國民經濟信息化建設的重要組成部分和推動力量，也是直接關系到國家安全的關鍵性技術支撐系統。GNSS應用產業已逐步成為一個全球性的高新技術產業。而以“北斗”廣泛應用為推動力的我國衛星導航產業，正進入產業化高速發展的根本轉折時期。

我國的衛星導航定位應用始于20世紀80年代，伴隨著“全球定位系統”（GPS）應用的熱潮，近10年來，我國的衛星定位與導航應用得到了飛速的發展，并已滲透到了國民經濟的許多典型應用系統中，如測繪、車輛導航監控及海洋漁業生產等。可以說，從整體而言，我國的衛星定位與導航應用已融入到我國現代信息社會建設的進程中。

按照計劃，“北斗”將在2012年發射6顆衛星，并于年底正式提供區域運行服務。在海洋導航定位領域，“北斗”的突出優勢在于：

· 自主衛星導航系統 具有自主知識產權，高強度加密設計，系統安全、可靠、穩定，適合涉及國家安全和最大自然災害監測預報的關鍵部門應用。通過芯片級多模用戶接收機開發與傳感器網絡集成，可為海洋用戶提供全天候、高精度、可靠的快速實時定位服務。

· 簡短報文通信 系統用戶終端具有雙向數字報文通信功能，注冊用戶利用連續傳送方式可以傳送多達120 個漢字的信息，能全天候服務，沒有通信盲區；解決了海區高動態定位和傳感網信息同步通信技術支持困難問題。

· 獨特的中心節點式定位處理和指揮型用戶機集成設計 不僅能使用戶知道自己所處的位置，還可以告訴別人自己的位置，特別適用于動態目標跟蹤監控需要定位導航與移動安全數據控制場所，如海上交通運輸、海上搜索營救、海上航標調度指揮、智能化的海洋環境監測預報傳感器網絡等。

“北斗”導航試驗衛星進行熱真空試驗

· 精密授時，統一海上時間基準 “北斗”具有單向和雙向兩種授時功能，根據不同的精度要求，共享“北斗”用戶終端授時，可實現海上動態運載平臺、裝備設施與導航定位之間的時間和頻率同步，可為海洋網提供100ns（單向授時）和20ns（雙向授時）的時間同步精度。

· 具備定位與通信雙重功能 為海洋連續運行參考站（CORS）的建立提供技術支撐，特別是滿足當前在沿海島嶼建設CORS基礎設施的數據通信需求，解決了港口、島礁及海上厘米級高精度實時導航定位技術瓶頸問題。

4 “北斗”數字航標模型建立

航標系統是海上交通安全保障體系的重要組成部分，對航標的有效監控和管理，確保航標信息的準確性和可靠性，具有非常重要的意義。正是為了滿足海事管理部門對航標全息實時測控的需要，航標遙測遙控系統成為數字航標技術的新熱點。以GPS、數字移動通信技術、電子海圖信息顯示系統（ECDIS）和計算機網絡技術為主體的航標遙測遙控綜合系統，實現了航標實時監控管理和航標信息的發布，使船舶及涉海部門及時、準確、方便地獲取航標信息，為海上的船舶交通安全保駕護航。

“北斗”數字航標系統結構

在此基礎上，筆者提出了基于“北斗”的數字航標模型，將“北斗”多模接收機芯片與航標傳感器網絡集成，構建數字航標網絡。該網絡方案設計基于系統的地理特性、使用范圍、操作環境及業務需求，采用因特網與“北斗”相結合的方式，數字航標終端的各種定位信息和狀態信息，通過AIS/“北斗”網絡傳送到具有AIS應答器或“北斗”芯片的監控中心、AIS船舶平臺、航標及各種海上浮標等設備，實現海上物-物互聯的智慧海洋。

航標監控終端系統框圖

“北斗”數字航標系統是基于“北斗”衛星通信協議建立的航標遙測遙控應用系統，包括海圖基礎平臺、航標遙測遙控和數據通信。其中，海圖基礎平臺能向用戶提供完善的電子海圖顯示與控制、導航、數字航標服務，數據通信由“北斗”的通信技術支撐。

該系統的工作原理就是利用“北斗”導航天線和接收模塊獲得航標的經緯度定位數據，通過傳感器采集航標燈工作狀況和參數，定位信息和狀態參數經過單片機處理后，利用“北斗”通信模塊按照設定的方式和時間傳輸到監控中心的計算機上。其中心站監控采用高性能計算機、收發設備、差分GNSS 處理技術以及滿足國際海道測量組織（IHO）和國際海事組織（IMO）有關標準的電子海圖,保證了實時數據處理分析的及時、可靠。

按照系統設計，航標燈器監控終端與AIS中心站聯網，燈器監控終端通過水文、氣象及濕度和溫度傳感器獲取的航標運行環境參數，檢測航標工作狀態，采集、存儲數據，并按定時指令，將存儲數據通過“北斗”導航衛星的通信系統傳給AIS中心站；遇到特殊狀態或燈標運行到報警值時，將即時采集數據傳遞給中心站，實現報警或預報警。航標監控終端主要由核心控制模塊、GNSS接收模塊、“北斗”導航衛星通信接入模塊、各類傳感器及供電模塊組成，構成一個嵌入式應用系統。

納入AIS中心站管理的航標信息，同樣可以實現類似于“船-船”工作模式的應用，具有船載AIS的全部功能。當來往于AIS 覆蓋區域內的船只向周圍船只發出詢問時，各類助航標志也會發出相應的應答信號。這些助航標志的應答信息也同樣被準確地標繪并顯示在導航電子海圖上，使得船舶及時準確地了解周圍助航標志的情況。配合數字航標自動航行系統，船舶航行的安全率和避碰率都將得到很大的提高。同時，AIS中心站設立航標監控終端，除了實時顯示航標動態位置和軌跡等信息外，還報告航標燈器工作狀態數據，例如太陽電池組自動切換、光控制航標燈故障應急處理等；實時監控管理航標自動工作信息；隨時調閱相關信息，并發出有關指令。

“北斗”應用于水利水文

對于我國沿海配布的航標，監控終端由電子海圖操作和控制終端組成。電子海圖操作部分具有向服務器請求海圖數據，顯示和操作海圖，實時顯示船舶、航標的當前位置和軌跡等功能。控制終端的功能是接收中心站送來的航標狀態及數據，進行實時監控；隨時調閱中心站各種相關信息，并發出有關指令。航標燈器監控終端與AIS中心站的通信利用“北斗”導航衛星的短報文功能傳送數據，實現起來比較簡單，而且通信成本低。

5 結束語

基于“北斗”網絡的航標智能監控系統，為航標管理逐步向自動化、綜合化、集中化和智能化發展提供了一個新方向。由于數字航標傳感器網絡依托于網絡和通信技術實現感知信息的傳遞和協同，因此，在航標上安裝“北斗”衛星導航無線監控終端后，既可迅速確定相關信息位置，又可遠程傳遞各種傳感器采集的數據，極大地強化了無線傳感器網絡的大范圍信息獲取能力。

我國對“北斗”擁有完全自主知識產權，且系統本身具有高安全性設計，完全可以滿足海事、氣象、水利、電力、交通等特殊需求行業的使用。此外，建立在AIS雙向通信基礎上的指揮調度和控制操作功能，進一步滿足了數字航標傳感器網絡交互的要求。

基于“北斗”的數字航標傳感器網絡可實現全疆域無縫隙覆蓋。目前，全天候實時工作的傳感器網絡系統已初具規模，在各相關行業的應用中極大地提高了信息化水平和管理效率，創造了可觀的經濟效益?！?/p>