北斗衛星導航系統在遠海島礁建設中的應用探討

田俊峰，崔銀秋

（1.中國交通建設集團有限公司，北京 100086；2.上海達華測繪有限公司，上海 200136）

1 概述

北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System“BDS”）是我國自行研制的全球衛星定位與通信系統，是繼美國全球衛星定位系統（Global Positioning System“GPS”）和俄羅斯全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System“GLONASS”）、歐洲“伽利略GALILEO”系統之后第4個成熟的衛星導航系統。

系統由空間端、地面端和用戶端組成，采用衛星無線電測定（RDSS）與衛星無線電導航（RNSS）集成體制，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，已經初步具備區域導航、定位和授時能力，其中開放服務面向全球范圍，定位精度10 m，授時精度20 ns，測速精度0.2 m/s；授權服務包括全球范圍更高性能的導航定位服務，以及亞太地區的廣域差分服務和短報文通信服務[1]。

2 北斗遠海島礁建設工程實時數據傳輸服務

科學技術快速更新的今天，船舶精細化施工高度依賴信息化技術手段，工程船舶施工狀態數據需要實時傳輸至公司進行施工狀態分析處理研究，為實時動態掌握船舶狀況、施工效率和優化施工工藝奠定堅實基礎。海洋實時信息服務，是為作業船舶和用戶提供各類海洋航行、作業、通信、導航、定位等相關服務。

2.1 北斗潮位信息服務遠海島礁建設

在遠海島礁建設的疏浚、填筑等工程施工和測量中，潮位數據遠程傳輸的準確及時與否至關重要。遠海島礁建設離岸距離遠，潮位數據傳統實時傳輸方式受電磁、氣候、距離等外部環境條件限制，導致潮位數據信號丟失，錯誤經常發生，潮位數據的實時傳輸越來越困難。利用北斗衛星導航定位系統的雙向報文通信和定位功能進行潮位數據傳輸和網絡發布，就能夠很好解決這個問題。利用北斗衛星遠距離傳輸的特點，可以建立自主技術的潮位數據綜合采集與傳輸系統，通過整理收集中國遠海區域包括東南亞、西亞等區域實時潮位，結合北斗衛星系統的“有源定位”特點，將潮位站與遠海島礁建設施工位置相結合，通過分帶處理，距離加權改正等計算方法，為遠海島礁建設提供高精度、實時的潮位數據，從而實現遠海島礁建設中北斗潮位信息服務的全天候、全覆蓋服務[2]。

2.2 北斗通信服務遠海島礁建設

相對于GPS系統，北斗具有的一個重要優勢就是短報文通信功能，現在1臺北斗用戶機1次可傳送120個漢字，這使得在海洋上實現通信服務成為可能。北斗的短報文功能，在遠海島礁建設施工聯系和應急救援等領域，都具有很強的應用價值。北斗衛星導航系統的前身——北斗衛星導航系統試驗系統，其具有的短報文功能在四川汶川特大地震、青海玉樹強烈地震、甘肅舟曲特大山洪泥石流等重大自然災害中得到應用并發揮重要作用。北斗通信服務還可以提供北斗手機端信息，譬如天氣預報等通信服務。

2.3 北斗定位導航服務遠海島礁建設

目前，北斗系統的16顆衛星集中分布在亞太地區，其中5顆集中在赤道面。由于衛星發送信號是向下輻射，分布在一個區域的衛星越多，意味著信號強度、導航精度和穩定性越高。我國遠海等區域靠近赤道，GPS的覆蓋較小，而北斗密集覆蓋。武漢大學2013年11月在泰國的實驗觀測證實，GPS自主定位精度為13 m，而北斗自主定位精度可以達到3~5 m，說明北斗在赤道附近是最佳的導航系統。所以，在我國尚無星基增強系統（SBAS）提供實時位置改正服務的情況下，對遠離大陸、沒有固定的坐標基準的遠海海域，使用北斗導航定位系統是唯一正確的選擇。

2.4 基于北斗衛星的海洋測繪系統服務遠海島礁建設

海洋范圍內布設大地控制網，進行海洋重力測量，在此基礎上進行水下地形測量，測繪水下地形圖，測定海洋大地水準面。有了水下地形測量的數據和水下地形圖，就可以構建大地水準面，這使得作業船舶有了基準數據基礎，從而更好地進行疏浚作業。利用北斗定位功能和數據傳輸功能，就可以精確地把水下地形的位置和深度，以及大地水準面數據直接傳輸到信息中心，并利用三維地理信息系統進行實時建模，構建大地水準面和水下地形圖。

3 北斗遠海島礁建設工程實時監控指揮

隨著科學技術的發展，衛星定位和通信技術研究逐步成熟，監控現代化信息技術和現代化管理技術高效結合，可以讓工程管理更加規范，決策更加科學，工作更加高效，施工更加順暢。

3.1 北斗在遠海島礁建設中施工監控與專家遠程診斷

在遠海島礁施工的工程船舶實時船位、航速、航向、吃水、耙頭深度、泥漿濃度、船載干土方、主機轉速、油耗等施工信息，都有不同的儀器設備進行采集顯示在船舶工作電腦服務器上，如果把這些施工數據信息，通過北斗衛星鏈路實時傳輸給路面監控管理服務中心進行數據分析、處理、存儲，所有的數據信息統一管理存放在系統數據庫中，供管理者通過中心服務器實時獲得作業船舶上傳的各類信息，結合系統數據庫進行生產調度和業務管理，同時管理者通過中心服務器可以向下屬作業船舶發送控制指令和各種信息，實現施工船舶的實時監控，實時調度，實時操作。

準確獲取海洋工程的實時大數據，有利于建立起遠程的專家監控、管理與輔助決策系統，最大限度地優化遠海島礁建設中的作業方法，降低作業成本，提高作業效率，及時避免并解決作業過程遇到的各種疑難問題[3]。

3.2 北斗在中交遠海島礁建設工程中的應用初探

中交上航局正在進行的《基于北斗兼容系統的工程船舶智能位置服務平臺研制與應用示范》項目，對北斗衛星導航系統的應用進行了非常有益的嘗試。該項目可以大大提高潮位數據信息、船舶位置信息、船舶施工信息、船舶運行信息、水深檢測圖信息、指揮調度功能信息的傳輸效率及穩定性，有效降低工程管理及運營的相關費用；服務平臺在建設中所產生的硬件及軟件衍生品能夠創造更多的經濟價值[4]。

4 北斗遠海島礁建設工程安全保障

目前，民航系統的標準配置是美國GPS衛星導航定位系統，GPS只能進行單向通信，飛機只能被動接收衛星信號，一旦遭遇事故，只能等待GPS來搜尋自己。而北斗則具有雙向通信功能，信號接收端也可以主動向衛星系統發出消息，從而實現其搜救功能。馬航客機失聯事件牽動了太多人的神經，全世界為之揪心，由于北斗信號接收器尚未成為民航飛機的標準配置，失聯飛機上沒有安裝北斗接收器。如果失聯飛機、失事船舶、事故車輛或遇險人員安裝或攜帶了北斗接收終端，救援中心就可以及時找到它的蹤跡，指揮開展應急搜救。我國交通運輸行業應當積極推動北斗成為行業的標配[5]，努力提高應對突發事件的能力。

北斗系統不需要其他系統支持就具備定位和通訊功能，適合遠海島礁建設過程中監控管理、資料獲取以及用戶資料傳輸等，并且我國擁有這個系統的自主產權，使用起來更加安全，可靠，穩定，保密性強。對遠海島礁建設施工船舶，擁有自主產權的導航定位系統是非常有必要的，其次通過北斗系統提供實時高精度船位，結合接收機的航跡顯示、防撞報警和航跡偏差報警等功能，正確引導施工船舶按計劃施工路線進行，以保障施工船舶的安全。此外，應用北斗衛星導航系統，施工船舶在茫茫大海上可與岸上及時聯系互動，施工船舶遭遇故障時可發出信號開展自救，互救，發生海上邊界糾紛時也能得到國家支持。

在各類遠海開發工程中，推廣應用北斗技術是國家建設海洋強國戰略的需要，中國交建是國內唯一具備遠海工程開發建設的企業，向離岸遠海發展，更需要北斗的支持。2014年5月，中國交通建設集團完成了北斗指揮系統的搭建、測試與運行，系統具備手機與北斗手持機間的雙向通信，以及北斗手持終端的自動位置上報服務；項目經理部內網用戶可以隨時訪問，外網用戶可通過授權獲得服務。凡是架設北斗系統的施工船舶均在項目部監控范圍內，為遠海工程項目的安全管理提供了保障。

當前，中國交建研究提出了北斗技術應用的“三步走”戰略：2008—2014年，以北斗船舶安全應用為突破口，攻克關鍵技術；2013—2015年，建立船舶應急指揮系統；2014—2016年，研制“遠海開發北斗管理服務平臺”，實現對公司項目部的人員、裝備、物資的安全管理與應用示范[5]。

5 結語

在遠海島礁建設過程中，通過應用北斗衛星導航系統，結合自主移動衛星通信、地理信息等技術，將有效提高遠海島礁建設的效率，提高遠海島礁建設的精度，改善現有建設運作和管理中的缺陷，使運作和管理更加高效、規范、實用、科學，也更加優化遠海島礁的航務、航道、圍填海造地建設結構，并且也可以大大提高潮位數據信息、船舶位置信息、船舶施工信息、船舶運行信息、水深檢測圖信息、指揮調度功能信息的傳輸效率及穩定性，有效降低工程管理及運營的相關費用，提升遠海島礁建設項目整體管理水平。

[1]北斗衛星導航系統政府網站.北斗衛星導航系統簡介[EB/OL].（2010-01-15）.www.beidou.gov.cn.Government Websites of the BeiDou Navigation Satellite System.Introduction of the BeiDou Navigation Satellite System[EB/OL].（2010-01-15）.www.beidou.gov.cn.

[2]焦永強，萬軍.基于北斗衛星的潮位數據傳輸與控制技術[C]//華東六省一市測繪技術論壇.2010年現場技術交流會，2010.JIAO Yong-qiang,WAN Jun.Tide-level data transmission and control technique by the BeiDou statellite[C]//Surveying and mappingtechnology forumin East China.On-site technical communication meetingin 2010，2010.

[3] TIAN Jun-feng，DING Shu-you.The application of a production optimization system for a cutter suction dredger[C]//18th world dredgingcongress.USA：Orland,2007.

[4]趙法彬.推廣北斗應用，服務產業發展——訪中國交通建設股份有限公司科技部副總經理田俊峰[J].數字通信世界，2014（S1）：59-62.ZHAOFa-bin.To promote the application of the BeiDou statellite and thedevelopment of service industry：visit to Tian Jun fengwho is the deputy general manager of science and technology department of China Communications Construction Co.,Ltd.[J].Digital Communication World,2014（S1）：59-62.

[5] 田俊峰.盡快讓“北斗”服務海洋工程建設[N].交通建設報，2014-05-29.TIAN Jun-feng.Let the BeiDou statellinte serve for marine engineering construction as soon as possible[N].Communications Construction News,2014-05-29.