北斗衛星導航系統在艦艇上的擴展應用

劉冬利，龐海濱，戴 耀

(1.大連海事大學信息工程學院，遼寧大連 116026;2.海軍大連艦艇學院信息作戰系，遼寧大連 116018;3.海軍大連艦艇學院研究生管理大隊，遼寧大連 116018）

北斗衛星導航系統在艦艇上的擴展應用

劉冬利1，2，龐海濱3，戴 耀2

(1.大連海事大學信息工程學院，遼寧大連 116026;2.海軍大連艦艇學院信息作戰系，遼寧大連 116018;3.海軍大連艦艇學院研究生管理大隊，遼寧大連 116018）

北斗衛星導航系統能夠為艦艇用戶提供定位、導航、授時和短報文通信服務。通過對北斗系統的進一步開發和利用，能夠更好地發揮其軍事效能，提高艦艇的信息化水平。本文在分析北斗系統性能特點的基礎上，提出將其應用于艦艇裝備維修遠程支援、艦載雷達標定和艦艇態勢實時監控的具體方案，為北斗系統在艦艇上的擴展應用提供借鑒和參考。

北斗衛星導航系統;遠程支援;標定;態勢監控

0 引言

衛星導航系統在現代海軍作戰艦艇上有著舉足輕重的地位，GPS已經被美海軍艦艇部隊廣泛應用于艦艇導航、武器制導、系統授時和海上搜救等領域，起到了戰斗力倍增器的作用。2012年12月27日，北斗衛星導航系統正式提供區域服務，系統性能有了很大提高，功能更加完善，能夠為艦艇用戶提供精確的定位、導航、授時服務以及短報文通信服務。通過對北斗衛星導航系統的深入開發和利用，能夠使其在艦艇上得到更為廣泛的應用，將為我艦艇部隊戰斗力的提升提供有力的信息支撐。本文對北斗衛星導航系統在艦艇裝備維修遠程支援、艦載雷達標定和艦艇態勢實時監控上的應用進行了深入探討，并給出具體方案。

1 北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統是我國自主研制、獨立運行的衛星導航系統，它能夠為各類用戶提供全天候、全天時、高精度、高可靠的定位、導航、授時等服務。同時，北斗系統具有的短報文通信功能是相對于其他衛星導航系統所獨有的功能。

根據2012年12月發布的《北斗衛星導航系統發展報告》，北斗衛星導航系統正式開通區域服務后，保留了有源定位方式，并開始提供連續的無源定位服務。無源定位精度可以達到平面10 m、高程10 m。測速精度0.2 m/s。

北斗衛星導航系統提供精確授時服務，系統定時發播授時信息，為用戶提供時差修正值。單向授時精度為50 ns。

北斗衛星導航系統的短報文通信可以實現用戶與用戶、用戶與地面控制中心之間的雙向報文通信，允許用戶每次最多可以進行120個漢字的通信。系統還能夠對通信內容進行加密，完成一定級別的保密通信。

2 北斗系統在艦艇上的擴展應用

2.1 艦艇裝備維修遠程支援

隨著我海軍使命任務的不斷拓展，水面艦艇將承擔越來越多的遠海作戰與訓練任務，裝備維修遠程支援將成為艦艇裝備維修的一種主要方式。艦艇裝備維修遠程支援目前可以利用的無線通信手段包括短波通信系統、衛星通信系統和北斗通信系統。北斗的短報文通信相對于短波通信和衛星通信具有成本低、通信距離遠、設備體積小、適裝性好的優點，能夠滿足艦艇進行遠距離信息傳輸的需求，北斗短報文通信具有加密功能，符合海軍信息傳輸的保密要求。

裝備維修遠程支援需要傳輸的信息包括裝備狀態描述、故障圖片文件和裝備自檢信息等。裝備各個部分所有的狀態信息、指示信息、測試信息，包括可能的故障狀態可以通過統一的狀態描述和編碼壓縮成幾十個byte的信息，然后傳輸到遠程專家處再進行解碼復現。北斗系統的短報文通信每次最多可以進行200個byte的通信［1］，完全可以將裝備狀態描述信息一次性傳輸。然而圖片文件和裝備的自檢信息無法通過一個數據報完成發送，可以通過制定一個基于北斗系統的長報文通信協議，將裝備維修通信數據分包進行發送。因此，將北斗系統的短報文通信功能作為裝備維修遠程支援的信息傳輸手段完全可行。

基于北斗衛星導航系統的艦艇裝備維修遠程支援系統組成如圖1所示。

圖1 艦艇裝備遠程支援系統組成Fig.1 The configuration of remote support system of shipborn equipment repairing

利用北斗衛星導航系統短報文通信進行大數據量的數據通信時存在數據丟包的現象，制定長報文通信協議可以借鑒衛星TCP/IP數據傳輸技術中對數據通信控制的方法:對大的數據包進行拆包并加相應的包頭，接收端對接收的數據包拆除包頭，并對數據合并，如果有數據包丟失，則要求發送端重新發送丟失的數據包，直到所有的數據接收完畢為止，從而保證了利用北斗短報文通信進行信息傳輸的可靠性［2］。

2.2 艦載雷達標定

艦載雷達是艦艇作戰系統的重要信息來源，其測量精度直接影響到艦艇的信息作戰能力［3］。在雷達使用過程中，雷達系統誤差會不斷積累，嚴重影響雷達工作性能，必須進行雷達標校加以消除。GPS已經開始應用于雷達動態標校，由于其本身不具有數據傳輸的功能，只能通過加裝專用的無線數據傳輸系統來實時傳輸目標的位置信息，增加了標校系統的成本和復雜程度。北斗系統具有短報文通信功能，可以實時傳輸位置信息，而且北斗短報文通信比其他無線數據傳輸手段作用距離更遠，因此將北斗衛星導航系統應用于雷達動態標校具有更大優勢。

艦載雷達精度較高，因此對真值設備的測距精度也有較高的要求。北斗系統正式提供區域服務后，可以提供定位精度優于1 m的廣域差分服務，完全能滿足要求。所以采用北斗衛星導航系統作為艦載雷達標定的真值設備完全可行?；诒倍沸l星導航系統的艦載雷達標定系統組成如圖2所示。

由于雷達觀測的數據率低，因此需要真值樣本的密度盡可能大 (數據率不小于1 Hz），這樣有助于提高真值樣本與觀測樣本進行時間配準的精度。由于短報文通信的服務頻度較大，為提高真值樣本數據率，需將單位時間段內的位置信息存儲打包進行傳輸。北斗短報文通信的服務頻度受用戶等級的限制，選用較高等級的北斗用戶終端傳輸位置信息，完全可以使真值樣本數據率達到1 Hz。

圖2 艦載雷達標定系統組成Fig.2 The configuration of shipborn radar calibration system

實際使用時，需要將雷達計算機與北斗用戶端相連進行時間校準，以滿足時間同步的要求。由于雷達測量值不會完全在整秒上，所以必須對真值數據進行插值處理，使其與測量數據在時間上對齊。由于標校平臺與配合目標的相對運動在短時間內可以看成勻速直線航行狀態，因此可以采用線性插值的方法對測量值進行處理［4］。

標校平臺主機將雷達測得的目標位置數據與真值數據求差，對得到的誤差序列進行預處理，剔除野值后，進行平穩性、周期性、正態性、獨立性等統計檢驗，求取方位與距離的誤差，完成雷達精度的標定［5－6］。

2.3 艦艇態勢實時監控

對海上執行任務艦艇的態勢進行實時監控有助于指揮員全面、實時地掌握海戰場態勢，是信息化海戰的必然要求。連續準確的定位和安全可靠的遠距離通信手段是實現艦艇態勢實時監控的關鍵。一方面，目前艦艇主要的無線電定位手段有GPS和羅蘭C系統，其中羅蘭C系統作用距離有限，無法滿足艦艇遠海定位的需求;GPS在戰時易受干擾和封鎖，無法保證工作可靠性。另一方面，傳統的艦艇態勢實時監控所依賴的通信手段主要有短波通信和衛星通信。這些通信手段都有一定的局限性:短波通信距離有限，工作可靠性差;衛星通信裝備造價高、容量有限，不適用于所有的水面艦艇。因此，艦艇態勢實時監控迫切需要一種準確可靠的全球定位系統和一種覆蓋范圍廣、用戶容量大、性能穩定的通信手段。

北斗衛星導航系統由我國自主研制，獨立運行，系統定位和授時精度高，抗干擾能力強，戰時比GPS更加穩定可靠;北斗系統的短報文通信作用距離遠，且可以進行信息加密，適用于艦艇與陸上基地之間進行遠距離信息交換;北斗用戶機的ID號是固定的，便于對艦艇的身份識別;北斗用戶機體積小、造價低，適用于所有海軍艦艇上。因此，將北斗衛星導航系統應用于艦艇態勢實時監控系統是完全可行的。基于北斗衛星導航系統的艦艇態勢實時監控系統組成如圖3所示。

圖3 艦艇態勢實時監控系統組成Fig.3 The configuration of dynamic ship monitoring system

軍用AIS能夠連續地采集艦艇的運動參數和航行狀態等信息。利用集成電路芯片將軍用AIS采集的艦艇信息與北斗終端發送來的位置信息解碼后進行數據融合，再進行編碼處理形成短報文 (報文內容最長不超過北斗短消息通信容量規定的200 byte）發送給北斗終端，由北斗終端將本船的信息發送給陸上基地的北斗終端［1］。指揮所的艦艇態勢實時監測系統將接收到的信息與電子海圖系統相融合，再通過顯示終端，可以實現艦艇位置、運動參數和航行狀態的實時跟蹤和直觀顯示［7］。

3 結語

在詳細分析北斗衛星導航系統性能特點的基礎上，探討了將北斗衛星導航系統在艦艇裝備維修遠程支援、艦載雷達標定和艦艇態勢實時監控上的應用及實現方法，對北斗衛星導航系統在軍事領域得到更加廣泛而深入地應用，具有一定的借鑒和參考價值。

北斗衛星導航系統擁有顯著的性能優點:我國擁有自主知識產權，系統運行不受國外控制;定位及測速精度高;可以采用多種授時方式，授時精度高;具有短報文通信功能，能夠進行數據遠距離加密傳輸;用戶設備體積小，成本較低，可以在艦艇上大批量、大范圍使用?；谝陨蟽烖c，北斗衛星導航系統在艦艇作戰系統授時、海上聯合搜救和編隊內部通信領域也有很大的應用潛力，能夠更好地推動艦艇信息化水平的提高。

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Study of expanding app lication of Beidou navigation satellite system to naval ships

Beidou navigation satellite system can provide positioning，navigation，timing and shortmessage communication services for naval ships.With further development and use of Beidou system，its military value and the informational level of naval ships will be improved.In this paper，based on detailed analyzing of the main features of Beidou system，the implementation approach of Beidou system in remote support of shipborn equipment repairing，shipborn radar calibration and dynamic ship monitoring are discussed，which will provide useful references and experiences for expanding application of Beidou system to naval ships.

Beidou navigation satellite system;remote support;calibration;dynamic monitoring

U661.134

A

1672－7649(2014）04－0093－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.018

2013－03－21;

2013－09－18

劉冬利(1975－），男，副教授，主要從事艦載雷達總體技術和裝備作戰使用研究。LIU Dong-li1，2，PANG Hai-bin3，DAIYao2

(1.School of Intelligence and Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China;2.Department of Information Operation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China;3.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）