北斗衛星導航系統在我國沿海集裝箱船舶調度和安全救助中的應用

湯瑋　張耿霖

【摘 要】 為實現集裝箱船舶安全、快速的現代化移動辦公機制以及高效的海上救援定位，提出通過利用北斗衛星導航系統建立船岸統一的管理信息平臺。北斗衛星導航系統的優越性包括：覆蓋范圍廣，基本覆蓋我國海區；定位精度高，同時還具有數字報文通信以及授時功能；北斗衛星的定位服務為全免費，通信服務為包年方式，價格相對于海事衛星非常低廉。北斗衛星導航系統以信息集成為基礎，實現船岸數據的共享，保證船舶運輸企業業務流程順暢，提高船舶安全控制、成本控制、船舶監控、船舶機（海）務管理等運營管理水平。

【關鍵詞】 北斗衛星；導航；集裝箱船舶；救助；船舶自動識別系統

作為一種先進的運輸方式，集裝箱船舶運輸業發展越來越快。由于其運營的特點，集裝箱船舶運輸企業經營管理面臨巨大的挑戰：既要保證安全、準班、環保，又要控制成本，實現效益的最大化。這無疑對船隊的管理水平提出了更高的要求，既要在確保整個企業運營層面上實現全局戰略優化，又要在船舶控制層面上實現快速、安全、準班、適航和環保。針對集裝箱船舶運營管理的現狀，尋求提高管理水平的途徑，克服目前管理上存在的癥結問題，僅憑制度的改革和人員素質的提高是無法實現的，必須依賴現代科技的發展和應用，建立船岸統一的管理信息平臺。穩定、快捷、范圍廣的通信手段是應用現代科技的基礎條件。

1 常見的岸船通信方式

船舶自動識別系統（AIS）由岸基（基站）設施與船載設備共同組成，在船舶通信中應用廣泛，但此系統在渤海灣部分海域存在盲區，會造成船舶與外界失去聯系，給安全生產和調度帶來非常大的隱患。

2G，3G，4G等移動通信網絡，信息傳輸速度比較快，但在船舶離岸20～30 n mile以后設備就無信號，無法承擔在茫茫渤海灣以及我國沿海航行中的通信任務。海事衛星以及其他衛星通信方式價格高昂，是北斗衛星通信價格的數十倍，對很多支線船舶運輸企業來說并不經濟。

作為近年來新興的通信手段，北斗衛星通信異軍突起。2012年，北斗衛星導航系統已完成對亞太部分地區的覆蓋并正式提供定位服務。使用北斗衛星導航系統傳輸船舶定位數據，具有傳輸穩定、功耗低、后期維護費用低廉等優點。

2 北斗衛星通信性能

“北斗一號”衛星系統是利用地球同步衛星為用戶提供快速定位、簡短數字報文通信和授時服務的一種全天候、區域性的衛星定位系統。“北斗一號”導航通信定位系統由3顆地球同步衛星（兩顆工作衛星分別在80€癊和140€癊，在軌備用衛星在110.5€癊）、一個地面中心控制系統、標校系統和各種用戶機等組成。在我國大陸、臺灣、南沙及其他島礁，我國領海，日本海，太平洋部分海域及周邊部分地區，該系統可為時速為1 000 km以下的中、低動態用戶和靜態用戶提供每小時54萬次以上的定位、通信、授時服務。與陸基導航定位系統相比，“北斗一號”衛星系統具有更優越的性能：（1）覆蓋范圍廣，其覆蓋范圍是5€啊？5€癗，70€啊？40€癊之間的心形區域，基本覆蓋我國海區；（2）定位精度高，靜止水平誤差是20 m，運動水平誤差是100 m，經過校標可達到€？0 m，同時還具有數字報文通信以及授時功能。更值得一提的是，北斗衛星的導航定位服務為全免費，通信服務為包年方式，價格相對于海事衛星更低廉。因此，“北斗一號”衛星導航定位系統在渤海灣以及我國沿海的航海上有很大的應用前景。

北斗衛星導航系統對船舶通信業務增值服務的拓展，為船舶運輸企業解決岸船之間信息交換提供了技術保障。在現行船舶通信技術的基礎上，集現代通信技術、信息技術、數據采集處理技術及航行信息、貨物數據、管理信息、人員信息為一體的思路，建設船岸一體化管理平臺，可以給船舶管理帶來新的思路和方向。

3 北斗短報文在船舶信息傳輸中的應用

北斗短報文是北斗衛星導航系統特有的功能，指衛星定位終端與北斗衛星或北斗地面服務站之間能夠直接通過衛星信號進行雙向信息傳遞，不依賴于其他通信網絡。在災害發生地區移動通信中斷、電力中斷或移動通信不能覆蓋等情況下，北斗衛星終端可以利用短報文方式進行通信，實現定位信息和遠程信息交互等。該技術適用于應急救災、野外作業、遠洋作業等系統。

船載信息機與北斗衛星終端相連接可實現數據傳輸的雙向性。北斗短報文通信每次服務只能完成120個漢字（軍用）或60個漢字（民用）長度的電文通信，當超出最大電文長度的電文信息傳輸時，發送端將電文拆包（每包長度為最大電文長度）分多次發送，接收端待收全一條完整的電文信息后，再將接收到的電文信息進行拼包，最后集中顯示。這是目前大報文傳輸的普遍做法。船舶信息和安全數據往往超過60個漢字的長度，需要拆成多包發送。

目前，北斗衛星系統的信道傳輸質量是10-5，也就是說，平均傳輸105個 bit可能產生1個錯誤。一般北斗電文最長為 bit，假設平均長度為 bit，那么，每個包出現錯誤的概率為10-2，即1%，成功的概率為99%。如果1條預警信息需要發送n個包，即整個預警信息發送成功的概率是（1-1%）n，失敗的概率是1-（1-1%）n。由此可見，發送的信息越長，n就越大，失敗的概率越大，成功的概率越小。對于小的報文來說，點對點傳輸，99%的單包傳輸成功率也許很高，但對于長度較長、常年每天都要發送的信息來說，這個標準有些低。假設1條信息需要拆分為5個包，以單包99%的成功率計算，預警信息的傳輸成功率為95.1%。

為了適應短報文的傳輸方式，可設定一鍵呼救的功能，即可在一次傳輸時段內，將呼救信息傳輸到服務器，提高傳輸速度。在緊急情況下，可以通過系統預設的一鍵呼救按鈕，將設定好的緊急信息發送到服務器。信息中應包含求救的具體位置信息，以便船舶運輸企業調度室在最短時間內收到求救信息并作出相關的救援行動，保障船舶安全。

4 傳輸平臺設計

船端工控機通過船載北斗客戶機上傳數據到北斗衛星，北斗衛星與數據中心的北斗指揮機進行通信，最終由北斗指揮機將數據傳輸給中心服務器，確保覆蓋的可靠性。在近岸時，根據3G信號狀況可輔助切換到工業3G路由器模式，通過3G路由器接入互聯網與中心服務器進行通信。

4.1 北斗船載終端

北斗船載終端軟件采用技術應用開發。 是微軟的新一代技術平臺，為“敏捷商務”構建互聯互通的應用系統，這些系統具有簡便易用、適應變化、穩定和高性能等優點。從技術角度來看， 應用是一個運行于 Framework之上的應用程序。

船載終端利用串口與北斗船用終端機通信，實現船舶數據斷點續傳，保證數據的可到達性。船載“北斗一號”普通型用戶機是為了適應海上高鹽霧、高腐蝕使用環境而研制的產品，用戶可利用該產品實現北斗定位、短信息通信功能和GPS定位功能。主要指標如下：接收信號誤碼率≤1€？10-5（用戶機天線端口輸入信號功率≥ 154.6 dBW）；發射功率EIRP值≤19 dBW（方位角0€啊？60€埃黿？0€啊？5€埃喚郵瘴佬峭ǖ朗？個通道。

4.2 中心服務器端

中心服務器端是通過北斗指揮機與客戶機進行通信的。“北斗一號”指揮型用戶機是為了便于上級指揮機關通過北斗衛星定位導航系統，對其下屬用戶進行指揮、監控而研制的北斗用戶機產品。除了具有普通型用戶機的所有功能外，該服務器還可以接收其下屬用戶機的定位、通信信息，并可向下屬用戶機發出指令。

“北斗一號”指揮型用戶機適應固定指揮所、移動指揮所、方艙等多種場合使用。接收信號誤碼率≤1€？0-5（用戶機天線端口輸入信號功率≥ 157.6 dBW）。

中心服務器端是基于微軟.NET Framework 4.0設計的網站應用程序，以易用、高可靠性和高負載的信息技術為實現手段，整體采用MVC（Model View Controller）框架分層，交互系統由模型、視圖、控制器等3種部件組成。

MVC框架作為一種軟件設計典范，用一種業務邏輯、數據、界面顯示分離的方法組織代碼，將業務邏輯聚集到一個部件內，在改進和個性化定制界面及用戶交互的同時，不需要重新編寫業務邏輯。MVC用于映射傳統的輸入、處理和輸出功能在一個邏輯圖形化用戶界面的結構中，包含指揮機通信服務程序和調度監控Web系統。

北斗衛星導航系統以北斗衛星和無線通信技術為依托，為海運人員提供一種安全、快速的現代化移動辦公機制以及海上救援定位手段（見圖1）。

5 結 語

船舶在使用北斗衛星導航系統前，一些重要的船舶行駛信息只能在有移動網絡的情況下發出，常常導致信息發送不及時、不準確。利用北斗衛星導航系統，集裝箱船舶可在全氣象條件下，在航行中的各海域各時間段發出信息，極大地提高了航行的安全性，也為船舶運輸企業全域指揮調度提供了基礎。同時，通過實現船岸數據的共享，可以保證船舶運輸企業業務流程順暢，提高包括船舶安全控制、成本控制、船舶監控、船舶機（海）務管理等在內的運營管理水平，以獲得良好的經濟效益和社會效益。