北斗衛星導航系統在交通運輸行業的應用及展望

文|劉建 李晶 劉法龍

中國交通通信信息中心

一、引言

北斗衛星導航系統（簡稱北斗系統）是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是我國重要的空間基礎設施。北斗系統創新融合了導航與通信能力，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能。隨著系統建設和服務能力的發展，北斗系統已經廣泛應用于交通運輸、海洋漁業、水文監測、氣象預報、測繪地理信息、應急搜救等領域。

交通運輸行業是北斗系統重要的民用應用行業，做好交通運輸行業北斗系統應用工作，是落實國家戰略和促進經濟社會發展的重要舉措，同時也是新時期新形勢下推進綜合交通運輸行業發展，建設交通強國的迫切需要。

二、北斗系統當前服務能力及發展計劃

2018年12月27日，北斗三號基本系統建成及提供全球服務情況發布會在國務院新聞辦公室新聞發布廳召開，宣布北斗三號基本系統完成建設，即日起可為全球區域內的用戶提供北斗導航服務。

北斗系統現階段在軌工作衛星星座由5顆地球靜止軌道（GEO）衛星、7顆傾斜地球同步軌道（IGSO）和21顆中圓地球軌道（MEO）衛星組成。北斗系統具備為全球用戶提供服務的能力，并可為亞太地區55°S～55°N、70°E～150°E范圍內的大部分區域提供更優的服務。同時，北斗系統可與其他全球導航衛星系統（GNSS），即全球定位系統（GPS）、伽利略衛星導航系統和“格洛納斯”全球衛星導航系統（GLONASS），實現兼容與互操作。經全球范圍測試評估，北斗系統服務區為全球，水平和高程的定位精度均達到10m，測速精度達到0.2m/s，授時精度達到20ns，系統服務可用性優于95%。在亞太地區，北斗系統的水平和高程定位精度更是可達到5m。

根據中國衛星導航系統管理辦公室發布的《北斗衛星導航系統發展報告3.0》，未來北斗系統將繼續提升服務性能，擴展服務功能，預計到2020年將提供如下服務類型：

1）基本導航服務：為全球用戶提供服務，全球定位精度將優于10m，測速精度優于0.2m/s，授時精度優于20ns；亞太地區定位精度將優于5m，測速精度優于0.1m/s，授時精度優于10ns。

2）短報文通信服務：中國及周邊地區短報文通信服務容量提高10倍，用戶機發射功率降低到原來的1/10，單次通信能力1000漢字（14000bit）；全球短報文通信服務，單次通信能力40漢字（560bit）。

3）星基增強服務：按照國際民航組織標準，服務中國及周邊地區用戶，支持單頻及雙頻多星座兩種增強服務模式，滿足國際民航組織相關性能要求。

4）國際搜救服務：按照國際海事組織及國際搜索和救援衛星系統標準，服務全球用戶。與其他衛星導航系統共同組成全球中軌搜救系統，同時提供返向鏈路，極大提升搜救效率和能力。

5）精密單點定位服務。服務中國及周邊地區用戶，具備動態分米級、靜態厘米級的精密定位服務能力。

三、北斗系統在交通運輸行業的應用

交通運輸行業具有點多、線長、面廣和移動性強的特點，是北斗系統最大的行業用戶。交通運輸部作為交通運輸行業主管機構和北斗民用用戶代表，長期以來對北斗系統行業應用工作高度重視。2005年，交通運輸部成立北斗系統領導小組，統籌開展行業北斗系統應用相關工作。為推廣北斗系統交通行業應用，推動北斗系統發展，交通運輸部于2016年12月印發了《交通運輸部關于在行業推廣應用北斗系統的指導意見》，于2017年聯合中央軍委裝備發展部編制并印發了《北斗衛星導航系統交通運輸行業應用專項規劃》。在相關政策支持和推動下，北斗系統在交通運輸行業得到了廣泛的應用。

1.全國道路運輸

2011年，交通運輸部與原總裝備部聯合啟動了北斗重大專項第一個民用應用示范工程——“重點運輸過程監控管理服務示范系統工程”，在道路運輸領域率先進行北斗系統大規模應用。在該示范工程的引領帶動下，全國已經有近500萬營運車輛安裝應用北斗兼容終端并接入全國平臺，組成了全球最大的營運車輛動態監管系統（如圖1、2）。該應用包括測試、審查、數據接入、管理、考核等在內的一整套功能，建立了完整的營運車輛動態監控管理體系。道路運輸主管部門可通過該平臺查詢特定車輛的信息，包括當前位置、車主、聯系人姓名及手機號等，同時可實時了解其行駛方向和車速，從而監控該車輛的行駛狀態。該系統還具備信息發布功能，可向全國自定義區域內所有的車輛發布禁行、路況信息等相關通知。

基于北斗系統和終端的全國道路貨運車輛公共監管與服務平臺有效加強了道路營運車輛監控效率，提高了道路運輸安全水平，降低了道路運輸事故率和傷亡人數。據統計，自2011年至2017年，中國道路運輸重特大事故發生起數和死亡失蹤人數均下降50%。

圖1 石家莊市某車輛實時動靜態信息

圖2 上海市交管局發布的禁行通知

2.中國海上搜救

2014年交通運輸部和原總裝備部聯合啟動了北斗第二個重大專項示范項目——“基于北斗的中國海上搜救信息系統示范工程”，旨在保障我國海上生產作業和人命財產安全，提高海上搜救效率。該示范工程利用北斗系統作為遇險定位、報警通信、搜救指揮的技術手段，為海上遇險提供更多樣化的報警手段，促進救援力量的科學調度，為移動搜救現場指揮提供技術支撐。

該示范工程開發了基于北斗的海上遇險報警管理系統、基于北斗的海上搜救指揮輔助系統和海上綜合信息服務系統等三大應用系統及北斗信息處理平臺，實現了40萬套基于北斗的海上遇險報警手機終端及3000套具備北斗短報文通信功能的手機終端的推廣應用，在300艘海事船舶和100艘救撈船舶上安裝應用了北斗智能船載終端，實現了北斗自動識別系統（AIS）、衛星緊急無線電示位標（EPIRB）和人員落水設備（MOB）的示范應用（如圖3）。船舶可通過北斗終端向系統發送普通短報文消息和緊急級別的告警，或者通過終端上的遇險按鈕直接發送遇險級別的告警。不同級別的告警會以不同顏色的告警標識顯示在系統海圖上，在快速通知救撈局、海事局和搜救中心等主管和搜救部門的同時，可有助于更快協調救助力量。相關部門可通過該系統向船舶發送短報文，可通過船舶名稱、海上移動業務標識碼（MMSI）或者呼號實時查詢船舶位置、航速等靜態和動態信息。

四、北斗系統國際化應用前景展望

2013年9月和10月，中國國家主席習近平分別提出建設“新絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”（以下簡稱一帶一路）的合作倡議?！耙粠б宦贰必灤﹣啔W非大陸，其中“新絲綢之路經濟帶”重點路線是中國經中亞、俄羅斯至歐洲，中國經中亞、西亞至波斯灣和地中海，以及中國至東南亞、南亞和印度洋；“21世紀海上絲綢之路”重點方向是從中國沿海港口過南海到印度洋，延伸至歐洲，從中國沿海港口過南海到南太平洋。

中國始終秉持和踐行“中國的北斗，世界的北斗”這一發展理念，積極推進北斗系統國際化。經濟發展，交通先行。交通運輸是建設“一帶一路”的重要紐帶，而北斗系統是我國部署國際交通運輸網絡中實現完全自主可控的跨境運輸導航通信服務的關鍵一環。北斗系統已經開始為全球用戶提供導航定位和授時服務，而全球區域短報文服務也已經在北斗系統未來計劃中?；谌虻膶Ш郊巴ㄐ欧?，可以預見在未來北斗系統可為包括“一帶一路”國家和地區在內的全球區域提供覆蓋海路和陸路的交通運輸保障。

圖3 基于北斗的中國海上搜救信息系統示范工程

1.國際道路運輸保障

截至2017年底，我國已與“一帶一路”沿線15個國家簽署了16份雙邊及多邊道路、國際運輸和運輸便利化協定，通過73個公路和水路口岸開通了356條國際道路客貨運輸線路。自2006年建立國際道路運輸統計制度以來，年旅客運輸量、貨運量已穩定在700萬人次和4000萬噸以上的水平。國際道路運輸已經成為我國與周邊國家發展雙邊多邊關系和增進友好往來的重要橋梁紐帶，在拓展和深化我國對外開放、推動邊貿和邊境地區經濟社會發展、維護國家安全和邊疆穩定等方面發揮著越來越重要的作用。

目前，我國國際道路運輸信息化建設相對滯后，運輸管理部門對公路口岸的監管力度相對薄弱，管理效率和服務能力較低，法定監管職責難以有效落實等問題比較突出。由于國際道路運輸的特殊性，現有的車載終端及監管平臺存在無法支持出境監管和出境后無法實時傳送監管信息等問題，車輛境外實時動態監管和報警處于盲區。

2014年10月，交通運輸部召開全國國際道路運輸工作座談會，啟動實施重構基于北斗的國際道路運輸管理與服務信息系統，以充分履行交通運輸管理部門對國際道路運輸企業和車輛進行有效監管和服務的職責。國際道路運輸管理服務信息系統工程現已明確列入《北斗衛星導航系統交通運輸行業應用專項規劃》。此示范工程計劃研制并推廣應用北斗車載終端，在重點營運和危險品運輸等國際道路運輸車輛上推廣安裝，實現在無移動網絡的情況下車輛基本信息的收集和上報。此外，國際道路運輸管理及綜合服務信息系統的建設也在規劃內，統一為邊境省份、邊境口岸的業務辦理部門和出入境查驗部門提供車輛出入境業務辦理、口岸查驗、車輛監管和統計分析等信息化服務，為社會公眾提供基于網站和移動端的出入境業務申報等多種服務。通過與已有的“全國重點營運車輛聯網聯控系統”和“全國道路貨運公共監管與服務平臺”進行互聯，可提供旅游包車、客運班車和危險品運輸車輛（兩客一危）以及貨運車輛的境外位置信息和車輛駕駛行為信息。

通過將北斗系統和終端推廣應用于國際道路運輸管理與服務，將有效解決目前我國國際道路運輸便利化程度不高、監管能力不足、信息化服務水平亟待提升等問題，顯著提高我國國際道路運輸管理與服務的現代化、信息化水平。在實現國際道路運輸業務信息化，提升通關效率和行業管理水平，通過信息化手段提升從業務人員業務辦理便利性的同時，可有效擴展北斗系統的應用領域，支撐北斗系統“走出去”的國家化發展戰略。

2.全球海上遇險與安全通信

1912年，“泰坦尼克”號船舶撞上冰山沉沒于大西洋，1517人遇難。此次事件被認為是20世紀人間十大災難之一，同時也喚醒了全世界對于航海安全重要性的認識。1960年，國際海事組織（IMO）各締約國共同協商制定了《國際海上人命安全公約》（以下簡稱為SOLAS公約），并不斷對其進行修訂完善。SOLAS公約第四章中寫入了全球海上遇險與安全系統（以下簡稱為GMDSS），要求所有從事國際航行的客船和300總噸及以上的貨船必須按照航行的海區配備符合GMDSS要求的無線電通信設備。GMDSS于1992年開始實施，1999年起全面實施。衛星移動通信業務是GMDSS的重要組成部分。

在2018年5月舉行的IMO海上安全委員會第99次會議上，美國的銥星系統正式通過IMO的認可，成為繼國際移動衛星系統（Inmarsat）之后的又一家GMDSS衛星服務提供商。從事國際航行的船舶除了Inmarsat外又多了一種設備安裝選擇。然而，Inmarsat為英國的公司，銥星為美國的公司，我國為IMO的締約國，因此我國從事遠洋航行的船舶必須安裝Inmarsat或者銥星的船載通信設備，以滿足航行安全的要求。我國是世界航運大國，已經連續15次當選為IMO A類理事國，全球港口貨物吞吐量前十中占了5位，全球港口集裝箱吞吐量前十中占了7位。巨大的航運體量和遠洋船舶數量對于航行安全也提出了更高的要求，我國航運界迫切需要自己獨立自主的衛星移動通信服務來保駕護航。在此背景下，北斗系統于海上安全委員會第99次會議上也正式向IMO申請將北斗短報文服務系統加入GMDSS并獲得受理。目前北斗系統正在完善系統并提升服務能力，以期滿足GMDSS相關要求。

未來在北斗完成在IMO的認可之后，將正式向包括“21世紀海上絲綢之路”國家和地區在內的全球區域內的遠洋船舶提供GMDSS服務。屆時北斗系統將為我國的遠洋船舶提供如下服務和保障：

1）多類型衛星通信。通過北斗短報文服務，船舶能夠實現與航行區域附近國家或者海域搜救協調中心（RCC）間的遇險、緊急和安全通信，結合北斗獨特的導航+短報文融合服務，最快地將遇險信息及位置報告一并發送出去。通過北斗的獨特的返向鏈路功能，遇險者可及時收到北斗系統主控站發回的遇險確認信息，增強遇險者獲救信心和遇險告警通信效率。同時，北斗系統還提供一般通信，船和岸之間可以實現多向通信，未來可實現在中國及周邊海域單次通信能力1000漢字（14000bit）；全球短報文通信服務單次通信能力40漢字（560bit）。

2）海上安全信息播發。北斗系統還可提供衛星覆蓋范圍下全區域的消息廣播，可向船舶及時廣播航行警告、氣象警告、氣象預報等有關航行安全的信息，保障船舶航行安全。

3）船隊管理。安裝有北斗終端的船隊，可以通過設置某一臺北斗終端為指揮機，向其他單艘船舶（單個終端）或者組內其他船舶（其他終端）發送短報文消息，從而實現船隊管理、廣播和調度等功能。

3.全球衛星搜救服務

隨著技術的不斷進步，海上遇險搜救手段亦不斷得到發展，越來越多的技術手段正在為海上航行保駕護航。但是海上遇險搜救的核心永遠是對遇險對象位置的確定，以及通信的保障。目前基于北斗定位的船載AIS、船載EPIRB等船載安全終端已經研發出來，應用于我國海上搜救領域。

1998年經國際搜救衛星組織（Cospas-Sarsat）第21屆理事會批準，我國正式成為國際搜救衛星系統的地面設備提供國。2014年，北斗系統正式獲得IMO認可，成為繼GPS、伽利略衛星導航系統和GLONASS之后的第四個全球無線電導航系統。由于具有定位精度更高、等待時間更短且全球覆蓋的特點，Cospas-Sarsat已將中軌衛星搜救系統作為未來發展方向，并計劃逐步提供低軌道衛星搜救系統和靜止軌道衛星搜救系統。目前我國建有Cospas-Sarsat的低極軌道衛星地面終端站和任務控制中心（MCC），而美國和法國已經建設了中軌衛星搜救地面試驗系統，在軌載荷也已經宣布進入“初步運行狀態”，預計2020年進入“全面運行狀態”。2018年2月，Cospas-Sarsat委員會第59次會議同意將北斗衛星導航系統納入到全球中軌衛星搜救系統中。2018年9月，搭載了搜救載荷的兩顆北斗中軌道衛星成功發射上天。在載荷上天之后，即按照Cospas-Sarsat相關文件要求開展在軌測試，觀測北斗搜救載荷在軌狀態并驗證其服務性能。經過一系列的在軌測試，我國北斗搜救載荷狀態正常，目前正在推進Cospas-Sarsat層面的相關工作。根據《北斗衛星導航系統發展報告3.0》，未來還將有4顆中軌衛星搭載搜救載荷。到2020年，總計6顆中軌衛星提供國際搜救服務。

北斗系統還持續與其他衛星導航系統開展協調合作，推動系統間兼容與互操作。在中俄總理定期會晤委員會框架下，成立了中俄衛星導航重大戰略合作項目委員會，簽署了一系列合作協定和聯合聲明，圍繞兼容與互操作性、增強系統與建站、聯合應用等領域開展務實合作，促進北斗系統與俄羅斯的格洛納斯全球衛星系統的優勢互補和融合發展。建立中美衛星導航合作對話機制，簽署了《中美衛星導航系統（民用）合作聲明》和《北斗與GPS信號兼容與互操作聯合聲明》。在國際電信聯盟框架下，北斗系統和GPS系統實現了射頻兼容和系統間的互操作。成立了中歐兼容與互操作工作組，持續推進頻率協調，并在中歐空間科技合作對話機制下開展廣泛交流。

在加入國際搜救衛星系統并成為空間設備提供國后，我國將擔負起北斗衛星搜救載荷及北斗衛星運行狀態的驗證監控職責，長期連續監控搜救載荷的運行狀態，保障我國所提供的空間和地面設備，以及服務的穩定性和可靠性，為全球用戶提供遇險報警服務。隨著中俄、中美、中歐衛星導航系統間兼容和互操作合作的推進和深入，未來包括北斗系統在內的全球四大無線電導航系統間的搜救信號均可互相轉發，進一步增強全球搜救的服務能力。北斗系統也將隨著全球衛星搜救服務一體化深入推進國際化進程，服務全球用戶。

五、結論

本文基于北斗系統當前已經具備的全球導航、定位和授時服務能力，亞太區域短報文通信服務能力，結合交通運輸行業在導航定位和衛星通信方面的需求，以及推動北斗在交通運輸行業應用所作的努力，介紹了北斗系統在中國道路運輸重點營運車輛監管與服務方面和中國海域海上搜救服務方面的應用情況和取得的成果?；谥袊l星導航系統管理辦公室發布的北斗系統未來發展規劃和交通運輸行業北斗應用專項規劃，展望了北斗系統及其服務在未來交通運輸行業走向國際化的前景。通過本文的分析可以看出，北斗系統已經可以為交通運輸行業的多個領域提供服務，甚至在未來通過交通運輸走出國門，實現北斗的國際化應用推廣。在交通運輸行業，我國已經可以擺脫對于GPS的依賴，完全使用我國自己的北斗系統，大大增加了交通運輸在導航定位和通信方面的安全性和獨立性，更好地服務“一帶一路”倡議，以自主創新的科技建設交通強國。