北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其船舶應用

中國船級社 吳曉明

北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、自行建設和管理的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，自我國于2012年12月宣布在亞太地區(qū)正式提供區(qū)域服務后，北斗衛(wèi)星導航產(chǎn)品已經(jīng)在交通、漁業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域大量應用，其導航性能業(yè)已被廣泛驗證。因此，在內(nèi)河航運和海洋航運領域應用北斗系統(tǒng)提供導航服務的條件日趨成熟。

北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)

我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一，北斗系統(tǒng)致力于向全球用戶提供定位、導航、授時和短報文服務。北斗系統(tǒng)的建設分三個階段進行：于1994年啟動北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)建設，至2000年形成區(qū)域有源服務能力（即北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)）；2004年啟動北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設，至2012年形成區(qū)域無源服務能力；2020年北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將形成全球無源服務能力。該系統(tǒng)已成功應用于測繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等諸多領域，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)最大的創(chuàng)新

該系統(tǒng)把導航與通信緊密地結(jié)合起來。也就是說，它具有既能知道“我在哪里”也能告知“你在哪里”。以海洋漁業(yè)為例：“我在哪里”--漁民通過船載設備實現(xiàn)自主定位；“你在哪里”則使岸上的人通過監(jiān)控知道漁船在哪里。數(shù)十年來，我國導航定位設備市場上的產(chǎn)品都為采用GPS的單模衛(wèi)星定位終端。由于GPS由美國研發(fā)并控制，關鍵應用安全無法保證，具有不可知的應用風險，出于國家安全和社會穩(wěn)定方面的考慮，非常有必要采用兼容北斗、GPS、GLONASS多個系統(tǒng)的北斗兼容終端。另外，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)RDSS信號提供的廣域短報文傳輸功能，增強了終端的應急反應能力，使得在GPRS/CDMA/3G等移動通信網(wǎng)絡無法覆蓋的地區(qū)仍能通過北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)應急通信。

主機組成框圖

北斗用戶機原理介紹

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設分三個階段進行：1994年啟動北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)建設，至2000年形成區(qū)域有源服務能力（即北斗一號衛(wèi)星導航系統(tǒng)）；2004年啟動北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設，至2012年形成區(qū)域無源服務能力；2020年北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將形成全球無源服務能力。

北斗用戶機包括一號用戶機和二號用戶機，其中一號用戶機只能處理RDSS信號的S、L頻段信號，二號用戶機可以處理S、L、及B1/B2/B3頻點中的一個或多個信號。

對于北斗二號用戶機，根據(jù)用戶機功能要求不同，用戶機可以選擇部分頻點信號進行處理，不處理所有頻點信號，因此不同類型的用戶機處理的信號頻段并不完全相同。

用戶機主要由天線、射頻前端、主板組成，天線用于無線信號的收發(fā)，可以接收S、B1/B2/B3頻點信號（可能是其中部分信號）、射頻前端包括接收頻點信號低噪放、L頻點功放，主板是整機的核心部分，下面進行詳細說明。

主板主要完成RNSS信號的接收，RDSS信號收發(fā)處理工作，由通道、中頻信號處理器兩部分組成。

通道部分包括接收通道和發(fā)射通道，接收通道包括B1/B2/B3、S接收通道，主要進行變頻、放大、濾波，將射頻信號變換為中頻信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送基帶處理部分進行處理，發(fā)射通道將基帶電路產(chǎn)生的入站信號調(diào)制到1615.68MHz的射頻信號，該信號再送到射頻前端的功放進行放大。主機組成原理如框圖所示。

項目 北斗二號 GPS GLONASS Galileo所屬國別 中國 美國 俄羅斯 歐盟星座衛(wèi)星數(shù) 35 24（28） 24（11) 27(30)多址方式 CDMA CDMA FDMA CDMA服務區(qū)城 亞太區(qū)域(未來全球) 全球 全球 全球(尚未建成)時間系統(tǒng) 中國UTC UTC UTC UTC/TAI坐標系統(tǒng) BJZ-54 WGS-84 PZ-90.02 GTRF定位方式 無源位(含有源定位) 無源定位 無源定位 無源定位定位精度 10m H/10m V 9m H/15m V 26m H/45m V /授時精度 20ns 20ns 20～30ns* 30ns通信功能 有 無 無 無

北斗系統(tǒng)與其他全球定位系統(tǒng)的主要性能比較

目前世界上已經(jīng)建成并投入應用的全球定位系統(tǒng)包括美國的GPS和俄羅斯的GLONSS和我國北斗導航系統(tǒng)和21世紀初研發(fā)至今，接近應用的歐洲伽利略系統(tǒng)。我國BDS系統(tǒng)于2012年2月向亞太區(qū)域提供定位導航授時服務，計劃在2020年提供全球服務；歐盟伽利略系統(tǒng)10年前公布，目前還未形成實際服務能力。各系統(tǒng)的技術參數(shù)和功能見上表。

美國的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以軍事應用和民間應用為雙重目標，在建成投入使用并進一步開放民用產(chǎn)業(yè)模式的30多年間，衛(wèi)星導航市場從無到有，在全球范圍內(nèi)形成了完整的GPS應用產(chǎn)業(yè)鏈，成為八大無線產(chǎn)業(yè)之一，為GPS系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展注入了強勁的動力。而俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)在建設初期以軍事應用為目標，缺少拓展民間產(chǎn)業(yè)的應用和支撐，缺少廣闊的市場應用，導致市場支持和后續(xù)建設等資金不足，系統(tǒng)建設曾長期處于停滯狀態(tài)。

基于俄羅斯GLONASS系統(tǒng)在應用及推廣上的教訓，我國在2010年前即已開始考慮北斗導航系統(tǒng)在民用領域的推廣采用，先后在交通運輸、海洋漁業(yè)、氣象監(jiān)測預報、防災減災等領域成功開展多個示范項目，促進了我國北斗產(chǎn)業(yè)的技術進步和應用市場的形成。

北斗導航產(chǎn)品在交通行業(yè)及船舶導航、船舶遇險搜救上適用性

交通運輸部承擔了多個北斗應用示范項目，完成了全國重點運輸車輛監(jiān)控平臺建設，至2013年全國共有30余萬輛長途客車、旅游包車、危險品運輸車等重點運輸車輛上安裝了北斗兼容終端。2014年1月，交通運輸部、公安部、安監(jiān)總局聯(lián)合發(fā)布《道路運輸車輛動態(tài)監(jiān)督管理辦法》，要求道路運輸車輛安裝和使用衛(wèi)星定位裝置，預計未來2年內(nèi)會有數(shù)百萬臺營運車輛加裝北斗兼容終端。

在海洋漁業(yè)領域，至2014年上半年北斗船舶入網(wǎng)用戶3萬余個，伴隨手機用戶10萬余個，為用戶提供遠海及近海船舶的位置監(jiān)控和北斗短信服務。2015年，福建省計劃為8000多艘海洋漁船安裝北斗終端，浙江省舟山市計劃為4000多艘海洋漁船安裝北斗終端。

采用北斗/GPS獲得自身的位置信息，通過北斗系統(tǒng)的通信信道將船舶的位置信息和告警信息等上報給中心控制系統(tǒng)，可實時監(jiān)控漁民漁船的位置，防止?jié)O民越界打漁；同時利用北斗的通信信道和手機IPN業(yè)務，漁民可實現(xiàn)遠海作業(yè)時與岸上信息的互通。各北斗運營公司采取的北斗的信道的付費方式不同，按信息流量收費或包年收費。

上述領域應用表明，基于北斗系統(tǒng)的導航設備無論是陸地應用還是海上應用均已成熟，在海洋運輸行業(yè)應用北斗/GPS兼容型導航終端的條件，具備了大規(guī)模應用的基礎。

1、現(xiàn)有北斗/GPS兼容型導航終端產(chǎn)品和EPIRB適用于航運船舶上

（1）RNSS定位的終端：采用無源定位技術，可以直接替代現(xiàn)有GPS模塊。缺點是僅能提供定位、測速等導航功能，不具備短報文傳輸能力，其定位信息還需要通過移動網(wǎng)絡或海事衛(wèi)星傳輸回指控中心。

（2）同時具備RNSS/RDSS定位的終端：在提供定位、測速等導航功能的同時，還具備短報文傳輸能力，尤其在遠洋作業(yè)時，信息傳遞可以不再依賴海事衛(wèi)星等昂貴的通訊手段。該類終端因需要帶有發(fā)射天線和功放，產(chǎn)品價格要高一些。

因此，綜合分析北斗導航系統(tǒng)的性能、產(chǎn)業(yè)應用規(guī)模、用戶終端產(chǎn)品的價格等因素，在航運船舶上應用北斗/GPS兼容型終端產(chǎn)品的條件已經(jīng)成熟，可以大規(guī)模推廣應用。

(3) 全球海事界規(guī)范化的定型應用；歷經(jīng)數(shù)年研發(fā)和驗證完善，現(xiàn)適用于國內(nèi)外航海界應用的船用BDS定位導航產(chǎn)品（北斗衛(wèi)星導航接收機），和用于船舶遇險時及時全天候發(fā)出報警、大幅提高船舶和人員獲救率的BD-EPIRB（北斗衛(wèi)星應急示位標）國內(nèi)產(chǎn)品已經(jīng)中國船級社檢驗認可，其技術性能均達到相關船載設備要求，具備批量生產(chǎn)、為船舶行業(yè)廣泛應用提供了條件。

2、為我國船舶法規(guī)提供保障

2013年9月2日至9月6日在英國倫敦召開的國際海事組織(IMO)航行安全分委會第59次會議上主要討論有關議題——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在國際海事界應用。

2014年5月14日 至23日，在國際海事組織海上安全委員會第93次會議上通過了MSC.379(93)決議-船載北斗衛(wèi)星（BDS）導航系統(tǒng)接收機設備性能標準，并規(guī)定2016年7月1日及以后裝船的全球海上船載北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)設備須符合該標準。為我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)推廣率先在國際海運業(yè)應用獲得成功突破。

2014年11月17日至21日，國際海事組織海上安全委員會第94次會議上通過了對我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)認可的航行安全通函。明確我國BDS成為全球無線電導航系統(tǒng)的組成部分，也標志著BDS正式成為繼美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GLONASS)后第三個投入實用的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，取得了面向國際海事應用的合法地位。

2016年11月交通運輸部頒布了《國內(nèi)航行海船法定檢驗技術規(guī)范》2016年修改通報，正式明確了北斗導航系統(tǒng)在船舶航海領域的應用要求，意味著船用北斗導航接收機可應用于國內(nèi)運營的十幾萬條船舶廣闊市場；為北斗系統(tǒng)在水上運輸及海上船舶的應用推廣、實現(xiàn)社會效益提供嶄新的廣闊前景。

3、納入國際海事公約

（1）船舶定位功能，包括船舶管理，如設備管理、航線規(guī)劃、避碰、智能航行；船隊管理，如貨物管理、備品配件、財務核算；漁船管理，如漁期控制、漁區(qū)管控、漁汛通報、漁船監(jiān)督。

（2）航路監(jiān)測，包括港口管理，如錨地監(jiān)控、進出港調(diào)度、環(huán)保監(jiān)督；航標管理，如電子航標、漂移警告；水文搜集，如風、浪、涌、流、潮汐等參數(shù)的位置戳、時間戳。

（3）救助救援，如精確定位、救助信息互通、快速傳遞、VDR定位。

（4）海事安全監(jiān)管，如AIS應用。