基于海上數字廣播（NAVDAT）技術的海上定位、導航和授時（PNT）優化性研究

摘 ?要：海上定位、導航和授時（PNT）的可靠性是海上船舶安全航行的重要保證，其衛星和陸基技術是國際海事領域內各國重要的技術競爭點。在衛星方面，我國的北斗衛星系統已在PNT體系中開始發揮作用，而陸基方面的技術研究還相對匱乏。本文通過對海上數字廣播（NAVDAT）這一未來海事領域中重要技術的拓展研究，提出了一種陸基PNT服務方式，有效優化現有PNT系統，同時可憑借我國在NAVDAT技術研究上的主導性國際地位，有力維護我國海域上的安全和權益。

關鍵詞：定位;導航;授時;海上數字廣播（NAVDAT）

定位、導航和授時（PNT）體系是每一個國家的重點安全戰略，可獲取與播發時空信息，提供導航服務。海上數字廣播（NAVDAT）技術在國際上還處于研究階段，我國在其技術、實踐以及標準制定方面都處于優勢地位，根據前期的研究成果，有能力拓展其在PNT服務方面的應用。

1 海上定位導航和授時（PNT）能力現狀

目前，PNT體系主要以衛星導航系統為核心、多個協同工作的定位導航授時系統相互增強、補充、備份、融合[1]，共同提高安全保障能力。

1.1 全球衛星導航系統（GNSS）

海上PNT體系采用全球導航衛星系統（GNSS）為主要手段，包括美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO和中國北斗衛星導航系統等四大GNSS全球系統[2]，以及其他區域系統和增強系統。GNSS具有精度高、全球覆蓋的優點，但由于發射功率小、收發設備距離遠以及高頻段特性的原因，其存在抗干擾能力低、繞射能力差的脆弱性，單獨作為航海定位、導航和授時的支撐系統有著較大的風險，需要其他手段作為輔助或備份，以提高整個PNT體系的可靠性。

1.2 陸基遠程無線電導航系統

由于GNSS的脆弱性，不易受到干擾且繞射能力強的陸基遠程無線電導航系統得以發展，其優勢恰可彌補GNSS的潛在風險點。經過多個國家多年來的技術評估和試驗研究，羅蘭-C系統可完全達到GNSS的性能指標，是GNSS出現故障或被破壞時的最佳備份系統。我國現有3個羅蘭-C臺鏈，基本覆蓋服務海域，可提供可靠的PNT服務。但羅蘭技術發源于國外，從國家安全和發展角度考慮，對于我國海上PNT體系的建設，應在大力發展北斗衛星系統的同時，考慮陸基無線電導航的新手段，以形成更安全、可靠的海上PNT體系。

1.3 海上主要導航及輔助手段

在茫茫大海上，船舶的位置及航向確定對于航行安全至關重要，岸基部門利用GNSS或陸基系統提供的PNT信息，提供多種導助航手段。比如：電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）主要提供海上導航服務，類似陸地的導航手段。而船舶自動識別系統（AIS）、海上安全信息（MSI）服務、船舶交通服務（VTS）等主要提供位置、方向、有關航行安全、航線指導等助航信息。

2 海上數字廣播（NAVDAT）技術在定位、導航和授時（PNT）領域的優化應用

鑒于GNSS的脆弱性以及羅蘭-C技術的非主導性，我國應著力研究具備技術主導權的新型陸基無線電定位、導航和授時手段，為服務海域上的船舶提供更有力的航海保障。

海上數字廣播（NAVDAT）是國際電信聯盟（ITU）于2011年提出的一種基于數字傳輸的海上廣播技術手段，由于其具備高速率、高帶寬等優點，是GMDSS現代化和e-航海戰略的關鍵技術。目前，我國在該技術領域的研究和應用已處于世界領先水平，結合其技術特性，NAVDAT系統是我國在定位、導航和授時方面最適合的新型手段，我國也完全具備NAVDAT技術在PNT領域上拓展功能的研發水平。

2.1 海上導航方面

NAVDAT技術具有10 kHz帶寬，這在海事通信領域已屬較高帶寬。我國自2014年開始研制的NAVDAT系統，采用正交頻分復用（OFDM）中的同步、信道補償、編解碼等技術，有效實現了10 kHz帶寬信道上數據的高速數字化傳輸，NAVDAT系統的有效數據速率可達12～18 kbps，是現有海上廣播系統NAVTEX的360倍，能實現電子海圖改正信息、VTS文件等大信息量導助航數據的播發，為在航人員提供最及時、可靠的航路信息，提高在航船舶的通行能力。同時，利用HTML語言，可實現NAVDAT系統與船舶電子海圖系統（ECS）、導航信息系統（NIS）的無縫連接，將航行警告、水文信息、搜救信息、氣象圖等可視化地發布在海圖、導航畫面上，與其航線監視等功能融為一體，增強了船舶對環境的感知力，提升了電子海圖系統、導航系統的導助航水平。

2.2 海上定位方面

ITU將495～505 kHz劃分給中頻NAVDAT系統，可實現A2海區的覆蓋，其傳播速度變化不大，因此可利用穩定的傳播特性開拓NAVDAT技術在定位、授時方面的應用。

無線電定位的本質就是利用無線電傳播距離確定目標位置。NAVDAT系統通過待測點與已知位置發射臺的距離差，結合無線電測距交會原理，確定待測點的位置。如圖1所示的3個發射臺（其中A、B和C分別為主、副發射臺），通過船臺接收機接收到主、副發射臺載波的時差值，計算出距離差，繼而利用A和B、A和C與待測點的兩個距離差構建兩條雙曲線，其交點就是定位的位置[4]，同時根據誤差傳播定律評估可得出NAVDAT系統位置定位精度<100 m。

2.3 海上授時方面

NAVDAT發射臺可接入北斗衛星接收機進行時間同步，具有20～50 ns的高精度授時能力，船臺接收設備的授時精度主要受發射臺到接收設備之間傳播時間的測量精度影響，由于NAVDAT采用的500 kHz中頻在海面傳播具有較穩定的傳播速度，不易受外界環境影響，因此可利用傳播距離精準測量傳播時間。假設T0為發射臺發射信號的準確時刻，船舶通過雙時差定位后確定出自己的位置，根據發射臺和船舶位置的空間距離可以計算出發射臺發射信號到達船舶的時間延遲ΔT，最終便可確定船舶接收發射臺信號的準確時刻為T=T0+ΔT，也即自身準確的時間信息，這樣就實現了基于NAVDAT技術的無線電授時功能。通過仿真測試，NAVDAT系統授時精度優于1 μs。

3 NAVDAT技術應用于PNT領域的前景

e-航海是國際海事組織（IMO）的一項重要戰略計劃，在其背景下制定的《海上無線電規劃》指導著海事領域的未來發展方向，NAVDAT作為其中的重要組成部分，在PNT領域的應用不斷地解讀著e-航海的建設目標：一是，向航海者提供清晰的信息。NAVDAT系統利用多源異構數據編碼技術可實現各類海事信息集中化、可視化呈現于電子海圖、船舶導航信息系統上的功能，向航海者提供了更清晰、豐富的導助航信息，提高導航系統服務效能;二是，實現簡捷而有效的船岸之間的通信。NAVDAT系統與NAVTEX系統一樣，采取輪播的工作模式，但由于NAVDAT系統具有較高的數據傳輸速度，可大幅縮短輪播間隔，同時，NAVDAT系統引入了單頻網（SFN）技術，可在不會造成同頻干擾的情況下實現大霧等特殊時段的多臺站同頻聯播，保證更及時、有效的導助航信息送達服務目標。另外，由于NAVDAT系統可集中化提供各類導助航信息，避免了眾多接收終端為航海人員造成的不便，便捷了信息服務方式;三是，提高船舶對環境的知曉。NAVDAT系統可播發NAVTEX系統所無法處理的電子海圖更新數據、氣象傳真圖、VTS等大信息量、多媒體格式的文件，保證在航船舶及時掌握航行環境要素，規避風險，安全高效地進行海上活動。

4 結 語

目前，我國NAVDAT技術研究已相對成熟，在國際標準的修訂上占據世界主導地位。利用其高效、穩定的技術特性可提升導助航系統的服務水平，而日后建設的覆蓋我國海域的NAVDAT臺鏈系統經適當的技術調整，可具備類似羅蘭系統的定位、授時服務能力，構建出我國技術主導的海上無線電定位系統，為船舶增加一種新型的、可靠的定位、導航和授時途徑，有效優化現有PNT系統，建設安全高效暢通航運環境，助力航運經濟發展。

參考文獻

[1] 謝軍，劉慶軍，邊朗.基于北斗系統的國家綜合定位導航授時（PNT）體系發展設想[J].空間電子技術，2017，（05）：1-6.

[2] 代桃高.GNSS精密衛星鐘差實時解算及實時精密單點定位方法研究[D].河南省：解放軍信息工程大學，2017.

[3] 熊偉.Loran-C數字信號處理的關鍵技術研究[D].陜西省：中國科學院研究生院（國家授時中心），2008.

[4] 姚耀凡.測深船的導航方法[J].港口工程，1986，（04）：33-37.

作者簡介：

高迎，女，工程師，13917984453