極地通信導航及探冰設備現狀與發展

郭 鹍 陸 瑋 王興川 王慶鑫 張啟明 孫 雷 靳碧耀

（1.中船航海科技有限責任公司 北京 100070；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011；3.中交信息技術國家工程實驗室有限公司 北京 100011；4 哈爾濱工業大學 哈爾濱 150001）

0 引言

越來越多的商業航運公司意識到通過北極航行可以節省運營成本。以PANGAEA 公司近期交付的9.5 萬t 散貨船為例，該型船破冰能力滿足DNV 冰級規則Ice-1A 級的要求，能夠在-20℃的極寒海況下碾碎0.8 m 以下厚度的冰層正常行駛，這說明極區商業航行已具備一定經濟性。隨著北極航線通航能力不斷增強，極區商業航行對通信導航（以下簡稱“通導”）保障能力需求日益迫切，由于目前執行極區商業航線的船舶較少，考慮到經濟型以及研發難度，國內通導廠家對通導在極地特殊應用關注較少。本文對國內外極地通導及探冰設備現狀進行梳理，對極地通導及探冰系統應用的特點、功能性能，以及構成一套完整的極地通導及探冰系統進行了一定分析和研究。由于北極地區自然環境的特殊性，通導設備保障需求在極地高緯度、高寒地區應用與常規中低緯度呈現不同表征，例如慣性位置誤差隨航行時間累積變大、衛導接收機工作性能下降以及高頻通信受到較大的干擾等現象，并且導航雷達需要具備浮冰和小冰山探測能力。上述區別的存在使船舶在極區商業航行面臨著較大安全風險，常規通信導航需通過研究改進以適應和提升通導在船舶在北極地區安全航行保障能力。

1 國內外現狀

1.1 極地通導設備現狀

1.1.1 極地商用通信及設備現狀

由于北極高緯度地區特殊的地理位置以及惡劣的氣候條件，北極航線沿岸具備的MF/HF SSB、DSC、高頻無線電臺等地面短波系統通信能力弱，數據信息傳輸速度低且系統穩定性差。而衛星通信系統具有覆蓋范圍廣、通信距離遠和傳輸速度快等特點，利用衛星接收機通信已成為北極船舶通航的必備通信手段。

美國在極地衛星通信具有領先優勢，主要有過渡極地系統（interim polar system，IPS）、衛星數據系統（satellite data system，SDS）、移動用戶目標 系統（mobile user objective system，MUOS）、銥星系統（Iridium）、增強極地系統（enhanced polar system，EPS）和星鏈系統（Starlink）[1-9]。美國SpaceX公司Starlink低軌寬帶衛星系統已投入使用，預計將使用新的互聯網信標以及星間激光通信技術，最大限度地減少通過地面站中繼數據的時間損失，為北極地區提供高速互聯網覆蓋。

國際海上航行通信中應用頻率較高的為國際海事衛星系統，是安裝在通航船舶上的海事衛星通信站，包含直徑約1 m 的拋物面天線以及相應的通信設備。電話通信采用調頻方式，電報通信采用移相鍵控調制方式，目前已更新至第5 代[10]。該系統采用3 顆主用衛星加1 顆備用靜止軌道衛星的組網方式,通過L、C、Ku、Ka 多個波段提供船舶通信服務。但該系統尚未完全覆蓋兩極高緯度地區，在北緯75°以北的高緯度極地海域會出現信號失鎖現象，從而無法為北極航線船舶提供衛星通信服務。

中國目前也在北極圈設立了中轉站[11]，并且我國北斗衛星導航系統特有的短報文功能可通過北斗接收機與多方通信，可實現對北極東北航道的部分覆蓋。

1.1.2 北斗衛星導航系統極地區域現狀

北斗衛星導航系統是我國自主研發設計的衛星導航系統，2019 年，北斗三號（BDS-3）完成了衛星的發射及部署。目前，北斗接收機在商船已經有一定應用，常規緯度下性能與GPS 相當。對于北斗接收機在極地的定位性能，國內部分學者進行了相關研究，總體來看，信噪比SNR 整體水平相比低緯度地區更低，多徑效應更加嚴重，需在數據預處理中予以考慮[12]。電磁環境和自然環境與中低緯度地區相比差別較大。北極地區為高緯度地區，大氣層比其他緯度要稀薄，電離層延遲與對流層延遲等也會與低中緯度地區有很大的不同，這些因素都會對北斗接收機觀測數據的質量產生很大影響，從而影響北斗的定位精度，因此國內有采用對流程延遲模型以及雙頻消電離層組合來減少北斗接收機接收誤差[12-15]。

極地環境下的北斗數據質量以及定位精度情況受到了很多專家學者的關注。左宗等［12］分析了極地的北斗精密單點定位性能，GPS 與北斗組合優于北斗單系統定位，發現極地地區的北斗數據質量受度角影響較大，多徑明顯且信噪比低于低緯度地區的北斗數據信噪比。韓宇等[16]通過計算極區環境下衛星可見性、高度角以及精度因子等主要導航指標對北斗三號在極區導航定位的性能進行研究，并設計了一種基于創新型星座的北斗三號系統，在高對流層下比GPS 更具有定位優勢。

與中低緯度地區對比，北斗三號衛星導航接收機在極區正常工作需加強抗電磁濾波算法設計、抗多徑設計、衛星導航信號可靠跟蹤技術及高精度定位技術等關鍵技術研究。基于開環信號穩定跟蹤等技術研究，高緯度地區應用需加強天線極區低溫可靠性保障技術，提升北斗三號衛星接收機在高緯度地區的工作性能。

1.1.3 極地高緯度坐標系及慣性導航系統研究現狀

在計算機受算力限制的平臺慣性導航年代，為克服極區導航難題，游動方位慣導系統和自由方位慣導系統在極區導航上得到了應用。1957 年，美國的鸚鵡螺號核動力潛艇成功駛入北極并進行了巡航，其所配備的Mark19 和Mark23 陀螺分別采用了游動方位慣導編排與自由方位慣導編排，但當潛艇進入北極之后，定位精度開始下降，在緯度升高到88°之后失去導航能力[17]。圖1 為載體過極點時的航向變化示意圖。

圖1 載體過極點時的航向變化示意圖

由于經線圈在高緯度地區的快速匯聚，導致慣性導航系統的導航定位誤差隨緯度升高而快速下降，同時游動方位角和自由方位角會失去定義并導致位置矩陣失去定義，艦艇的航向無法計算與表達。游動方位和自由方位機械編排僅適合于高緯度地區慣性導航系統使用，不能在極點附近工作，而且在高緯度地區工作時的導航定位誤差明顯變大。

2009 年，北極導航的權威專家GREENWAY在其著作中重新提出了格網坐標系下的慣導力學編排，對以前的格網坐標力學編排進行修正，避免了緯度升高經線收斂造成的定向參考難題，使格林威治格網導航編排成為目前適宜極區慣性導航的編排方案。

目前，美、俄等國在極區船用導航領域已擁有相對成熟的方案。2015 年8 月，美國海狼號潛艇突破北極點的冰層，驗證了潛艇在北極區的破冰能力并表明了其可在任何水域航行的能力。俄羅斯在2015 年開展了北極冰面下核潛艇演習；2016年，2 艘核潛艇在北極冰蓋進行了通航訓練，2019年開展北極圈內的兩棲作戰演習，并展現出了極為豐富的極區作戰經驗，從而也從側面說明國外在極區航海導航與定位保障技術方面已達到一定的成熟水平。

國內，海軍大連艦艇學院王海波等[18]于2016年在構建橫向坐標系及偽經緯網的基礎上,給出了橫向慣導與傳統慣導間導航參數的轉換關系,推導了橫向地理坐標系機械編排。哈爾濱工程大學程建華等[19]在2022 年提出了適用于空間穩定型慣導系統的極區導航算法，運用仿真進行驗證，克服了極區導航計算溢出與誤差放大的問題，提高了極區導航精度。

綜上，國外對極區導航的研究相對較早，經過大量的研究和實踐，已經取得了一定的科研成果和實踐經驗。加拿大、美國、俄羅斯和挪威等圍繞北極圈分布的8 個國家，在較早時期已對極區的導航問題開展了大量的研究工作，目前已經得到較為成熟的解決方案，能夠實現艦艇在極區的正常航行。相較于國外領先的研究水平，我國在慣性導航系統極區工作的研究并不落后，格網慣性導航系統、橫坐標慣性導航系統均有不少研究機構進行深入研究，但多采用理論仿真進行研究，運用于實際穿越極區的慣導系統較少，缺乏針對極地應用的設計和規則，極區導航性能的提高仍是國內研究人員近幾年研究的重點和難點。

1.1.4 極區電子海圖現狀

極區電子海圖是具備在極區航行監控、實施航行計劃的電子海圖信息與顯示系統，通常集成在船橋部位，疊加顯示船基探測的雷達探冰信息、衛星傳輸的遙感信息，并可通過衛星互聯網更新圖源和改正數據。對比國外電子海圖信息與顯示系統軟件，國內這幾年在綜合船橋以及電子海圖產品上發展較快，但是還未能在散、集、油、氣四大類主流商船上得到規模應用，極地航行驗證認證和極地多種投影功能支持尚待進一步完善，部分產品能夠滿足 ECDIS 設備軟硬件標準[20]，在產品設計上多以電子海圖、導航雷達、Conning 等各個獨立設備的組合。

極區電子海圖數據方面，目前英國海道測量局（United Kingdom hydrographic office，UKHO）可 提供部分極地附近區域的海圖，以中小比例尺海圖為主，分布情況見圖2。由于極地環境的特殊性，獲取極區詳細精確海圖信息的難度巨大，需投入的財力、物力和人力十分可觀。種種困難導致目前已有的海圖數據只能表示部分海域，加上航標等指示信息較少，航行有一定困難。

圖2 UKHO 極區海圖數據分布情況

極區投影是極區電子海圖研究重點之一，在中低緯度航海圖中，通常選取墨卡托投影作為海圖的投影方式。但是高緯度地區并不適合使用墨卡托投影，隨著投影緯度的增大，在投影圖上的面積變形與長度變形也會隨之增加，當到達極點附近則為無窮大。

通常在緯度±85°以下的區域采用墨卡托投影，在緯度85°以上的南北極地區則采用日晷投影（如下頁圖3 所示）或者UPS 投影。日晷投影可用于較小比例尺下極區大圓航行，UPS 投影可用于較大比例尺下極區航向和航程的量算等。當由墨卡托投影海圖跨至緯度85°以上區域時，切換至日晷投影或UPS 投影；由日晷投影或UPS 投影海圖跨至緯度85°以內區域時，切換至墨卡托投影。

極區投影形式多樣，綜合考慮制圖區域的空間特征、圖幅用途和表示專題等多方面的因素，盡量選擇投影變形小、投影變形均勻及經緯網形狀簡單易于認知的方式。目前國內外學者對極區日晷投影、極球面投影和高緯度墨卡托投影、極區高斯投影、橫軸墨卡托等極區投影方法研究比較深入。

1.2 極地探冰設備現狀

1.2.1 探冰雷達現狀

傳統冰雷達以陸基應用為主，在冰蓋探測需求的推動下，冰雷達得到了快速發展。雷達體制從單脈沖發展到脈沖調制、調頻以及合成孔徑，同時雷達探測方式也從多基探測到多極化同步測量。冰雷達傳統移動搭載方式有車載以及機載。機載方式探測范圍較大；車載方式與船基座相類似，一般用于小范圍探測，目前國外的船基探冰雷達探測范圍通常在4.0 n mile（雷達rcs 在1～ 5 m）。國內導航雷達對于極地動平臺下的探冰任務研究還處于起步階段，環境適應性設計不滿足極地低溫環境工作，性能方面尚未重點關注探冰可靠性以及冰層預警技術，僅維持在船用導航雷達自身領域。

在船載探冰雷達應用領域，加拿大RUTTER有針對極地航行的探冰開發探冰雷達系統，利用海冰目標特征匹配的識別算法，對于碎冰及小冰山具備較好的探測能力。其中，我國“雪龍”號科考船就使用了加拿大RUTTER 的探冰雷達系統。

（1）加拿大RUTTER 的探冰雷達系統

RUTTER 探冰雷達天線具有溫度自動調節功能，保障其電子器件能在極區低溫環境下有效運行，防止極地低溫環境帶來的性能降低或故障。RUTTER 探冰雷達系統可接入國際主流如SAM、Sperry、古野和JRC 等品牌導航雷達的天線收發機單元，支持數字信號和模擬信號接入，但模擬信號要求原始的方位、觸發、船首和視頻信號，具有較強的系統擴展性。下頁圖4 展示了普通雷達與RUTTER 探冰雷達的對比圖，RUTTER 探冰雷達可清晰展示岸冰輪廓以及明顯的冰山輪廓，而普通雷達圖像則無法顯示。同時，RUTTER 在得到更佳圖像的同時，也開發出了類似ARPA 的冰相關目標捕捉能力，并具備冰區預警功能。冰層圖像較為銳利，船載探冰能力得到一定增強。

圖4 RUTTER 探冰雷達與普通雷達圖像對比圖

為了保護加拿大東北部的石油平臺，RUTTER在20 多年前就開始涉足探冰雷達領域。相比于近幾年市場上涌現的探冰雷達產品，RUTTER 探水雷達具有豐富的冰層數據和完整的場景測試，性能更優且功能更為滿足用戶實際使用需求，因此，RUTTER是目前探冰雷達領域應用最廣的產品制造商。

（2）瓦錫蘭船商探冰雷達系統

瓦錫蘭船商具備完整的極地航行通導系統解決方案，其探冰雷達系統架構與RUTTER 探冰雷達系統相同，并可與RUTTER探冰雷達系統互聯互通。瓦錫蘭船商也采用了先進的智能信號處理算法識別極區海冰，與普通雷達圖像對比如圖5所示。

圖5 船商普通雷達和探冰雷達效果對比圖

1.2.2 水聲探冰技術及裝備現狀

目前水聲探冰設備主要以前視聲吶為主。國外前視聲吶技術起步早，如英國Sonardyne 公司推出的Vigilant 前視聲吶、美國FarSounder 公司研制的Argos 1000 前視聲吶以及英國的EchoPilot 公司的FLS 3D 等產品可探測船前方水下一定范圍內的浮冰、巖石、沉船、沙堤和其他水下障礙物，已形成一套從技術設計到設備研制、試驗的成熟體系。

美國FarSounder 公司研制的Argos 1000 前視聲吶系統能夠以最高25 kn 的操作速度可靠地探測水下障礙物和船前方 1 000 m 以內的各種水中目標。該設備可引導大型船只安全通過未知水域和危險環境。探測的數據以3D 方式顯示，更新時間小于2 s，可將撞到珊瑚礁、大型鯨魚和冰山的風險降到最低。Argos 1000 已經安裝在ABS、DNV 和Lloyds 船級社認證的船上，產品探測浮冰效果圖如下頁圖6所示。

圖6 產品探測浮冰效果圖

Argos 1000 換能器通常安裝于船頭位置，用一個和船體齊平的整流罩保護起來，當破冰時，換能器縮回到船體，整流罩可防止冰進入船體。圖7 為一艘經常航行于南極洲的船上所安裝的Argos 1000換能器實物圖。

圖7 Argos 1000 換能器的安裝實物圖

英國EchoPilot 公司的最新聲吶產品FLS 3D 可探測船前方水下情形，從而將海底地形和船前方潛在的危險障礙物以三維場景顯示出來。FLS 3D 配備了2 個可伸縮傳感器，可以探測的視野范圍為船前方水平面60°以及垂直面90°范圍，向前和向下的探測距離最大分別可達到200 m 和100 m。FLS 3D 的顯示器更新速度最快可達1 s，這樣有助于實時掌握前方的潛在危險。FLS 3D 工作效果圖如圖8所示。

圖8 FLS 3D 工作效果圖

國外主流產品的技術指標對照如下頁表1所示。

表1 技術指標對比

與國外聲吶技術相比，國內在聲吶領域的研究起步較晚，主要以代理外國公司產品為主，基礎相對薄弱，一般適用于UUV、ROV 和無人船水中短距離目標探測和識別。

2 問題及差距分析

綜合對比分析國內外的現狀，國內高緯度通導及探冰設備與國外差距概括為以下幾點：

（1）整體性能與國際主流產品差距較大，設計層面未考慮在極地應用環境以及相關關鍵技術，缺乏統一的極地時空基準以及衛星/慣導組合手段，對極地海圖及環境場景應用特殊性考慮不足，需要研制解決。

（2）缺乏對船舶周邊冰區等礙航物探測手段，導航雷達還是以常規方式、常規緯度使用為主。國內前視聲吶產品廠家不多，受相關學科技術水平和產業化程度的制約，技術基礎與國外優秀廠家還有一定差距，多種聲吶技術應用處于空白階段。目前市面上的產品工作頻率都比較高，導致產品只能用于近距離的目標檢測和識別，無法實現更遠的作用距離和探測能力。

（3）其他通導產品技術指標與國外同類產品差距不大，但是性價比不高，市場競爭力一般。產品在支持長航時運行的可靠性、穩定性以及極地低溫條件下還存在部分短板，并且受系統設計能力影響，國內通導系統打包構建系統能力對比國外同類系統尚有進步空間。

3 極地通導、探冰系統組成及設計思路

3.1 極地通導、探冰系統組成

極地通導及探冰組成與常規通導系統硬件組成類似，下頁圖9 是通導探冰系統的組成的示意圖，針對極地設計主要是導航雷達增加探冰功能，以及各傳感器設備極地地理環境特點進行針對性設計，例如：高緯度坐標系應用、天線環境適應性設計等。

圖9 極地通導及探冰系統組成示意圖

3.2 設計思路

針對極地應用建立一套高緯度地區的時空基準模型，解決現行“經緯度地理坐標體系”對方向的描述和表示問題，超越常規導航解決極區導航定位的問題；同時，解決在極地高速率通信衛星通信的問題；其次，隨著北斗三號全球定位系統應用，極地衛星導航需要重點解決低溫條件下天線可靠性問題，此外利用衛星與慣性傳感器構成組合導航系統，克服單一導航源存在的諸多問題；最后，通過極地海圖電子設備融合疊加多源探冰數據，并結合雷達探冰、水深測冰等綜合手段，保障船舶安全航行。

綜合以上，通過對常規通導系統研制改進，增加時空基準模型、高動態海圖融合綜合多源數據、衛星/慣性組合導航以及綜合探冰信息手段，解決船舶在高緯度航行時定位困難、時空基準統一難點、低溫條件導航設備無法工作一系列關鍵問題，有效保障船舶在高緯度冰區安全航行。

3.2.1 極地高速率通信接收機研究

研發衛星融合通信網絡智能輪巡監測技術，搭建極地衛星通信監測環境，分析極地衛星信號強度、通信容量、傳輸帶寬、網絡規模和覆蓋范圍等多種因素的動態變化，對極地衛星通信鏈路進行優化，實現不同衛星通信系統的動態融合銜接與鏈路自適應切換，提高衛星通信資源利用效率。近年來，我國衛星通信系統建設速度不斷加快，相關領域成果與國外同類系統的差距也在不斷縮小。從整體上看，當前沒有任何一種國內外衛星通信系統能夠同時提供中低緯度地區和南北極地區的高速衛星通信服務。由于通信系統建設成本等因素的限制，能夠同時覆蓋中低緯度地區和南北極地區的衛星通信系統，往往通信速率較低，難以滿足大容量、高速率通信信息服務需求；而具備高速通信服務能力的衛星通信系統則難以覆蓋極地高緯度地區。與此同時，由于不同軌位、不同頻率通信衛星系統之間相互獨立，導致現有衛星通信裝備無法同時接入不同軌道層次與不同頻率的衛星通信系統，需要安裝大量不同廠商、相互獨立的衛星天線等終端設備以實現跨系統通信功能，且不同衛星通信系統之間存在整合程度低、覆蓋范圍差距較大與通信鏈路無法自動切換等問題，嚴重制約通信系統資源利用效率和數據傳輸速率。因此，為滿足跨緯度、長距離、高速率和高可靠性的衛星通信需求，在船端有必要對不同衛星通信系統進行終端層面的整合，實現多種衛星通信系統的全面兼容與自動切換，進一步提升極地衛星通信服務保障能力。

3.2.2 極區高緯度坐標系及導航定位設備設計思路

衛星接收機在極區正常工作需要針對高緯度地區特點進行驗證和研究，例如：北斗衛星導航接收設備信號跟蹤環路設計在高緯度地區電離層閃爍環境下的信號跟蹤失鎖問題，需要采用合理的電磁閃爍跟蹤環路應力分析，進行現有接收設備跟蹤環路設計研究及電離層閃爍環境載波可靠跟蹤技術研究等適應性設計研究；另外，基于開環參數估計的抗電離層閃爍載波跟蹤技術也是一個需要迫切需要解決的問題。

盡管各種坐標系機械編排和初始對準方法已被提出用于解決慣性定位設備在極區尋北能力差的問題，但在極端條件下，信息網絡系統（information network system，INS）不能單獨完成導航任務，需要采用其他導航方式組合，不同的導航源在姿態、速度、位置維度上形成信息的冗余和互補，從而達到提高導航精度和系統魯棒性的目的。幾個迫切需要解決的問題包括高緯度新導航坐標系應用、極地導航應用環境研究、極區組合導航多傳感器信息融合算法研究。解決高緯度坐標系建立及雙坐標系模式切換閾值，在兩種模式交替工作的綜合導航系統中，計算機需要不斷實時根據當前導航位置信息來判斷何種工作模式最優，而判斷的依據便是在當前(或附近)位置工作時誤差發散速度的快慢，從而確定坐標系切換閾值。

3.2.3 極區電子海圖設計思路

電子海圖是船用導航信息承載的基礎平臺，極區電子海圖除了對標國外需滿足S52 海圖顯示規范標準、S57 數據傳輸標準和S64 測試項等[21]，主要有以下幾個方面內容需要開展研究與實施：

（1）極區電子海圖需支持日晷投影、通用極球面投影、高緯度墨卡托投影、極區高斯投影和橫軸墨卡托等極區投影算法。在提高投影精度方面，對于各種投影方式能夠根據投影區域位置和效果進行相關投影參數的調整設置，同時用戶可根據航行需要進行投影方式的切換。

（2）通過極地多鏈路衛星設備接收多尺度的海量衛星遙感信息，它為極地電子海圖集成遙感影像提供了豐富的影像數據源。

（3）此外，針對極地子海圖適用環境及功能性能要求，綜合考慮所在海域冰情信息、適航信息以及航行距離等因素，通過高緯度坐標系對航向等參數的協同，形成高效、穩定、功能完備的極區電子海圖航線規劃功能，實現電子海圖所需要的極地高緯度投影核心算法，完成系統電子海圖數據結構設計，增強應用的靈活性和適應性。

3.2.4 極區綜合探冰技術設計思路

極區探冰技術發展目前主要包含探冰雷達、聲吶和紅外等方式，其中以探冰雷達技術較為成熟。探冰雷達是船舶通航北極重要船載探測設備，主要目的是為了解決極區海冰弱目標識別以及小目標冰山識別，核心是極區海浪雜波抑制和目標檢測，針對海雜波統計理論特性、非線性理論特性和構建海雜波多維特征空間三方面展開研究。然而海雜波統計特性復雜多變，單一的非線性理論模型又無法全面描述海雜波的物理特性，大多數對海雜波多維特征空間的研究是基于海雜波時間序列信息提取的，忽略了對區分目標與雜波十分有益的空間信息，雜亂的海雜波進而導致了海冰目標檢測的困難。因此，基于探冰雷達的極區海雜波抑制及海冰檢測技術是解決探冰雷達探冰性能重要設計。

水聲探冰技術也是探冰系統設備構成完整系統的關鍵，通過信息集成和統一管理將探冰設備有機地形成一個整體，綜合后可直觀和方便地監測船舶周邊浮冰狀態、海洋環境并預警潛在危險。

4 結語

極地航線未來將縮減航運里程，一定程度上節省航運成本，并且能為我國提供更多的能源和資源備份通道，降低能源和經濟的安全風險。從綜合性能和極地環境適用性上來看，國內通導廠家與國外廠家還有一定差距，有待進一步針對性設計推出適用商用船舶極地航行配套的通導及探冰系統，并進行深化設計以及逐步改進，支撐我國極地商業船舶極地航線運營。