北斗導航定位系統(tǒng)在航海保障中的應用

王劍 吳志賓

摘 要：北斗衛(wèi)星系統(tǒng)從 2020 年開始面向全球開放導航服務，其作為我國自主研發(fā)并獨立完成的導航系統(tǒng)，不管是定位速度還是精度都能達到很高的水平，北斗導航系統(tǒng)在各行各業(yè)的應用也越來越廣泛文章對北斗導航系統(tǒng)在航海保障行業(yè)中的相關應用及未來發(fā)展前景展開了論述。

關鍵詞：北斗定位系統(tǒng);航海領域;應用;發(fā)展前景

中圖法分類號：U666文獻標識碼：A

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)于２０１８ 年底完成組網(wǎng)工作，定位服務范圍從國內拓展到了中亞各國。現(xiàn)階段，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在運行精度逐步提升的過程中，為我國航海事業(yè)提供了越來越優(yōu)質的服務。同時，大數(shù)據(jù)時代的到來讓北斗系統(tǒng)在多領域的應用朝著細化、精致的方向發(fā)展。下文就北斗衛(wèi)星系統(tǒng)應用于航海保障的背景、具體領域和發(fā)展前景等展開分析，從安全保障和全方位應用角度來分析其在航海行業(yè)的應用。

１ 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在航海保障中應用的背景

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（ＢＤＳ）是中國自行開發(fā)研制、自主運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。為了進一步測試我國沿海區(qū)域的ＲＢＮ?ＤＧＰＳ 基站，我國早在２０１５ 年就開展了北斗查分信息播發(fā)實驗，重點就是通過無線電指向標在同一時間播發(fā)ＧＰＳ 和ＢＤＳ 的查分信息［１］ 。工作人員在長達１ 年的實驗測試過程中無數(shù)次地進行著范圍內外的精度與效率測量，同時對多個系統(tǒng)使用設計的相關數(shù)據(jù)展開了橫向對比，這一實驗為實踐構建和有效應用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)提供了有價值的信息。ＢＤＳ 在整個國際衛(wèi)星導航系統(tǒng)中都占據(jù)著重要的地位，在多個領域有著廣泛的應用，其中就包括航海保障領域，其讓海上航行的安全性、便利性和效率實現(xiàn)了很大程度的提升。隨著ＢＤＳ 與航海保障具體業(yè)務的深入融合，該系統(tǒng)在國際海事航保領域的標準逐步形成，進而促使其在航海保障領域被廣泛應用。進一步強化ＢＤＳ 的海上應用是順應海事航保事業(yè)發(fā)展和優(yōu)化海上定位導航服務安全機制的必然選擇。

２ 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與航保行業(yè)相融合的可行條件

２．１ ＢＤＳ 的技術優(yōu)勢

ＢＤＳ 主要具有以下３ 大優(yōu)勢：一是擁有強大的系統(tǒng)功能，包括高效精確導航定位與短文通信功能，能提供定位導航、全球范圍內的報文通信以及國際搜救等服務；二是系統(tǒng)擁有先進的指標與性能，其測速精度、定位精度、授時精度在全球范圍內都屬于領先水平；三是系統(tǒng)研發(fā)完全自主，擁有絕對的可靠性、安全性和保密性。北斗三號工程于２０２０ 年建成，也在這一年開通了全球服務，系統(tǒng)整體運行性能穩(wěn)定，全球范圍內的區(qū)域定位精度在１０ ｍ 內，亞太地區(qū)表現(xiàn)的性能更優(yōu)［２］ 。進一步升級拓展了的北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星，實現(xiàn)了系統(tǒng)耗電功率的優(yōu)化和短報文服務容量１０倍量的提升，能夠完成大量語音、文字和圖像信息的傳輸。

２．２ ＢＤＳ 獲得國際認可

ＢＤＳ 是世界范圍內第３ 個獲得聯(lián)合國認可的海上衛(wèi)星導航系統(tǒng)，已被納入國際船載多元無線電導航體系中，也并入了國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)。ＢＤＳ 對航海保障事業(yè)現(xiàn)代化、信息化發(fā)展有著不可替代的作用，是實現(xiàn)中國航海保障事業(yè)走進國際相關領域前列的關鍵技術，同時是開展國際履約研究的重要抓手。

３ 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在我國航海保障系統(tǒng)管理中的應用

３．１ 利用ＢＤＳ 開展精確定位與精密授時

（１）精密定位。ＢＤＳ 采用的導航屬于主動式，定位申請需自主發(fā)送到信號接收中心，接收到信號的陸地中心即刻把船舶與兩顆衛(wèi)星之間的距離測算出來，將所得數(shù)據(jù)直接發(fā)送到衛(wèi)星，最終船舶接收到定位反饋。船舶定位精度可控制在１０ ｍ 內，與ＧＰＳ 不相上下。ＢＤＳ 能在服務區(qū)域內為船舶提供實時性、全天候、高精度的定位服務。船載北斗導航儀能詳細記錄船舶航海路線，同時具備偏航報警和碰壁預警功能，尤其是航行于地理或天氣條件復雜的冰區(qū)和霧區(qū)時可更好地凸顯ＢＤＳ 精準定位的優(yōu)勢［３］ 。（２）精密授時。ＢＤＳ 目前的時間基準參考的是國家授時中心的銫原子鐘，就單向定時服務而言，該系統(tǒng)的客戶端數(shù)量不設限，能夠滿足遠洋船舶終端的需求。ＢＤＳ 既有單向授時功能也有雙向授時功能，可以按照不同的精度要求將最新的授時信息定時傳輸給船舶終端，進而矯正船舶和ＢＤＳ 之間的時間誤差，授時精度可高達２０～１００ ｎｓ。

３．２ ＢＤＳ 在航保事業(yè)航標系統(tǒng)中的具體應用

目前，航標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸信號源主要來自ＧＰＳ，盡管ＢＤＳ 的定位應用在持續(xù)推進中，但依然存在諸多不足，特別是芯片精度。若信號源接收和傳輸僅依靠ＧＰＳ，則我國航海保障事業(yè)發(fā)展就不可避免地將受到一些限制，主要是離不開國外技術的支持，在缺乏獨立性、自主性的情況下一旦遇到國際摩擦就會陷入被動位置。若要避免這種情況出現(xiàn)，則要擁有并應用自主定位系統(tǒng)，這就是ＢＤＳ 的價值所在［４］ 。在航標上裝置信號模塊終端來實現(xiàn)實時跟蹤、記錄并報送航標定位信息，結合ＢＤＳ 的短報文功能能夠有效傳達航標的各類物理特性。相比之下，這種功能在實踐應用中是ＧＰＳ 不能比擬的。另外，ＢＤＳ 在船舶流量大的水域可完成海量數(shù)據(jù)的整合與應用。

３．３ 利用ＢＤＳ 對航海船舶展開實時性動態(tài)監(jiān)控

航運公司通過合理使用ＢＤＳ，同時聯(lián)合ＥＣＤＩＤ 系統(tǒng)和ＡＩＳ 開展動態(tài)化的實時性船舶監(jiān)控。在ＡＩＳ 系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內，船舶航行中發(fā)出的船載ＡＩＳ 信息可直接傳輸?shù)胶竭\公司，進而對船舶狀態(tài)進行監(jiān)控，即便船舶離開了ＡＩＳ 系統(tǒng)覆蓋區(qū)域，航運公司依然可借助船載ＢＤＳ 精準定位船舶地理位置，從而對其進行監(jiān)控。航運公司全面深度解析ＡＩＳ 與船載北斗導航儀傳輸回來的數(shù)據(jù)，整理分析記錄后將其共享至ＥＣＤＩＳ設備，可以在該設備中呈現(xiàn)船舶地理位置信息。航運公司通過使用ＥＣＤＩＳ 系統(tǒng)的疊加功能，就能實時性地查詢到目標船的動態(tài)信息，同時在電子海圖上還會以疊加的形式顯示目標船及其周邊船舶的信息。基于ＢＤＳ 的這項功能，航運公司可更高效地監(jiān)管目標船舶，促使航運公司安全航行水平提升。

３．４ 利用ＢＤＳ 優(yōu)化航海船舶清潔運行水平

充分發(fā)揮ＢＤＳ 的雙向通信功能就能實現(xiàn)船舶能耗監(jiān)管系統(tǒng)的研發(fā)與應用，綜合分析能耗數(shù)據(jù)并精確計算出船舶能耗，通過設計船舶能耗監(jiān)管系統(tǒng)，應用軟件功能制定船舶節(jié)能運行方案，可以達到船舶清潔運行的目標。尤其是位于我國沿海航線和內河航線的船舶，可以通過有機結合ＢＤＳ、實時性數(shù)據(jù)收集與能耗監(jiān)管，用清潔能源替代污染水平高、耗能大的柴油，如液化天然氣燃料。借助ＢＤＳ 建立遠程化雙燃料船舶監(jiān)控系統(tǒng)，動態(tài)化監(jiān)測天然氣余量及泄漏情況，以及搜尋附近沿岸的燃氣補給站，可以對船舶主機運行情況、能耗水平和為尾氣排放展開全方位的監(jiān)控。

４ 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用前景分析

４．１ ＢＤＳ 的國際標準化發(fā)展進程與推廣

考慮到航海活動的國際化特征，大力推廣ＢＤＳ 并強化其在國際海事領域中的應用有著重要的現(xiàn)實意義。若要獲得國家海事領域的認可，前提條件則是在海事領域開展國際標準化工作，這也是實現(xiàn)ＢＤＳ 在全球航海領域普及應用的必經(jīng)之路，近幾年，中國海事局在這項工作中取得了突破性的進展。海上安全委員會（ＭＳＣ）于２０１４ 年批準了船載北斗系統(tǒng)在國際海事中的應用，認可了該系統(tǒng)設備的性能與標準，這標志著ＢＤＳ 正式被納入國際海事衛(wèi)星導航系統(tǒng)［５］ 。２０１７ 年，在ＩＭＯ ＮＣＳＲ４ 會議上通過了多系統(tǒng)船載無線電導航設備的國際標準，至此北斗系統(tǒng)被正式寫入了海事導航應用與授時原則，這表示ＢＤＳ 在國際海事領域中的應用進一步深入。２０１８ 年，國際搜救衛(wèi)星組織第５９ 屆理事會在國際軌道搜救衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃中加入了ＢＤＳ，這標志著ＢＤＳ 在國際領域中的應用得到了拓展，其在國際海事領域中占據(jù)著越來越重要的位置。為了深入推動ＢＤＳ 船載終端應用普及化，中國可大力推廣航行搭載ＢＤＳ 導航儀，同時聯(lián)合ＩＭＯ 平臺延伸國際化應用，提升北斗系統(tǒng)在國際航行船舶中的加裝率，完善兼容ＢＤＳ 在內的多模式衛(wèi)星導航功能，大幅提升通信效率、定位精度以及系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，為航海事業(yè)提供有力的安全保障。

４．２ ＢＤＳ 在船舶救援中的應用

相比之下，ＡＩＳ 船載通信作用距離偏短，無法為遠海中的事故船只提供有效的幫助，另外ＡＩＳ 不具備整合多項資源的功能，在救助行動中所受限制較多。在面對船舶不能以任何形式將求救信息對外發(fā)送的情況，船舶可利用ＢＤＳ 的短報文和定位功能，主動往外界發(fā)送船舶的動態(tài)化位置信息與求救信號，并隨時接收來自沿岸基地發(fā)出的指令，完成遇險自動求救。

４．３ ＢＤＳ 在應急搜救中的示位功能

在海上救生事件中，ＢＤＳ 可發(fā)揮示位落水人員的功能，且該功能屬于自動觸發(fā)功能，可直接將具體的位置信息和求救信號發(fā)送出去。基于ＢＤＳ 的救生示位標便于固定在救生衣或者求救者的衣服上，起到實時精準定位的作用，能夠有效縮短搜救時間，讓遇險者能夠快速獲救，這種方式巧妙地避開了傳統(tǒng)海上救援方案的弊端。ＢＤＳ 短報文通信是其獨有的功能，讓ＢＤＳ 在海上救生中的應用更具優(yōu)勢。

４．４ 基于ＢＤＳ 的無人機開放與應用

北斗高精度無人機技術的實現(xiàn)充分體現(xiàn)了ＢＤＳ的功能優(yōu)勢，其有效利用了北斗智能化操控平臺、高精度定位、高精度傳感器、自動化操作和專業(yè)控制數(shù)據(jù)加密等功能，這是一項具有高分辨率、高效率和低成本優(yōu)點的先進技術。無人機技術可大幅提升通航水域的航海效率與安全保障水平，通過該技術獲取的現(xiàn)場信息最大的２ 個特點就是時效性和現(xiàn)勢性，可最大程度地避免人為因素的干擾，提供高精度的定量、定性和定位信息，并逐步發(fā)展成短距離通航管理的有效手段，提升船舶監(jiān)控水平，在調研航標設施需求、夜間巡視、日間巡檢和拉鋸測試中起到事半功倍的應用效果，同時還能將詳細的現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)提供給應急中心處理，聯(lián)合通信功能遠程處理一般性故障，讓基層工作人員的勞動壓力大幅減輕。

５ 結束語

不管在軍事應用還是社會民事領域，ＢＤＳ 的應用目的都是為出海人員提供安全保障，保證我國領海安全。ＢＤＳ 屬于我國獨立研發(fā)并自主運行的導航系統(tǒng)，在逐步完善ＢＤＳ 多項功能的過程中，其將指引我們更好地探索自然，為我們的生活生產(chǎn)提供更好的定位服務和安全保障。

參考文獻：

［１］ 杜文翔．北斗導航及ＧＰＳ 技術在航海定位中的應用［Ｊ］．中國水運（上半月），２０２１（１１）：１０５?１０７．

［２］ 程建華，劉佳鑫，趙琳．極區(qū)航海導航與定位保障技術發(fā)展綜述［Ｊ］．中國艦船研究，２０２１，１６（５）：１６?２９．

［３］ 鄭祥鑫，陳得新．北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在現(xiàn)代航海保障中的應用探討［Ｊ］．珠江水運，２０２０（２３）：１０５?１０６．

［４］ 張敬淳．基于北斗衛(wèi)星的航海導航系統(tǒng)定位目標精準識別方法［Ｊ］．艦船科學技術，２０１９（１２）：１０３?１０５．

［５］ 王勇．影響ＧＰＳ 航海導航精度的幾個關鍵技術分析［Ｊ］．信息記錄材料，２０２０，２１（１１）：１７７?１７９．

作者簡介：

王劍（１９７０—），本科，工程師，研究方向：船舶通信導航設備技術研發(fā)。

吳志賓（１９８４—），本科，工程師，研究方向：船舶通信導航設備應用和開發(fā)。