聶乾震

摘要：文中介紹了我國北斗衛(wèi)星導航系統的發(fā)展現狀、服務性能，并簡要回顧了北斗系統國際海事標準化進程，重點闡述了北斗系統在航標助航、海事測繪、海上安全通信和綜合業(yè)務管理等航海保障各領域的應用，提出了目前應用中出現的若干問題，并就此給出了北斗系統行業(yè)應用在頂層設計、標準建設、關鍵技術創(chuàng)新和安全管理等方面建議，以期通過北斗系統航海保障應用發(fā)展，為航海者提供更加高效和便捷的助航服務。

關鍵詞：北斗 航海保障 應用

0 引 言

北斗衛(wèi)星導航系統是我國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統。從最初的試驗系統，到2000年，建成了北斗一號系統，在我國境內提供服務；2012年底建成了北斗二號系統，向亞太地區(qū)提供服務；計劃在2020年前后，建成北斗全球系統，向全球提供服務，截至目前，已成功發(fā)射23顆導航衛(wèi)星，已經初步具備了區(qū)域服務能力，提供包含開放服務和授權服務兩種方式的服務，開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務，定位精度10m，測速精度0.2m/s，授時精度10ns；授權服務是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。

我國的北斗衛(wèi)星導航系統是繼美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統（GLONASS）之后第三個成熟應用的衛(wèi)星導航系統，作為當今國民經濟和國防建設不可或缺的重要空間基礎設施，推廣其在涉及國計民生領域的深度應用，實現與GPS的兼容，甚至逐漸取而代之，具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 北斗在航海保障中應用現狀

作為北斗系統應用的“先行者”和最大的民用行業(yè)用戶，2011年，交通運輸部與原總裝備部聯合啟動了“重點運輸過程監(jiān)控管理服務示范系統工程”，在該示范工程的帶動下，全國已有超過300萬輛營運車輛安裝應用北斗兼容終端并接入全國平臺，形成了全球最大的營運車輛動態(tài)監(jiān)管系統，有效加強了道路營運車輛監(jiān)控效率，提高了道路運輸安全水平。

如果公路運輸是北斗系統國內民用的突破口，那么國際航海應用則是北斗系統走向國際的重要途徑。2012年底，我國向國際海事組織（IMO）海上安全委員會（MSC）提交了《關于北斗應用于國際海事領域的議題》，MSC審議通過了該項提案，同意將北斗在海事領域應用的標準制定工作列入NAV近兩年度的工作計劃（2012-2013），標志著北斗進入國際海事領域應用的標準化工作進入IMO正式工作程序。2013年9月，IMO審議通過了我國提交的首個北斗國際海事標準——《船載北斗衛(wèi)星導航系統（BDS）接收機設備性能標準》；2014年11月，IMO審議通過了對北斗衛(wèi)星導航系統認可的航行安全通函，這標志著北斗衛(wèi)星導航系統正式成為全球無線電導航系統組成部分，獲得了面向海事應用的國際合法地位。

為積極響應國家北斗發(fā)展戰(zhàn)略，在涉及國計民生的行業(yè)擺脫對GPS系統的過度依賴，提升海事航海保障領域的安全性，北斗航海保障領域的應用研究、開發(fā)和建設如火如荼。

1.1航標助航方面

北斗系統的定位精度為10m，測速精度為0.2m/s，與GPS系統相當，完全滿足遠洋航行船舶定位導航的需求。為推廣北斗在全球航海中的應用，2013年9月，中國衛(wèi)星導航系統管理辦公室和中國海事局相關單位聯合組團，在航行安全分委員會（NAV）第59次會議上提交了《船載北斗衛(wèi)星導航系統（BDS）接收機設備性能標準》（草案），并順利通過了NAV工作組技術審議。MSC93次會議完成了該標準草案的最終審議，獲IMO批準。該標準（MSC.379（93））規(guī)定了船舶應用北斗接收機設備的最低性能標準，是船載北斗終端產品開發(fā)及船舶北斗應用的基本技術依據，是實現北斗系統海事領域全面應用的必要條件。

在大洋航行中單點定位10m的精度基本足夠，但對于沿岸航行，尤其在船舶進港和靠泊時，單點定位的精度就難以勝任。國際航標協會IALA推薦的現用系統中，GPS是通過單站偽距差分的方式，在無線電指向標載頻上（283.5～325khz）播發(fā)偽距差分改正信息，船舶通過專用接收機接收該改正信息，并對單點定位結果進行修正以獲取5m（95%置信度）的定位精度，這樣的系統稱作RBN-DGPS，基本滿足了沿岸航行的需求。目前國際航標協會（IALA）公布的數據顯示，全球已有50余個國家和地區(qū)，運行中的沿海無線電指向標差分全球定位系統（RBN-DGPS）臺站達400余座。中國沿海正在運行的RBN-DGPS臺站有22座，如圖1-1所示。

為推進北斗系統的航海保障應用，必須開發(fā)相應的增強系統，考慮到不能對現有船舶用戶造成影響，北斗的增強必須兼容現有的RBN-DGPS。經過前期的科研攻關，兼容BDS和GPS的RBN-DGNSS系統研發(fā)成功，交通運輸部海事局從2015年起開始了對現有RBN-DGPS臺站的技術改造，實現在無線電指向標上同步播發(fā)差分北斗和差分GPS信息，系統組成如圖1-3所示：

系統由具有完全自主知識產權的RBN-DGNSS播發(fā)站、遠程監(jiān)測系統、用戶終端及數據中心等組成。播發(fā)站產生并播發(fā)差分修正信息。用戶終端利用接收到的差分修正信息和衛(wèi)星星歷實現高精度定位。遠程監(jiān)測系統監(jiān)測系統的工作狀態(tài)。數據中心接收播發(fā)站的本地監(jiān)測數據和遠程監(jiān)測系統的遠程監(jiān)測數據，對整個系統進行監(jiān)控。目前船載RBN-DGNSS終端以及便攜式一體終端等均已研發(fā)成功，整個系統的應用測試表明RBN-DGNSS可以大大提高系統的信號的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性，定位精度在無線電指向標覆蓋范圍300km內平面優(yōu)于1.5m（95%置信度），北斗和GPS單獨定位精度相當，BDS/GPS聯合定位精度、數據有效率都優(yōu)于單個衛(wèi)星導航系統，定位精度相對于GPS提高25%，相對于北斗提高30%左右。

1.2 海事測繪及精密定位方面

對于有更高精度要求的海事測繪和水工作業(yè)，已經在渤海灣、長江口和珠江口等重點水域和航路建設了北斗連續(xù)運行服務參考站（BD-CORS）系統，提供實時厘米級的定位服務，在“十三五”期間，交通運輸部海事局將陸續(xù)完成項目補點建設，爭取實現全國沿海重點水域的有效覆蓋。BD-CORS的系統結構如圖1-4所示：

BD-CORS的服務參數如表1所示：

結合行業(yè)應用需求，基于BD-CORS系統，開發(fā)了大型船舶高精度導航及靠泊儀，該靠泊儀支持北斗、GPS兩種定位模式，可同時支持AIS、北斗、雷達等不同船舶數據的接收與顯示，并提供厘米級的高精度導航定位服務，從而為夜航、霧航情況下的船舶高精度定位、導航和安全靠泊提供技術支持，保障船舶始終航行在安全可航水域。

1.3 海上安全通信和船舶避碰方面

播發(fā)航行警告等海上基本安全信息是海事部門代表國家政府履行國際公約和沿岸國義務的需要，關系到海事管理以及國家經濟發(fā)展大局，關系到國內外船舶海上航行和作業(yè)的安全。及時向船舶提供有效的海上安全信息，對于預防和減少海上交通事故的發(fā)生，具有重要的作用。利用北斗的短報文通信功能，開展海上安全信息播發(fā)業(yè)務，將有效提高安全信息播發(fā)覆蓋范圍，提升播發(fā)效率。2016年10月1日，北海航海保障中心自主研制的北斗安全信息播發(fā)系統面向公眾用戶免費開發(fā)，該系統可及時獲取由天津海岸電臺發(fā)布的最新海上重大安全信息，在遇到險情時可選擇通過北斗終端進行報警，可實現海上北斗終端與陸上收集用戶的短信通信。該業(yè)務的開通在遇險救助、船舶安全航行等方面發(fā)揮積極作用，將顯著擴大海岸電臺的服務范圍，豐富現有的水上遇險報警手段，同時為廣大航海用戶與陸地見的便捷通信提供了新的選擇。

此外，利用北斗系統的定位和通信功能，在岸基AIS（船舶自動識別系統）覆蓋范圍之外，可以實現類似AIS的功能，起到船舶位置信息報告、自動識別和避碰等作用。從而大大提升船舶航行安全，并有效擴展船舶的遠程監(jiān)控，有利于船公司及海事監(jiān)管部門對船舶的監(jiān)控和管理。

1.4 綜合業(yè)務管理方面

將北斗的定位導航授時功能與航海保障具體業(yè)務結合，還開發(fā)了諸多的綜合業(yè)務管理系統，包括：航標遙測遙控系統、離岸水文信息采集系統，以及無驗潮水深測量等。

傳統的航標遙測遙控系統主要采用公網移動網絡和AIS數據鏈路進行通信，對于公網和AIS基站無法覆蓋的水域一直是一個難題。部分重要航標和巡檢距離較遠的航標由于無法遙測遙控，曾造成航標漂失后無法連續(xù)定位，漂到周邊國家和地區(qū)的情況，引起國際紛爭，也偶有發(fā)生。 基于北斗的航標遙測遙控系統，具有監(jiān)控范圍大，數據可靠的優(yōu)勢。其通過傳感器收集航標燈器的工作電壓、工作電流等信息，通過 BDS 采集航標位置信息，經過北斗遙測終端調制、編碼處理后通過北斗衛(wèi)星傳送給中心服務器。航標管理人員通過客戶端可以調用中心服務器上的航標遙測數據并在電子海圖界面上顯示，從而實現對航標工作狀況的實時、動態(tài)監(jiān)測。

離岸水文信息采集系統是在遠離海岸線和島礁區(qū)域無法設置固定水文潮站的沿?；蚪?，通過拋設海洋浮標定點觀測水文資料等信息，并實時地測報并提供給海上測量作業(yè)現場的一種信息獲取系統。

2 未來應用設想

從上可見，北斗衛(wèi)星導航系統已在涉及航標助航、海事測繪和海上安全通信等航海保障全領域獲得了廣泛的應用，對于增強我國海事國家安全，提升航海保障效能，為航海者提供卓越高效的服務等方面均起到了積極的推動和促進作用。然而，由于北斗系統自身尚在完善之中，相關的應用研究起步較晚，特別是用戶對GPS的慣性依賴，所以，北斗系統在國際航海上的推廣普及以及深入可持續(xù)應用方面還存在以下問題：

（1）與航海保障行業(yè)結合的應用雖然遍地開花，但是由于缺乏統一的規(guī)劃和引導，導致海事航航保障系統內部以及與其他行業(yè)間均是各自為政，系統和行業(yè)間的互聯互通互用不夠順暢。

（2）標準建設相對滯后，雖然北斗系統層面的規(guī)范文件，譬如，北斗系統空間信號接口控制文件公開服務信號，北斗系統公開服務性能規(guī)范等均已發(fā)布，船載設備標準也陸續(xù)出臺，但眾多的國際組織涉及的應用標準五花八門，這導致北斗標準國際化難度較大，需要開展的工作繁多。

（3）尚未全面開發(fā)北斗系統的自身優(yōu)勢，與航海保障業(yè)務結合的深度不夠，關鍵技術創(chuàng)新欠缺，現有的應用基本圍繞原有的GPS應用領域開展，在其他領域應用雖有，但是尚未形成規(guī)模。

（4）北斗系統是國家重要的空間基礎設施，其在航海保障行業(yè)的應用，涉及眾多的位置信息和船舶信息，在安全管理方面有所考慮，但還不夠完善。

針對以上問題，在“十三五”期間，航海保障部門應更加積極響應國家北斗和海洋發(fā)展戰(zhàn)略，對北斗系統的航海保障應用進行高角度、深層次的謀劃，爭取在2020年北斗全球覆蓋時，形成北斗航海保障領域的全面深入和特色化的應用，為此，建議如下：

（1）建議海上航海保障主管部門，做好北斗系統應用的頂層設計和總體布局謀劃工作，對整體技術架構和安全策略進行詳細設計，打通行業(yè)內部的互聯互通，并預留接口為其他行業(yè)應用提供數據共享。

（2）加強國際標準的跟蹤研究和國內標準的建設，完善北斗系統應用的標準體系，積極參與國際會議，通過國際溝通協調機制，適時實現國內標準的國際轉化，通過IMO、IALA、RTCM等組織推進，引領北斗系統的國際化。

（3）繼續(xù)開展北斗系統應用的關鍵技術創(chuàng)新，在北斗高精度實時定位方面（地基、星基增強）開展服務模式的創(chuàng)新，力爭實現廣域米級、沿岸分米級、重點水域厘米級、事后處理毫米級定位，為船舶安全航行、海事管理、海洋測繪、港口工程、航道疏浚、海洋漁業(yè)、海洋資源調查等行業(yè)提供高精度的公益性的導助航服務，并進一步開拓與行業(yè)監(jiān)管結合領域的應用，比如北斗AIS一體化研發(fā)及應用、北斗全球海上應急搜救綜合管理平臺建設等。

（4）在加強北斗系統應用推進，為航海者提供高效便捷服務的同時，穩(wěn)步做好航海保障業(yè)務安全信息安全管理工作，在系統建設初期做好安全策略設計，實施中做好物理隔離，最大化降低信息安全漏洞。

3 展望

北斗系統作為國際海事組織認可的全球無線電導航系統，其在船舶安全航行、智慧海事、e-航海建設等諸多方面還有諸多應用潛力，前景廣闊。北海航海保障中心將以服務航海用戶需求為導向，通過走出去和引進來戰(zhàn)略，積極爭取國家政策和資金的支持，開拓創(chuàng)新，通過北斗航海保障應用研發(fā)和應用，不斷提升綜合航海保障能力，切實為航海者提供高效卓越的服務。