北斗卫星导航系统在海事领域的应用研究
北斗卫星导航系统在海事领域的应用研究
宋强
【期刊名称】《《中国海事》》
【年(卷),期】2019(000)010
【总页数】4页(P42-45)
【关键词】北斗; 海事; 前景; 建议
【作 者】宋强
【作者单位】大连海事局 大连 116001
【正文语种】中 文
【中图分类】U698.7
近年来我国航运业飞速发展，在拉动经济迈上一个又一个台阶的同时，也给海事工作提出了更高的要求。随着船舶数量不断增多和水域通航密度不断加大，海上遇险数量也在不断增加，如何提高海事监管与搜救水平和航海保障力度是切实需要解决的问题。本文将结合北斗系统的特点，探究北斗系统在海事领域的应用。
一、北斗系统简介
（一）北斗系统的基本信息和发展历史
北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，由空间段、地面段和用户段三部分组成，包括北斗一代卫星导航系统和北斗二代卫星导航系统，本文中统一采用北斗系统的表示[1]。
北斗系统的建设规划采取了“三步走”的战略，实施北斗一号、北斗二号、北斗三号系统建设：第一步，2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；第二步，2012年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务[2][3]；第三步，建成全球导航系统。2017年11月5日，中国第三代导航卫星顺利升空，它标志着中国正式开始建造北斗全球卫星导航系统。2
018年11月19日，我国在西昌卫星发射中心以“一箭双星”方式成功发射第四十二、四十三颗北斗导航卫星，这也是北斗三号系统第十八、十九颗组网卫星，标志着我国北斗三号基本系统星座部署完成，迈出从区域走向全球的“关键一步”。2018年12月27日，我国宣布自主研发的北斗三号卫星系统基本完成三号系统组网，开始提供全球定位服务，北斗系统服务范围由区域扩展为全球，正式迈入全球时代。我国正在积极推进北斗卫星导航的组网。2019年4月20日我国成功发射第44颗北斗导航卫星，这也是北斗三号系统第二十颗组网卫星；5月17日我国成功发射第45颗北斗导航卫星，这也是北斗二号系统第四颗备份卫星。目前运行在地球上空的北斗卫星一共有45颗，其中有20颗属于北斗三号卫星系统。
根据计划，未来两年中国还将继续发射10颗北斗三号卫星，届时北斗系统将正式全面建成。建成后的北斗系统将是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧洲伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system）之后第四个成熟的卫星导航系统。
（二）北斗系统的特点
北斗系统与其他几个系统相比，具有以下几个技术优势：
1．独有的短报文通信功能。北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以一次传送超过100个汉字的信息。尽管这一功能容量有限，但是紧急情况通信不同于日常通信，重要的是传达出必要的信息；而且只要安装有北斗终端，即使手机没有信号，同样可以发送信息。因此，其必将在远洋航行中特别是搜救应急时发挥重要作用。而GPS和GLONASS的主要功能都是定位和授时，没有设计通信功能，只能获取自身位置，再通过造价昂贵的海事卫星发送定位信息。
2．较高的定位和授时精度。2012年年底建成的北斗二号系统可向亚太地区提供服务，定位精度已由10米提升至6米，在中国境内能够提供实时米级、分米级、厘米级和后处理毫米级高精度服务；北斗三号系统在定位精度上达到2．5米至5米，并且具有精密授时功能，可为用户提供20ns（双向授时）到lOOns（单向授时）的时间同步精度。将于2020年建成的由30颗北斗三号导航卫星组成的全球导航系统，可面向全球用户提供全天候、全天时、高精度、高可靠性的定位、导航、授时服务[4]。此外，北斗的优势还在于平面精度与高程精度基本相当，而GPS系统的水平精度虽然很高，但是高程精度与水平精度相比差距明显，一般差1．5倍到2倍。
3．高可靠性和实用性。北斗使用的是三频信号，GPS使用的是双频信号。三频信号可以更好的消除高阶电离层延迟影响，提高定位可靠性，增强数据预处理能力，明显提高模糊度的固定效率。即使一个频率信号出现问题，也可使用传统方法利用另外两个频率进行定位，提高了定位的可靠性和抗干扰能力。北斗是全球首个面向大众提供免费三频导航的系统，使得高精度的实现更加灵活方便，而GPS和Galileo部分频点需要商用授权。
（三）北斗系统的应用现状
北斗系统的发展体现在许多方面。相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信系统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力[2]。其所具高定位、广覆盖、全天候授时和短报文通信的功能在条件相对恶劣的海洋环境下优势尤为明显。北斗三号卫星导航系统创新融合了导航与通信能力，可以实现不同平台间的信息交换和位置报告，可以为船舶和VTS提供短报文通信业务，可以为船舶提供精确定位和精密授时，因此，必将在海事领域拥有广阔的应用前景。
二、北斗系统在海事领域的应用
（一）北斗系统在船舶交通管理方面的应用
1．VTS在船舶监控中存在的问题
当前，海事部门主要是通过船舶交通管理中心（VTS）结合船舶自动识别系统（AIS），实现对船舶的实时监控。此系统自身存在明显的缺陷[5]。首先，AIS设备需要通过VHF进行通信，受移动通信和无线电通信的覆盖范围的限制，使得其传输距离有限，远程识别比较困难，只能在内河和近海区域发挥作用。当船舶在远海航行时，AIS无法完成船岸之间的信息交换，不能将信息有效、及时地传回监管平台，无法完成对船舶的监控[1]。其次，目前AIS使用的定位信息基本是来自于美国控制的GPS系统，存在特殊时期GPS加密或者关闭的问题，导致船舶失去导航而无法安全航行。此外，由于GPS系统主要为美国军方服务，船舶用户作为民用领域的普通用户，只能获得较低精度的数据。随着船舶的吨位越来越大，吃水越来越深，传统的GPS定位功能已无法满足VTS对于高精度船位数据的需求。手机北斗导航如何开启
2．相关建议
（1）推广应用船载北斗高精度AIS。利用北斗数据链回送本船和周边船舶的AIS动态信息，
实现北斗AIS一体化应用。通过将北斗与AIS相结合，船舶终端设备能够将本船和周边船舶的AIS信息通过北斗短报文发送至岸端，扩展了AIS岸基系统的覆盖范围，丰富了海上船舶安全监管和航行保障的手段。VTS实施交通管理的手段是数据收集和数据评估，应用北斗系统后，VTS可以利用北斗系统收集船位信息，并借助电子海图显示与信息系统（ECDIS）和AIS对船舶进行实时监控；利用北斗系统可以提供短报文通信服务的功能，通过空间卫星将有关船舶动态、能见度条件、他船意图等有关航行安全的信息传输到船上，避免了VHF传输距离近的弊端，为船舶提供信息服务[6][7]。
（2）加快推进船载北斗终端的应用。利用北斗导航系统的北斗位置信息回报功能，实现对船舶位置的跟踪和监控，还可以利用北斗的通播功能，实现统一指挥调度，大大提高水上航行安全。船载北斗终端定期主动发出状态报告，报告船舶位置、行驶速度等状态信息，海事部门利用GIS系统，可实时监控船舶位置及状态[8]。海事船舶、重点的客船和危险品船舶安装北斗终端设备后可以有效解决辖区船舶位置实时监控、历史数据查询以及船岸通信的问题，提高VTS与现场监管的执法联动，提升海事系统在船舶交通管理方面的效率。
（二）北斗系统在海上搜救方面的应用
1．当前海上搜救存在的问题
海上搜救具有突发性和紧迫性的特点。事故发生时通常伴随着恶劣的气象海况，也给搜救工作增加了难度；而如果险情发生在远海，还存在手机信号无法延伸至沿岸、沿岸无法覆盖到救助船舶的问题，缺乏有效的联络更是大大降低了搜救成功的概率。
搜救的难点在于搜，即到人员的位置，获取遇险人员的准确位置是搜救成功的重要前提。通常海上获取遇险位置是通过GMDSS（全球海上遇险与安全系统），但是需要强调的是，海上搜救的大部分对象是渔船（以大连辖区为例，2018年渔船类险情占险情总数的56．10%），由于GMDSS系统价格昂贵、操作复杂，很多渔船没有安装GMDSS系统，一旦发生险情，无法把遇险信息及时发送出去，耽误了救援时间，使生命和财产受到损失[6]。
2．相关建议
北斗卫星导航系统作为重要的空间信息基础设施，可以实现对遇险人员的准确定位。因此，可以从以下两方面入手：
（1）探索北斗应急示位标在沿海水域特别是在渔船上的推广应用，利用其落水后自动或人为启动，发出包含自身位置、发送时间等信息的求救信号和船对船、船对陆地控制中心之间双向短信通信的功能，及时把遇险信息发送出去，进一步缩短搜救反应间歇，提高搜救成功率。
（2）推广应用“基于北斗的中国海上搜救信息系统示范工程”。在救助船舶上建设船载，将移动手机信号延伸至沿岸无法覆盖到的救助船舶周围水域。同时在救捞、海事船舶上推广安装基于北斗的船载终端，充分利用北斗系统的位置服务，实现对搜救力量的有效监控和指挥协调，有效提高搜救效率[9]。

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