航运大数据与北斗卫星导航系统应用

2013年4月16日，交通运输部东海航海保障中心在黄海南部和长江口水域进行了国内首次无线电指向标——差分北斗卫星导航系统（Radio Beacon Navigation-Differential Bei Dou Navigation Satellite System， RBN-DBDS）播发与接收试验，这标志着北斗卫星导航系统在海上应用方面取得重大进展，海上定位误差从此从10 m降到了1m。

差分北斗卫星导航系统是在我国自主研发建设的北斗卫星导航系统（BDS）的基础上，利用差分技术，借助海上无线电指向标播发差分修正信息，为航海用户提供高精度定位服务的助航系统。与此前的沿海差分导航系统不同，差分北斗卫星导航系统摆脱了对国外技术的依赖，所有设备软件均具有完全自主知识产权。

差分北斗技术对于涉水资源探测、数据测绘、导航定位等具有重要意义，它可以广泛应用于海洋测绘、港口航道测量、航道疏浚、船舶进出港及狭窄水道导航定位、海上交通安全管理等领域。

对于水路运输，更高精度的差分北斗导航技术将有效降低船舶的碰撞概率。未来，在长江口等船舶流量大、船型多样、航道复杂的航行区域，差分北斗将成为“照亮”航路的“北斗星”。

“北斗一号”卫星定位系统是一种利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的全天候、区域性的卫星定位系统。与陆基导航定位系统相比，它有更优越的性能：

（1）覆盖范围广，其覆盖范围是在北纬50°～55°，东经70°～140°之间的一个心脏形区域，上大下小，基本上覆盖了我国海区。

（2）定位精度高，静止水平误差士20 m，运动水平误差士100 m，经过校标（即相当于差分）可达到士20 m，同时还具有数字报文通信及授时功能。因此，应积极探索“北斗一号”卫星定位系统在航海上的应用［13］。

1）定位导航

根据系统的工作原理，中心控制系统响应用户的定位申请，通过测出两个时间延迟，求出船舶位置，然后通过查询数字化地图确定用户所在点的经纬度，经过加密后由出站信号发送给用户，最终显示在用户接收机上。按照系统设定的定位响应时间，最低级别的用户小于5s，其实时性完全能够满足船舶海上航行。因此，可以通过系统提供高精度船位，保障船舶航行安全。

（1）利用各种导航信息，准确执行计划航线。在运用船舶用户接收设备监测船舶航行的过程中，通过“北斗一号”卫星定位系统提供的实时高精度船位，结合接收机的航迹显示、防撞报警、航迹偏差告警等功能，正确引导船舶按计划航线航行。一旦船舶偏离计划航线，及时修正航向返回计划航线，以保证船舶的航行安全。

（2）利用锚泊告警功能，防止发生拖锚事故。通过设定锚位点及告警半径，并对锚位实施全时监测，以便及时发现船舶拖锚，从而有效防止发生拖锚事故。

（3）保障船舶在复杂条件下的航行安全。复杂条件下的航行泛指在沿岸、狭水道、能见度不良、冰区和极区等复杂的地理条件及复杂的气象条件下的航行。为了确保船舶在复杂条件下航行的安全，可以充分利用“北斗一号”卫星定位系统地面控制中心掌握用户位置等有关导航信息的特点，再结合地面控制中心的数字化地海图，由地面控制中心将船舶位置与船舶航行海区附近碍航物的方位距离，及时通过通信信道传输给用户，以便用户随时掌握船舶与碍航物之间的方位距离，及时采取避让措施，绕开暗礁、险滩等危险区，从而正确引导船舶在复杂条件下的航行。

随着沿海地区经济的飞速发展，沿岸海域的航运事业也得到了巨大的发展，航行密度和进出港频率的增大，这对船舶的准确定位提出了更高的要求。“北斗一号”卫星定位系统的建成，将有效地保障我国船舶的安全航行［14］。

2）监控指挥

基于双星定位系统原理，只要用户响应地面控制中心发出的询问信号，地面控制中心就能解算出用户的位置。所以，对于所有使用“北斗一号”系统的用户，地面控制中心都能知道它们的位置，这是任何其他定位导航系统所不具备的。同时，它还具有简短的双向数字报文通信功能及授时，这对监控指挥在海上航行的船舶是非常有利的。(www.xing528.com)

（1）交通管制。在现有的交通管制系统中，加入“北斗一号”定位导航系统，将有效地提高各大港口的交通管制能力，提高船舶的通行量，减少事故。

（2）防台抗台。对各大船舶公司而言，随时掌握在外船舶的态势是很重要的，而重中之重的就是防台抗台。与单船相比，岸上指挥所所掌握的台风信息及相对态势要清楚和准确得多，通过在地面控制中心和指挥所之间建立链接，结合防台系统，不但各船和台风的态势可实现动态显示，并且还可模拟未来各船和台风之间的发展趋势，这为领导层防台抗台科学决策提供了更为先进的手段。

（3）搜索救援。“北斗一号”用于搜索救援时，将能大大地缩小搜索范围，提高救援成功率。只要用户响应地面控制中心发出的询问信号，地面控制中心就可以掌握用户位置。因此，船舶在航行过程中失事时，只要通过“北斗一号”船舶接收机发出定位请求信号，地面控制中心就可以知道船舶失事的准确时间和地点，从而为搜救成功赢得宝贵的时间。［14］

3）船舶避碰

沿海及狭水道多险滩暗礁，且船舶通航密度大，极易出事故，这就给在这一带航行的船舶避碰提出了更高的要求。为此，可以考虑在“北斗一号”卫星定位导航系统提供的高精度定位基础上，结合ARPA（Advanced Research Projects Agency）雷达、电子海图、自动导航系统、自动避险系统和车、舵控制系统，组成一个全自动避碰系统（Airborne Collision Avoidance System， ACAS），辅之以地面控制中心的监控调节，将有效地提高船舶的避碰效果，减少船舶碰撞事故。

4）北斗系统在航海技术上的渗透

由于北斗系统不需要其他系统的支持就可以具备通信与定位的功能，并且融合了卫星增强系统，使其可以更广泛地应用，适合集团大范围地资料获取、监控管理及用户资料传输，此外北斗系统由我国拥有自主知识产权，因而用起来更加可靠和安全，具有很好的保密性，因此，目前国内的交通运输产业和一些大型企业已经开始逐步装备我国自主研发的北斗卫星导航定位系统。

第一，从航运工业以及远洋船舶本身的安全性来说，北斗导航定位系统是我国拥有自主独立产权的，因此在安全性方面具有得天独厚的优势与保障。

第二，对于航运科学考察系统的可靠性来说，北斗导航定位系统可以增加新的扩展功能，进而提高远洋船舶完成科学考察等任务的能力。

因此，随着北斗导航定位系统的不断完善与发展，它在航运技术上已经可以实现定位导航、简短报文通信及精密授时等功能。

（1）在航运技术上一个非常重要的方面就是船舶的定位功能。一方面，在运用传播用户接收设备监测船舶航行的时候，通过北斗导航定位系统可以实时地提供高精度的船舶三维信息，再结合接收机显示的航迹、航迹偏差警报及防撞警报等功能，北斗系统可以帮助船舶准确地按照计划航线前进。而且在船舶偏离目标航向时，可以及时修正航向，确保船舶的航行安全。另一方面，为了确保船舶在沿岸、极区、冰区、能见度不良及狭窄水道等复杂的地理条件或者复杂的气象条件下安全地航行，北斗系统可以通过地面控制中心掌握船舶用户的地理位置能信息，再根据地面控制中心的数字化海图，把船舶位置与船舶所在海域附近的障碍物等相关的方位与距离信息，准确地传输给船舶，这样船舶在航行过程中可以采取正确的措施，实现在复杂的地理条件或气象条件下的安全航行。

（2）北斗导航定位系统可以为航海人员提供简短报文通信服务。一方面这可以作为科学考察人员通信的应急备份手段，还可以作为远洋人员应急救生通信的手段，这是GPS系统所不具备的功能。与快速定位功能相似，北斗导航定位系统的快速短报通信功能也是采用主动式的请求响应模式。首先是用户通过用户机发起包含通信电文内容的通信请求，然后控制中心在完成辨别与授权之后进行转发处理。北斗导航定位系统的响应时间比较快，一般来说用户机通过点对点的形式完成简短报文通信大概只需要1s。另一方面，北斗导航定位系统可以提供双向通信服务功能，用户机不仅可以发送简短报文，也可以接收简短报文，这非常适合航海过程中船舶彼此之间对短数据业务的需求。在双向简短报文通信方面，如果按照每次发送120个汉字的发射频率，每秒发射一次通信信息来计算，可以得出信息传输速率为1.92 kbps，虽然传输速率不高，但却在航海上有着非常现实的应用意义。

（3）目前，我国国家授时中心所采用的时钟是激光冷却-铯原子喷泉频率基准，我国的授时基准都是据此提供并不停地与国际基准进行校正，北斗导航定位系统的时间基准也不例外。由于北斗导航定位系统支持广播式的单向授时方式，因此其授时的用户数量不受限制，这完全可以满足航海用户的需求。另一方面，北斗卫星导航系统的广播信号、信号的可用性与可靠性、安全性等指标也都可以满足航海用户、远洋船舶的需求。因此，北斗导航定位系统可以用于航海用户的授时，可以促进航海业的发展与进步［15，16］。