北斗系统在智慧航运领域的应用研究

1ApplicationresearchofBDSinthemaritimefieldLiYanMiaoYongLiuDongTanYewei（ResearchCenterforComputerandMicroelectronicsIndustryDevelopmentMIIT，Beijing100048，China）北斗系统在智慧航运领域的应用研究李焱（工业和信息化部计算机与微电子发展研究中心，北京100048）摘要目前，卫星系统与船舶导航系统的结合逐步深入，除了具有传统的定位导航功能外，卫星系统赋予了船载导航终端网络通信、信息集成、航线优化、避碰辅助、海图管理等新功能和新技术。本文介绍了目前主流的卫星导航定位系统，对基于我国自主研发的北斗卫星导航系统的船舶信息系统进行了技术分析，提出了一个基于北斗系统的远洋船舶监控和信息服务平台的建设思路。关键词北斗卫星系统双模定位岸基监控海事通信路由器AbstractRecently,themaritimenavigationsystemsaredeeplyconnectedwithsatellitesystem.Inadditiontothetraditionalpositioningandnavigationfunctions,satellitesystemprovidedtheonboardnavigationterminalswithnetworkcommunication,informationintegration,routeoptimization,collisionavoidanceassistance,nauticalchartsmanagementandothernewfeaturesandtechnologies.Thispaperintroducedthemainstreamsatellitenavigationandpositionsystems,analyzedthetechnologiesforvesselsinformationsystembasedonBeidou,anindigenousChinesesatelitesystem,andalsosuggestedasolutionforbuildingavesselmonitoringandinformationservicingplatformbasedonBeidou.KeywordsBeidousatellitesystemDual-modepositioningShorebasedmonitoringMaritimecommunicationrouter2一、引言海上交通运输业是国民经济的基础性产业，在国民经济建设中起着重要的支撑作用，我国拥有1.8万公里长的海岸线，海上运输承载80%以上的国际贸易运输量，海上交通运输业的健康运行是国民经济健康增长的物质前提。同时，它的发展也必将对我国的可持续发展产生极其重要的影响。海上交通安全与航空安全一样，已经成为当今世界各国要优先解决的重大问题，海上事故所造成的经济损失巨大，人员伤亡惨重。解决这一问题的关键是利用现代高科技手段，确保船舶航行安全与畅通。海上交通具有移动范围广、环境复杂、事故危害严重等特点，目前我国海上交通运输业存在着宏观调控乏力、基础设施能力短缺、管理手段落后、技术装备水平低、事故多发（平均每年发生800起交通事故）等问题，成为制约我国海上交通运输业发展的主要因素，影响了海上运输整体优势的发挥和国际竞争力。因此，加强海上交通运输管理，保障海上交通安全，提高海上事故应急处理能力对于国民经济建设是至关重要的，而这又有赖于船舶导航系统技术的提高。船舶导航系统是指运用先进的电子海图技术、卫星导航技术、通信技术、信息技术、控制技术、人工智能技术及系统工程技术等，实现海上（江河）船舶的自动导航和船舶交通管理，确保船舶航行安全、畅通的系统。目前，国际上在船舶导航技术和装备制造技术领域形成了以美国、欧洲、日本三强鼎力的局面。由于我国没有海上船舶导航应用技术及产品的专门研发机构和生产厂家，目前我国在航的和新建造的船舶，所配备的导航和监控设备几乎全部是国外产品，严重制约了民族工业的发展并威胁着国家安全。因此，加强我国海上船舶导航系统的研究开发和产品产业化能力，在海上船舶导航领域形成重要的高新技术产业，将直接推动我国海上交通运输业的迅速发展，保证海上运输安全和国家安全，建设国际航运中心，带动船用电子信息产业进步，推动整个国民经济的发展。3二、GPS、GLONASS、伽利略及北斗系统应用分析目前，全球卫星导航定位系统主要有：一是美国的GPS系统，二是俄罗斯的“GLONASS”系统，三是欧洲“伽利略”全球卫星定位计划，四是中国的北斗系统（BDS）。因而，在太空形成了美、俄、欧、中的GPS、“GLONASS”、“伽利略”、“BDS”四大系统“竞风流”的局面。(一)GPS美国的GPS系统包括三大部分：空间部分---GPS卫星；地面控制部分---地面监控系统；用户设备部分---GPS信号接收机。GPS卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解析精度。GPS早期仅限于美国军方使用，其目的针对军事用途，例如战机、船舰、车辆、人员、攻击标的物的精确度定位等。如今，GPS科技早已开放给民间使用，在民间市场已正在蓬勃的展开，除了能提供精确的定位之外，对于速度、时间、方向及距离亦能准确的提供讯息，运用的范围相当广泛。现在这些位臵信息已经广泛地用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、精细农业、个人旅游及野外探险、紧急救生、和车辆、飞机、轮船的导航与定位等各个领域。(二)GLONASS俄罗斯GLONASS系统由24颗中高度圆轨道卫星加1颗备用卫星组网，原理和方案都与GPS类似，但GLONASS未达到GPS的导航精度。其应用普及情况远不及GPS。另外，GLONASS卫星平均在轨道上的寿命较短，且由于经济困难无力补网，原来在轨卫星陆续退役，目前在轨道上只有6颗星可用，不能独立组网，只能与GPS联合使用。4(三)伽利略欧洲的伽利略定位系统（GalileoPositioningSystem），“伽利略”计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案。伽利略系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统。“伽利略”卫星导航定位系统的2008年投入使用，该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。“伽利略”系统在公路、铁路、空中和海洋运输领域甚至徒步旅行者提供精度为1米的定位导航服务。(四)北斗北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（BDS）。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。三、基于北斗的船舶信息系统技术分析保障船舶航行的安全和效率是水上交通的核心目标。这其中，船舶定位、船舶航行监管和船岸信息交互是重要的方法和手段。国内多家船舶导航系统企业一直致力于水上交通信息化、智能化的技术和应用研究，基于电子海图平台的船舶导航系统、船舶监控系统，及面向航运综合信息服务的一体化系统已经取得广泛而成熟的应用。随着北斗导航系统的服务时间表的推进，北斗卫星导航5系统为船舶定位、船舶监管和信息交互提供了有效的技术手段，各类应用系统的研究、研制已经迫在眉睫。(一)基于北斗/GPS双模定位的船舶导航系统在原有GPS定位的船舶导航系统的基础上，集成北斗导航接收系统（模块），实现北斗/GPS双模定位的船舶导航系统。(二)基于北斗/GPS双模定位的船舶动态监控系统AIS船舶监控是目前船舶避碰、岸基监控的主要手段。目前AIS都是以GPS作为定位手段。随着北斗的应用推进，基于北斗/GPS双模定位的AIS系统的研究是必然结果。同时，利用北斗提供的通讯功能，可以实现远海船舶的动态监控，对船舶安全监管、搜救等都具有重要意义。(三)基于北斗通信的船岸信息交互技术及应用北斗系统的通信功能为船舶离岸通信提供了方法和手段。从船舶管理与服务的角度，利用北斗导航通信功能，实现北斗导航系统在一体化服务框架内的应用，如气象信息服务、船代货代信息交互、船舶搜救等。四、基于北斗系统的远洋船舶监控和信息服务平台当前，远洋船舶的监控和岸基信息服务主要技术瓶颈是船岸通信系统。海上通信在远海主要是靠国际海事通信卫星系统(INMARSAT)。INMARSAT通信卫星系统是覆盖全球、全天候的系统，但其通信费用昂贵，一般情况下不能用于频繁的、实时的船岸通信。例如，船载INMARSAT-C站的电报按字节收费，几十个字节的一个电报费用为数元人民币；船载INMARSAT-FBB(海上宽带)的设备价格昂贵（约3万美元/台），通信费用高（13美元/MB），而且FBB不是船舶必配设备，目前只有少量大型船舶配备。6我国的北斗系统兼具定位和短报文通信两大功能，特别适合于远洋船舶监控和岸基信息服务，必将在海洋运输领域获得广泛的应用。基于北斗系统的远洋船舶监控和信息服务平台可建成一个面向全社会的公共信息平台，船舶经营者均可加入此平台。1、远洋船舶岸基监控平台利用北斗系统的短报文通信服务，可在线获取船舶航行信息、机舱设备工况信息、船载货物信息等，通信费用远低于海事通信卫星。2、基于Web的全球电子海图平台支持PC/智能手机（监控客户端）等终端访问，在其上叠加显示船舶信息。3、岸基服务信息平台岸船方向通信，包括：调度信息、交通服务信息、港口作业信息、水文气象信息等等。4、海上搜救应急指挥平台可掌握事故现场周边海域船舶情况，辅助制定应急决策。(一)远洋船舶及货物运输在线监控系统“远洋船舶及货物运输在线监控系统”（简称SCOM系统）突破了远洋船舶多态数据采集和在线分析、船舶航行安全风险预警、以及船岸通信优化控制等核心技术，实现了岸基对远洋船舶航行动态、机舱工况、货物状态和关键操作过程的实时、智能监控。SCOM系统大幅度提高了国家对远洋船队的配臵和控制能力，打破了国外技术壁垒，保证了国家战略物资运输的安全，获得了极大的国家战略利益。同时，SCOM系统为我国国有大型航运企业安全管理长效机制建立了信息平台，为船队运输生产提供了安全保障，增强了企业的核心竞争力。目前该系统已在40余艘远洋船舶上安装应用。7(二)系统功能1.远洋船舶及货物运输在线监控平台利用计算机、航海、轮机工程、网络与通信、软件工程、信息系统、GIS、海洋气象、自动控制等多学科技术开发完成了覆盖全球海上航行区域的远洋船舶及货物运输在线监控平台，实现了对远洋船舶的船岸一体化在线监控。2.船舶多态数据采集系统SCOM总体构成图8完成了船舶多态异构数据采集单元开发，在船上实时采集船舶航行数据、机舱数据、货物数据和视频数据四大类数据，并进行在线分析和风险预警。3.船载海事通信路由器船载海事通信路由器。采用嵌入式技术，完成了船岸通信路由的智能选择，以及遥测遥控指令的转发等功能。4.全球电子海图应用信息平台电子海图应用信息平台包括一组Windows系统下的动态连接库和COM组件，支持VC++、VB、Delphi、Java等开发语言。系统中的船舶调度指挥及应急处臵信息，以及船舶航行数据、机舱数据、船载货物信息和船舶视频信息的显示和查询都以电子海图应用信息平台为基础。SCOM船载数据采集与处理子系统95.船舶动态调度指挥及应急处臵系统系统实现对船舶动态调度数据的处理、分发、显示及管理人员调用、分析、决策的全过程管理；实现了对海上应急处臵的决策支持、过程监视及信息统计与分析等功能，为航运公司的安全管理部门提供应急处臵方案，快速有效地处理突发事件，将事故的损失降到最低，保护船舶、货物及船员的生命财产安全。五、结束语利用北斗卫星系统实现海事安全管理的信息化、自