“北斗”数字航标系统构建

周立 彭红春 董春来 汤均博（淮海工学院测绘工程学院）

□□随着海洋交通运输业的发展，船舶趋于大型化、高速化，船舶数量和水域交通密度及危险货物装载量不断增加，海上交通事故及经济损失呈增长趋势，严重威胁船舶航行安全及海洋生态环境。因此，探索构建“北斗”卫星导航系统（以下简称“北斗”）数字航标系统，确保航标信息的准确性和可靠性，为满足船舶安全航行需求提供更好的服务具有非常重要的作用。

1 引言

进入21世纪，数字海洋作为数字地球的重要组成部分应运而生，而数字航标又是数字海洋主要信息基础设施、信息社会的重要组成部分。根据国际航标协会（IALA）的最新定义，数字航标（又称虚拟航标）是指物理上不存在，由经授权的助航服务提供部门发布能在导航系统中显示的数字信息物标；并对物标注解为一个或一组物标。数字航标可用于告知航海人员航行危险物、安全航路、谨慎驾驶水域和规避水域等，用来标识能用图形表示的线、区域、位置及其他形式。

如今，“物物相连的互联网”概念揭开了未来互联网神秘的一角。人们设想通过微电子芯片无源感应射频识别（RFID）技术，给各种物体“贴上”RFID 芯片作为识别标签（简称电子标签），利用移动或固定的RFID 感应器等信息传感设备对物体的特定属性信息进行感应识别；结合相关的位置、时间等信息，按照约定的协议，把任何物体与互联网连接起来，进行物物信息交换和通信，将世界各地物体的信息进行汇聚、处理、分析和分发，以实现物体智能化信息管理的一种智能网络，是物联网的雏形。数字航标的建设无疑为物联网提供了一个大规模应用的平台，全球航标、船舶自动识别系统（AIS）、船舶交通服务（VTS）等与互联网、物联网的融合将成为未来新型数字航标发展的大趋势。而“北斗”作为集定位、导航、通信和授时四大功能于一体的卫星导航系统的诞生，它将在海洋创新应用与服务中更加具有优势，必将为数字航标的构建带来新的机遇和挑战。

2 数字航标的技术体系

数字航标是基于计算机技术、全球卫星导航系统（GNSS）、电子海图显示系统（ECDIS）、AIS、船载航行数据记录仪（VDR）及无线电导航系统（Rnav）等现代高技术而产生和发展起来的一门新兴航标应用技术。随着电子海图的推广和普及应用，航海人员从原来按照纸海图上的标识，依靠目视观察航标行船到运用电子海图操纵自动导航系统行船，其间各类助航标志都将在电子海图上清晰地标识出来。如果某一航区内的助航标志已经纳入了AIS的管理中，那么在该区域中的航标（浮标和固定标志）都会按照3分钟/次的速率送出最新的航标标志数据。这些航标数据会实时动态地被船载AIS设备接收到，并在电子海图上显示出来，即电子海图上将会显示航行区域内每个航标的实际位置及当前工作状态等信息。

当中心处理系统（例如VTS控制中心）对每个航标设施的信号经处理后以广播方式发射出去时，船载AIS设备同样会接收到航标信息数据，也同样会自动标绘在电子海图上。这些来自于VTS控制中心广播的航标信息数据完全等同于实际航标发出的航标信息数据，在电子海图上反映出来的效果是完全一致的。如果不考虑驾引人员直接观察到实际航标设施的灯光、目标等所产生的心理影响，对船载AIS设备来说，其接收到的并显示在电子海图上的航标实时信息，究竟是来自于VTS控制中心的航标信息数据，还是真的从实际航标标志上送出的信息并不重要。既然如此，那么从理论上来说，在AIS覆盖区域内更可以不再需要设置具体的航标设备，或至少在那些固定的标志上如大型灯塔、引导标、雷康标志等， 只要配备一台AIS应答器，即可达到与实际物化的助航设施相一致的效果。由这个虚拟系统构成的助航标志系统即为虚拟的航标系统。

3 “北斗”技术分析

卫星导航系统作为一个国家最重要的信息基础设施之一，在国民经济建设中占有非常重要的位置，不仅是国民经济信息化建设的重要组成部分和推动力量，也是直接关系到国家安全的关键性技术支撑系统。GNSS应用产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。而以“北斗”广泛应用为推动力的我国卫星导航产业，正进入产业化高速发展的根本转折时期。

我国的卫星导航定位应用始于20世纪80年代，伴随着“全球定位系统”（GPS）应用的热潮，近10年来，我国的卫星定位与导航应用得到了飞速的发展，并已渗透到了国民经济的许多典型应用系统中，如测绘、车辆导航监控及海洋渔业生产等。可以说，从整体而言，我国的卫星定位与导航应用已融入到我国现代信息社会建设的进程中。

按照计划，“北斗”将在2012年发射6颗卫星，并于年底正式提供区域运行服务。在海洋导航定位领域，“北斗”的突出优势在于：

· 自主卫星导航系统 具有自主知识产权，高强度加密设计，系统安全、可靠、稳定，适合涉及国家安全和最大自然灾害监测预报的关键部门应用。通过芯片级多模用户接收机开发与传感器网络集成，可为海洋用户提供全天候、高精度、可靠的快速实时定位服务。

· 简短报文通信 系统用户终端具有双向数字报文通信功能，注册用户利用连续传送方式可以传送多达120 个汉字的信息，能全天候服务，没有通信盲区；解决了海区高动态定位和传感网信息同步通信技术支持困难问题。

· 独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机集成设计 不仅能使用户知道自己所处的位置，还可以告诉别人自己的位置，特别适用于动态目标跟踪监控需要定位导航与移动安全数据控制场所，如海上交通运输、海上搜索营救、海上航标调度指挥、智能化的海洋环境监测预报传感器网络等。

“北斗”导航试验卫星进行热真空试验

· 精密授时，统一海上时间基准 “北斗”具有单向和双向两种授时功能，根据不同的精度要求，共享“北斗”用户终端授时，可实现海上动态运载平台、装备设施与导航定位之间的时间和频率同步，可为海洋网提供100ns（单向授时）和20ns（双向授时）的时间同步精度。

· 具备定位与通信双重功能 为海洋连续运行参考站（CORS）的建立提供技术支撑，特别是满足当前在沿海岛屿建设CORS基础设施的数据通信需求，解决了港口、岛礁及海上厘米级高精度实时导航定位技术瓶颈问题。

4 “北斗”数字航标模型建立

航标系统是海上交通安全保障体系的重要组成部分，对航标的有效监控和管理，确保航标信息的准确性和可靠性，具有非常重要的意义。正是为了满足海事管理部门对航标全息实时测控的需要，航标遥测遥控系统成为数字航标技术的新热点。以GPS、数字移动通信技术、电子海图信息显示系统（ECDIS）和计算机网络技术为主体的航标遥测遥控综合系统，实现了航标实时监控管理和航标信息的发布，使船舶及涉海部门及时、准确、方便地获取航标信息，为海上的船舶交通安全保驾护航。

“北斗”数字航标系统结构

在此基础上，笔者提出了基于“北斗”的数字航标模型，将“北斗”多模接收机芯片与航标传感器网络集成，构建数字航标网络。该网络方案设计基于系统的地理特性、使用范围、操作环境及业务需求，采用因特网与“北斗”相结合的方式，数字航标终端的各种定位信息和状态信息，通过AIS/“北斗”网络传送到具有AIS应答器或“北斗”芯片的监控中心、AIS船舶平台、航标及各种海上浮标等设备，实现海上物-物互联的智慧海洋。

航标监控终端系统框图

“北斗”数字航标系统是基于“北斗”卫星通信协议建立的航标遥测遥控应用系统，包括海图基础平台、航标遥测遥控和数据通信。其中，海图基础平台能向用户提供完善的电子海图显示与控制、导航、数字航标服务，数据通信由“北斗”的通信技术支撑。

该系统的工作原理就是利用“北斗”导航天线和接收模块获得航标的经纬度定位数据，通过传感器采集航标灯工作状况和参数，定位信息和状态参数经过单片机处理后，利用“北斗”通信模块按照设定的方式和时间传输到监控中心的计算机上。其中心站监控采用高性能计算机、收发设备、差分GNSS 处理技术以及满足国际海道测量组织（IHO）和国际海事组织（IMO）有关标准的电子海图,保证了实时数据处理分析的及时、可靠。

按照系统设计，航标灯器监控终端与AIS中心站联网，灯器监控终端通过水文、气象及湿度和温度传感器获取的航标运行环境参数，检测航标工作状态，采集、存储数据，并按定时指令，将存储数据通过“北斗”导航卫星的通信系统传给AIS中心站；遇到特殊状态或灯标运行到报警值时，将即时采集数据传递给中心站，实现报警或预报警。航标监控终端主要由核心控制模块、GNSS接收模块、“北斗”导航卫星通信接入模块、各类传感器及供电模块组成，构成一个嵌入式应用系统。

纳入AIS中心站管理的航标信息，同样可以实现类似于“船-船”工作模式的应用，具有船载AIS的全部功能。当来往于AIS 覆盖区域内的船只向周围船只发出询问时，各类助航标志也会发出相应的应答信号。这些助航标志的应答信息也同样被准确地标绘并显示在导航电子海图上，使得船舶及时准确地了解周围助航标志的情况。配合数字航标自动航行系统，船舶航行的安全率和避碰率都将得到很大的提高。同时，AIS中心站设立航标监控终端，除了实时显示航标动态位置和轨迹等信息外，还报告航标灯器工作状态数据，例如太阳电池组自动切换、光控制航标灯故障应急处理等；实时监控管理航标自动工作信息；随时调阅相关信息，并发出有关指令。

“北斗”应用于水利水文

对于我国沿海配布的航标，监控终端由电子海图操作和控制终端组成。电子海图操作部分具有向服务器请求海图数据，显示和操作海图，实时显示船舶、航标的当前位置和轨迹等功能。控制终端的功能是接收中心站送来的航标状态及数据，进行实时监控；随时调阅中心站各种相关信息，并发出有关指令。航标灯器监控终端与AIS中心站的通信利用“北斗”导航卫星的短报文功能传送数据，实现起来比较简单，而且通信成本低。

5 结束语

基于“北斗”网络的航标智能监控系统，为航标管理逐步向自动化、综合化、集中化和智能化发展提供了一个新方向。由于数字航标传感器网络依托于网络和通信技术实现感知信息的传递和协同，因此，在航标上安装“北斗”卫星导航无线监控终端后，既可迅速确定相关信息位置，又可远程传递各种传感器采集的数据，极大地强化了无线传感器网络的大范围信息获取能力。

我国对“北斗”拥有完全自主知识产权，且系统本身具有高安全性设计，完全可以满足海事、气象、水利、电力、交通等特殊需求行业的使用。此外，建立在AIS双向通信基础上的指挥调度和控制操作功能，进一步满足了数字航标传感器网络交互的要求。

基于“北斗”的数字航标传感器网络可实现全疆域无缝隙覆盖。目前，全天候实时工作的传感器网络系统已初具规模，在各相关行业的应用中极大地提高了信息化水平和管理效率，创造了可观的经济效益。■