北斗卫星导航系统在远海岛礁建设中的应用探讨

田俊峰，崔银秋

（1.中国交通建设集团有限公司，北京 100086；2.上海达华测绘有限公司，上海 200136）

1 概述

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System“BDS”）是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美国全球卫星定位系统（Global Positioning System“GPS”）和俄罗斯全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System“GLONASS”）、欧洲“伽利略GALILEO”系统之后第4个成熟的卫星导航系统。

系统由空间端、地面端和用户端组成，采用卫星无线电测定（RDSS）与卫星无线电导航（RNSS）集成体制，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，其中开放服务面向全球范围，定位精度10 m，授时精度20 ns，测速精度0.2 m/s；授权服务包括全球范围更高性能的导航定位服务，以及亚太地区的广域差分服务和短报文通信服务[1]。

2 北斗远海岛礁建设工程实时数据传输服务

科学技术快速更新的今天，船舶精细化施工高度依赖信息化技术手段，工程船舶施工状态数据需要实时传输至公司进行施工状态分析处理研究，为实时动态掌握船舶状况、施工效率和优化施工工艺奠定坚实基础。海洋实时信息服务，是为作业船舶和用户提供各类海洋航行、作业、通信、导航、定位等相关服务。

2.1 北斗潮位信息服务远海岛礁建设

在远海岛礁建设的疏浚、填筑等工程施工和测量中，潮位数据远程传输的准确及时与否至关重要。远海岛礁建设离岸距离远，潮位数据传统实时传输方式受电磁、气候、距离等外部环境条件限制，导致潮位数据信号丢失，错误经常发生，潮位数据的实时传输越来越困难。利用北斗卫星导航定位系统的双向报文通信和定位功能进行潮位数据传输和网络发布，就能够很好解决这个问题。利用北斗卫星远距离传输的特点，可以建立自主技术的潮位数据综合采集与传输系统，通过整理收集中国远海区域包括东南亚、西亚等区域实时潮位，结合北斗卫星系统的“有源定位”特点，将潮位站与远海岛礁建设施工位置相结合，通过分带处理，距离加权改正等计算方法，为远海岛礁建设提供高精度、实时的潮位数据，从而实现远海岛礁建设中北斗潮位信息服务的全天候、全覆盖服务[2]。

2.2 北斗通信服务远海岛礁建设

相对于GPS系统，北斗具有的一个重要优势就是短报文通信功能，现在1台北斗用户机1次可传送120个汉字，这使得在海洋上实现通信服务成为可能。北斗的短报文功能，在远海岛礁建设施工联系和应急救援等领域，都具有很强的应用价值。北斗卫星导航系统的前身——北斗卫星导航系统试验系统，其具有的短报文功能在四川汶川特大地震、青海玉树强烈地震、甘肃舟曲特大山洪泥石流等重大自然灾害中得到应用并发挥重要作用。北斗通信服务还可以提供北斗手机端信息，譬如天气预报等通信服务。

2.3 北斗定位导航服务远海岛礁建设

目前，北斗系统的16颗卫星集中分布在亚太地区，其中5颗集中在赤道面。由于卫星发送信号是向下辐射，分布在一个区域的卫星越多，意味着信号强度、导航精度和稳定性越高。我国远海等区域靠近赤道，GPS的覆盖较小，而北斗密集覆盖。武汉大学2013年11月在泰国的实验观测证实，GPS自主定位精度为13 m，而北斗自主定位精度可以达到3~5 m，说明北斗在赤道附近是最佳的导航系统。所以，在我国尚无星基增强系统（SBAS）提供实时位置改正服务的情况下，对远离大陆、没有固定的坐标基准的远海海域，使用北斗导航定位系统是唯一正确的选择。

2.4 基于北斗卫星的海洋测绘系统服务远海岛礁建设

海洋范围内布设大地控制网，进行海洋重力测量，在此基础上进行水下地形测量，测绘水下地形图，测定海洋大地水准面。有了水下地形测量的数据和水下地形图，就可以构建大地水准面，这使得作业船舶有了基准数据基础，从而更好地进行疏浚作业。利用北斗定位功能和数据传输功能，就可以精确地把水下地形的位置和深度，以及大地水准面数据直接传输到信息中心，并利用三维地理信息系统进行实时建模，构建大地水准面和水下地形图。

3 北斗远海岛礁建设工程实时监控指挥

随着科学技术的发展，卫星定位和通信技术研究逐步成熟，监控现代化信息技术和现代化管理技术高效结合，可以让工程管理更加规范，决策更加科学，工作更加高效，施工更加顺畅。

3.1 北斗在远海岛礁建设中施工监控与专家远程诊断

在远海岛礁施工的工程船舶实时船位、航速、航向、吃水、耙头深度、泥浆浓度、船载干土方、主机转速、油耗等施工信息，都有不同的仪器设备进行采集显示在船舶工作电脑服务器上，如果把这些施工数据信息，通过北斗卫星链路实时传输给路面监控管理服务中心进行数据分析、处理、存储，所有的数据信息统一管理存放在系统数据库中，供管理者通过中心服务器实时获得作业船舶上传的各类信息，结合系统数据库进行生产调度和业务管理，同时管理者通过中心服务器可以向下属作业船舶发送控制指令和各种信息，实现施工船舶的实时监控，实时调度，实时操作。

准确获取海洋工程的实时大数据，有利于建立起远程的专家监控、管理与辅助决策系统，最大限度地优化远海岛礁建设中的作业方法，降低作业成本，提高作业效率，及时避免并解决作业过程遇到的各种疑难问题[3]。

3.2 北斗在中交远海岛礁建设工程中的应用初探

中交上航局正在进行的《基于北斗兼容系统的工程船舶智能位置服务平台研制与应用示范》项目，对北斗卫星导航系统的应用进行了非常有益的尝试。该项目可以大大提高潮位数据信息、船舶位置信息、船舶施工信息、船舶运行信息、水深检测图信息、指挥调度功能信息的传输效率及稳定性，有效降低工程管理及运营的相关费用；服务平台在建设中所产生的硬件及软件衍生品能够创造更多的经济价值[4]。

4 北斗远海岛礁建设工程安全保障

目前，民航系统的标准配置是美国GPS卫星导航定位系统，GPS只能进行单向通信，飞机只能被动接收卫星信号，一旦遭遇事故，只能等待GPS来搜寻自己。而北斗则具有双向通信功能，信号接收端也可以主动向卫星系统发出消息，从而实现其搜救功能。马航客机失联事件牵动了太多人的神经，全世界为之揪心，由于北斗信号接收器尚未成为民航飞机的标准配置，失联飞机上没有安装北斗接收器。如果失联飞机、失事船舶、事故车辆或遇险人员安装或携带了北斗接收终端，救援中心就可以及时找到它的踪迹，指挥开展应急搜救。我国交通运输行业应当积极推动北斗成为行业的标配[5]，努力提高应对突发事件的能力。

北斗系统不需要其他系统支持就具备定位和通讯功能，适合远海岛礁建设过程中监控管理、资料获取以及用户资料传输等，并且我国拥有这个系统的自主产权，使用起来更加安全，可靠，稳定，保密性强。对远海岛礁建设施工船舶，拥有自主产权的导航定位系统是非常有必要的，其次通过北斗系统提供实时高精度船位，结合接收机的航迹显示、防撞报警和航迹偏差报警等功能，正确引导施工船舶按计划施工路线进行，以保障施工船舶的安全。此外，应用北斗卫星导航系统，施工船舶在茫茫大海上可与岸上及时联系互动，施工船舶遭遇故障时可发出信号开展自救，互救，发生海上边界纠纷时也能得到国家支持。

在各类远海开发工程中，推广应用北斗技术是国家建设海洋强国战略的需要，中国交建是国内唯一具备远海工程开发建设的企业，向离岸远海发展，更需要北斗的支持。2014年5月，中国交通建设集团完成了北斗指挥系统的搭建、测试与运行，系统具备手机与北斗手持机间的双向通信，以及北斗手持终端的自动位置上报服务；项目经理部内网用户可以随时访问，外网用户可通过授权获得服务。凡是架设北斗系统的施工船舶均在项目部监控范围内，为远海工程项目的安全管理提供了保障。

当前，中国交建研究提出了北斗技术应用的“三步走”战略：2008—2014年，以北斗船舶安全应用为突破口，攻克关键技术；2013—2015年，建立船舶应急指挥系统；2014—2016年，研制“远海开发北斗管理服务平台”，实现对公司项目部的人员、装备、物资的安全管理与应用示范[5]。

5 结语

在远海岛礁建设过程中，通过应用北斗卫星导航系统，结合自主移动卫星通信、地理信息等技术，将有效提高远海岛礁建设的效率，提高远海岛礁建设的精度，改善现有建设运作和管理中的缺陷，使运作和管理更加高效、规范、实用、科学，也更加优化远海岛礁的航务、航道、围填海造地建设结构，并且也可以大大提高潮位数据信息、船舶位置信息、船舶施工信息、船舶运行信息、水深检测图信息、指挥调度功能信息的传输效率及稳定性，有效降低工程管理及运营的相关费用，提升远海岛礁建设项目整体管理水平。

[1]北斗卫星导航系统政府网站.北斗卫星导航系统简介[EB/OL].（2010-01-15）.www.beidou.gov.cn.Government Websites of the BeiDou Navigation Satellite System.Introduction of the BeiDou Navigation Satellite System[EB/OL].（2010-01-15）.www.beidou.gov.cn.

[2]焦永强，万军.基于北斗卫星的潮位数据传输与控制技术[C]//华东六省一市测绘技术论坛.2010年现场技术交流会，2010.JIAO Yong-qiang,WAN Jun.Tide-level data transmission and control technique by the BeiDou statellite[C]//Surveying and mappingtechnology forumin East China.On-site technical communication meetingin 2010，2010.

[3] TIAN Jun-feng，DING Shu-you.The application of a production optimization system for a cutter suction dredger[C]//18th world dredgingcongress.USA：Orland,2007.

[4]赵法彬.推广北斗应用，服务产业发展——访中国交通建设股份有限公司科技部副总经理田俊峰[J].数字通信世界，2014（S1）：59-62.ZHAOFa-bin.To promote the application of the BeiDou statellite and thedevelopment of service industry：visit to Tian Jun fengwho is the deputy general manager of science and technology department of China Communications Construction Co.,Ltd.[J].Digital Communication World,2014（S1）：59-62.

[5] 田俊峰.尽快让“北斗”服务海洋工程建设[N].交通建设报，2014-05-29.TIAN Jun-feng.Let the BeiDou statellinte serve for marine engineering construction as soon as possible[N].Communications Construction News,2014-05-29.