北斗卫星导航系统在舰艇上的扩展应用

刘冬利，庞海滨，戴 耀

(1.大连海事大学信息工程学院，辽宁大连 116026;2.海军大连舰艇学院信息作战系，辽宁大连 116018;3.海军大连舰艇学院研究生管理大队，辽宁大连 116018）

北斗卫星导航系统在舰艇上的扩展应用

刘冬利1，2，庞海滨3，戴 耀2

(1.大连海事大学信息工程学院，辽宁大连 116026;2.海军大连舰艇学院信息作战系，辽宁大连 116018;3.海军大连舰艇学院研究生管理大队，辽宁大连 116018）

北斗卫星导航系统能够为舰艇用户提供定位、导航、授时和短报文通信服务。通过对北斗系统的进一步开发和利用，能够更好地发挥其军事效能，提高舰艇的信息化水平。本文在分析北斗系统性能特点的基础上，提出将其应用于舰艇装备维修远程支援、舰载雷达标定和舰艇态势实时监控的具体方案，为北斗系统在舰艇上的扩展应用提供借鉴和参考。

北斗卫星导航系统;远程支援;标定;态势监控

0 引言

卫星导航系统在现代海军作战舰艇上有着举足轻重的地位，GPS已经被美海军舰艇部队广泛应用于舰艇导航、武器制导、系统授时和海上搜救等领域，起到了战斗力倍增器的作用。2012年12月27日，北斗卫星导航系统正式提供区域服务，系统性能有了很大提高，功能更加完善，能够为舰艇用户提供精确的定位、导航、授时服务以及短报文通信服务。通过对北斗卫星导航系统的深入开发和利用，能够使其在舰艇上得到更为广泛的应用，将为我舰艇部队战斗力的提升提供有力的信息支撑。本文对北斗卫星导航系统在舰艇装备维修远程支援、舰载雷达标定和舰艇态势实时监控上的应用进行了深入探讨，并给出具体方案。

1 北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统是我国自主研制、独立运行的卫星导航系统，它能够为各类用户提供全天候、全天时、高精度、高可靠的定位、导航、授时等服务。同时，北斗系统具有的短报文通信功能是相对于其他卫星导航系统所独有的功能。

根据2012年12月发布的《北斗卫星导航系统发展报告》，北斗卫星导航系统正式开通区域服务后，保留了有源定位方式，并开始提供连续的无源定位服务。无源定位精度可以达到平面10 m、高程10 m。测速精度0.2 m/s。

北斗卫星导航系统提供精确授时服务，系统定时发播授时信息，为用户提供时差修正值。单向授时精度为50 ns。

北斗卫星导航系统的短报文通信可以实现用户与用户、用户与地面控制中心之间的双向报文通信，允许用户每次最多可以进行120个汉字的通信。系统还能够对通信内容进行加密，完成一定级别的保密通信。

2 北斗系统在舰艇上的扩展应用

2.1 舰艇装备维修远程支援

随着我海军使命任务的不断拓展，水面舰艇将承担越来越多的远海作战与训练任务，装备维修远程支援将成为舰艇装备维修的一种主要方式。舰艇装备维修远程支援目前可以利用的无线通信手段包括短波通信系统、卫星通信系统和北斗通信系统。北斗的短报文通信相对于短波通信和卫星通信具有成本低、通信距离远、设备体积小、适装性好的优点，能够满足舰艇进行远距离信息传输的需求，北斗短报文通信具有加密功能，符合海军信息传输的保密要求。

装备维修远程支援需要传输的信息包括装备状态描述、故障图片文件和装备自检信息等。装备各个部分所有的状态信息、指示信息、测试信息，包括可能的故障状态可以通过统一的状态描述和编码压缩成几十个byte的信息，然后传输到远程专家处再进行解码复现。北斗系统的短报文通信每次最多可以进行200个byte的通信［1］，完全可以将装备状态描述信息一次性传输。然而图片文件和装备的自检信息无法通过一个数据报完成发送，可以通过制定一个基于北斗系统的长报文通信协议，将装备维修通信数据分包进行发送。因此，将北斗系统的短报文通信功能作为装备维修远程支援的信息传输手段完全可行。

基于北斗卫星导航系统的舰艇装备维修远程支援系统组成如图1所示。

图1 舰艇装备远程支援系统组成Fig.1 The configuration of remote support system of shipborn equipment repairing

利用北斗卫星导航系统短报文通信进行大数据量的数据通信时存在数据丢包的现象，制定长报文通信协议可以借鉴卫星TCP/IP数据传输技术中对数据通信控制的方法:对大的数据包进行拆包并加相应的包头，接收端对接收的数据包拆除包头，并对数据合并，如果有数据包丢失，则要求发送端重新发送丢失的数据包，直到所有的数据接收完毕为止，从而保证了利用北斗短报文通信进行信息传输的可靠性［2］。

2.2 舰载雷达标定

舰载雷达是舰艇作战系统的重要信息来源，其测量精度直接影响到舰艇的信息作战能力［3］。在雷达使用过程中，雷达系统误差会不断积累，严重影响雷达工作性能，必须进行雷达标校加以消除。GPS已经开始应用于雷达动态标校，由于其本身不具有数据传输的功能，只能通过加装专用的无线数据传输系统来实时传输目标的位置信息，增加了标校系统的成本和复杂程度。北斗系统具有短报文通信功能，可以实时传输位置信息，而且北斗短报文通信比其他无线数据传输手段作用距离更远，因此将北斗卫星导航系统应用于雷达动态标校具有更大优势。

舰载雷达精度较高，因此对真值设备的测距精度也有较高的要求。北斗系统正式提供区域服务后，可以提供定位精度优于1 m的广域差分服务，完全能满足要求。所以采用北斗卫星导航系统作为舰载雷达标定的真值设备完全可行。基于北斗卫星导航系统的舰载雷达标定系统组成如图2所示。

由于雷达观测的数据率低，因此需要真值样本的密度尽可能大 (数据率不小于1 Hz），这样有助于提高真值样本与观测样本进行时间配准的精度。由于短报文通信的服务频度较大，为提高真值样本数据率，需将单位时间段内的位置信息存储打包进行传输。北斗短报文通信的服务频度受用户等级的限制，选用较高等级的北斗用户终端传输位置信息，完全可以使真值样本数据率达到1 Hz。

图2 舰载雷达标定系统组成Fig.2 The configuration of shipborn radar calibration system

实际使用时，需要将雷达计算机与北斗用户端相连进行时间校准，以满足时间同步的要求。由于雷达测量值不会完全在整秒上，所以必须对真值数据进行插值处理，使其与测量数据在时间上对齐。由于标校平台与配合目标的相对运动在短时间内可以看成匀速直线航行状态，因此可以采用线性插值的方法对测量值进行处理［4］。

标校平台主机将雷达测得的目标位置数据与真值数据求差，对得到的误差序列进行预处理，剔除野值后，进行平稳性、周期性、正态性、独立性等统计检验，求取方位与距离的误差，完成雷达精度的标定［5－6］。

2.3 舰艇态势实时监控

对海上执行任务舰艇的态势进行实时监控有助于指挥员全面、实时地掌握海战场态势，是信息化海战的必然要求。连续准确的定位和安全可靠的远距离通信手段是实现舰艇态势实时监控的关键。一方面，目前舰艇主要的无线电定位手段有GPS和罗兰C系统，其中罗兰C系统作用距离有限，无法满足舰艇远海定位的需求;GPS在战时易受干扰和封锁，无法保证工作可靠性。另一方面，传统的舰艇态势实时监控所依赖的通信手段主要有短波通信和卫星通信。这些通信手段都有一定的局限性:短波通信距离有限，工作可靠性差;卫星通信装备造价高、容量有限，不适用于所有的水面舰艇。因此，舰艇态势实时监控迫切需要一种准确可靠的全球定位系统和一种覆盖范围广、用户容量大、性能稳定的通信手段。

北斗卫星导航系统由我国自主研制，独立运行，系统定位和授时精度高，抗干扰能力强，战时比GPS更加稳定可靠;北斗系统的短报文通信作用距离远，且可以进行信息加密，适用于舰艇与陆上基地之间进行远距离信息交换;北斗用户机的ID号是固定的，便于对舰艇的身份识别;北斗用户机体积小、造价低，适用于所有海军舰艇上。因此，将北斗卫星导航系统应用于舰艇态势实时监控系统是完全可行的。基于北斗卫星导航系统的舰艇态势实时监控系统组成如图3所示。

图3 舰艇态势实时监控系统组成Fig.3 The configuration of dynamic ship monitoring system

军用AIS能够连续地采集舰艇的运动参数和航行状态等信息。利用集成电路芯片将军用AIS采集的舰艇信息与北斗终端发送来的位置信息解码后进行数据融合，再进行编码处理形成短报文 (报文内容最长不超过北斗短消息通信容量规定的200 byte）发送给北斗终端，由北斗终端将本船的信息发送给陆上基地的北斗终端［1］。指挥所的舰艇态势实时监测系统将接收到的信息与电子海图系统相融合，再通过显示终端，可以实现舰艇位置、运动参数和航行状态的实时跟踪和直观显示［7］。

3 结语

在详细分析北斗卫星导航系统性能特点的基础上，探讨了将北斗卫星导航系统在舰艇装备维修远程支援、舰载雷达标定和舰艇态势实时监控上的应用及实现方法，对北斗卫星导航系统在军事领域得到更加广泛而深入地应用，具有一定的借鉴和参考价值。

北斗卫星导航系统拥有显著的性能优点:我国拥有自主知识产权，系统运行不受国外控制;定位及测速精度高;可以采用多种授时方式，授时精度高;具有短报文通信功能，能够进行数据远距离加密传输;用户设备体积小，成本较低，可以在舰艇上大批量、大范围使用。基于以上优点，北斗卫星导航系统在舰艇作战系统授时、海上联合搜救和编队内部通信领域也有很大的应用潜力，能够更好地推动舰艇信息化水平的提高。

［1］王艳军，王晓峰.AIS和北斗终端组合在船舶动态监控中的应用［J］.上海海事大学学报，2011(4）:18－21.

WANG Yan-jun， WANG Xiao-feng. Application of combination of AIS and Beidou terminal in dynamic ship monitoring［J］.Journal of Shanghai Maritime University，2011(4）:18－21.

［2］成方林，张翼飞，刘佳佳.基于“北斗”卫星导航系统的长报文通信协议［J］.海洋技术，2008(1）:26－29.

CHENG Fang-lin，ZHANG Yi-fei，LIU Jia-jia.Longmessage communication protocol with the application of Beidou navigation satellite system［J］.Ocean Technology，2008(1）:26－29.

［3］刘高峰，刘健.基于GPS定位系统的舰船雷达标校系统研究［J］.舰船科学技术，2006，28(6）:100 －102.

LIU Gao-feng，LIU Jian.A study of shipborn radar calibration system with the application of Beidou navigation satellite system［J］.Ship Science And Technology，2006，28(6）:100－102.

［4］罗军，商允力，曾浩.应用AIS信息进行岸基对海雷达标校［J］.电视技术，2009(9）:87－89.

LUO Jun，SHANG Yun-li，ZENG Hao.Coast radar calibration method based on automatic identification system(AIS）information［J］.Telecommunication Engineering，2009(9）:87－89.

［5］GJB 74A－98，军用地面雷达通用规范［S］.1998.GJB 74A－98，Military ground radar generic specification［S］.1998.

［6］陈相麟，蒋谱成，蒋寿庭.雷达试验［M］.北京:国防工业出版社，2004.

CHEN Xiang-lin，JIANG Pu-cheng，JIANG Shou-ting.Radar test［M］. Beijing:National Defence Industry Press，2004.

［7］李力强.基于北斗/GPS/ECDIS的战时舰船管理系统研究［D］.济南:山东大学，2005.

LI Li-qiang.Study of ship command project for war based on Beidou system，GPS and ECDIS［D］.Jinan:Shandong University，2005.

Study of expanding app lication of Beidou navigation satellite system to naval ships

Beidou navigation satellite system can provide positioning，navigation，timing and shortmessage communication services for naval ships.With further development and use of Beidou system，its military value and the informational level of naval ships will be improved.In this paper，based on detailed analyzing of the main features of Beidou system，the implementation approach of Beidou system in remote support of shipborn equipment repairing，shipborn radar calibration and dynamic ship monitoring are discussed，which will provide useful references and experiences for expanding application of Beidou system to naval ships.

Beidou navigation satellite system;remote support;calibration;dynamic monitoring

U661.134

A

1672－7649(2014）04－0093－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.018

2013－03－21;

2013－09－18

刘冬利(1975－），男，副教授，主要从事舰载雷达总体技术和装备作战使用研究。LIU Dong-li1，2，PANG Hai-bin3，DAIYao2

(1.School of Intelligence and Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China;2.Department of Information Operation，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China;3.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）