北斗卫星导航系统的发展及其在现代海运业的应用

李先强

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，可全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力。

2012年12月27日，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。

2014年11月23日，国际海事组织海上安全委员会审议通过了对北斗卫星导航系统认可的航行安全通函，这标志着北斗卫星导航系统正式成为全球无线电导航系统的组成部分，取得了面向现代海运业应用的国际合法地位。[1]

一、北斗卫星导航系统的发展

1.北斗卫星导航系统的发展概况

中国自20世纪后期开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路，逐步形成了三步走发展战略：2000年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；2012年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；目前，我国正在实施北斗三号系统建设。根据系统建设总体规划，计划2018年，面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务；2020年前后，完成35颗卫星发射组网，为全球用户提供服务。

目前，正在运行的北斗二号系统免费向亚太地区提供公开服务。定位精度优于10米，测速精度优于0.2 米/秒，授时精度优于50纳秒。

2.北斗三号卫星导航系统的建设与特点

2017年是北斗导航卫星的全球布网开局之年，2017年11月，实施了北斗三号全球组网卫星的首次发射。从2017到2020年这4年中，中国将把多种类型的近30颗北斗卫星送入轨道，并借此向用户提供覆盖全球的高水准导航服务。

北斗二号系统与北斗三号系统的区别：

（1）星座情况：北斗二号系统由14颗卫星组网。北斗三号系统由35颗卫星组网。

（2）北斗三号系统不仅在卫星组网方面从区域走向全球，更在卫星重量（增加1倍以上）、寿命（由5年左右增加至10年左右）、激光通信等方面有所创新。比如北斗三号采用星载氢原子钟，其精度比北斗二号的星载铷原子钟提高一个数量级。

（3）北斗三号系统增加了卫星搜救和全球位置报告功能，在必要时可以让用户机随时向中心系统报告动态和位置。

（4）定位精度更高，由北斗二号系统的民用精度10米左右提高至北斗三号系统的亚米级，可以在更广泛的范围内扩展应用。

3.北斗卫星导航系统的构成

北斗系统基本组成包括空间段、地面控制段和用户段。

（1）空间段（空间星座），由5颗地球静止轨道（GEO）卫星（分别位于东经58°.75、80°、110°.5、140°和160°的赤道上空）、27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。该系统于2012年覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球，系统将向全球提供高精度、高可靠性的定位、导航和授时以及短报文通信服务。静止轨道卫星的高度为36 000千米左右，30颗非静止轨道卫星的高度为21 600千米左右。[2]

（2）地面控制段：负责系统导航任务的运行控制，主要由主控站、时间同步/注入站、监测站等组成。

主控站是北斗系统的运行控制中心，主要任务包括：收集各时间同步/注入站、监测站的导航信号监测数据，进行数据处理，生成导航电文；负责任务规划与调度和系统运行管理与控制；负责星地时间观测比对，向卫星注入导航电文参数；卫星有效载荷监测和异常情况分析等。

时间同步/注入站主要负责完成星地时间同步测量，向卫星注入导航电文参数。

监测站对卫星导航信号进行连续观测，为主控站提供实时观测数据。

（3）用户段：多种类型的北斗用户终端，包括与其他导航系统兼容的终端。

4.目前覆盖的区域

北斗二号卫星导航系统现阶段可以连续提供公开服务的区域包括55°S—55°N、70°E—150°E的大部分区域。

二、北斗卫星导航系统与GPS系统的特点比较

1.北斗系统的三频信号与GPS的双频信号

北斗系统使用三频信号，GPS系统目前的卫星还使用双频信号。依据不同频率的电磁波在同一介质中的不同折射率，三频信号可以更好地计算出大气电离层的折射影响并降低电离层折射误差，提高定位的精度。

2.北斗系统有源与无源定位相结合的技术与GPS的单独无源定位技术

在新一代北斗卫星导航系统中，为了保证应急需要，原北斗试验卫星导航系统的双星有源定位技术得以保留，而GPS为纯粹单独无源定位技术。北斗系统的有源与无源定位相结合的技术优点既保证了无源定位技术在接收机终端方面的无限性，又可根据申请，向重要用户提供有源定位服务，从而告诉该用户其部分接收机所在的位置和动态，这与AIS服务有些类似。

3.北斗卫星导航系统独特的短报文功能

北斗试验卫星导航系统开发的短报文通信技术，在新一代北斗卫星导航系统中得以保留。目前，导航终端可提供军用版120个汉字、民用版49个汉字（仅限于亚太区域）的短信服务功能，目前中国渔业监督部门已开始用该功能向渔业船舶提供气象服务，进行航行安全信息发布和休渔监督管理等。

4.全球建站的主动权不同

美国的GPS系统目前在美国本土、太平洋的关岛和夏威夷、印度洋的迭戈加西亚、大西洋的阿森松群岛建设地面控制段。北斗系统也正在全球建设地面控制段，包括北欧的瑞典、南美的阿根廷以及太平洋的基里巴斯、非洲的纳米比亚等地。但二者有重大差别的是美国的均建设在自己的土地上，而中国的是建设在外国的土地上，可靠性有变数。

5.坐标系的不同

北斗卫星导航系统使用的是CGCS2000坐标系，GPS使用的WGS84坐标系。

6.定位精度改进

目前北斗二号系统服务区内公开服务定位、测速、授时精度指标如表1所示。

北斗卫星导航系统服务精度比较：

（1）信号质量：北斗系统信号质量总体上与GPS相当。

（2）民用领域的开放水平定位精度：二者均为10米。

（3）民用领域的高程精度：北斗系统高程方向10米左右，GPS高程方向低于10米，北斗系统较GPS略差。

（4）民用领域的测速精度：GPS≤0.1米/秒，优于北斗系统。

当然，这是公开数据。实际上GPS的水平定位精度技术要远远优于10米，甚至达到厘米级。北斗三号卫星导航系统的水平定位技术也达到了亚米级。

7.原子钟技术

当前全球四大卫星导航系统中，美国GPS导航卫星采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式，欧盟GALILEO导航卫星采用了铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式，俄罗斯GLONASS-K三代导航卫星也采用铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式，我国新一代北斗导航卫星采用铷原子钟和被动型氢原子钟相结合的授时方式。[4]目前，北斗三号卫星导航系统的原子钟精度达到了10-14秒的数量级，与GPS系统接近。

8.卫星技术与质量

GPS的卫星寿命目前为8～10年，中国的北斗二号系统的寿命在5～6年，比美国的卫星寿命还差不少。北斗三号系统的寿命将达到10年左右，高于GPS系统卫星。

另外，由于中国的北斗卫星系统使用的国产芯片价格较高，芯片性能距离GPS还有一定的差距。

9.接收机的兼容性

目前美国的GPS接收机只能接收GPS卫星信号，而中国的北斗接收机已经可以兼容美国的GPS和俄罗斯的GLONASS信号。但应当注意到，目前中国和美国正在就GPS系统和北斗卫星导航系统在民用信号的互操作应用方面进行谈判，估计将来的两种定位系统的民用信号接收机的兼容性问题可以得到解决。

表1 北斗二号系统服务区内公开服务定位、测速、授时精度[3]

三、北斗卫星导航系统在现代海运业的应用思考

（1）为船舶提供比较准确的位置和速度信息。目前的北斗卫星导航系统定位和测速精度虽然比不上GPS系统，但在2020年全球组网完成后其接近2米的定位精度和高于0.2节的测速精度完全可以满足商船定位需要，同时由于目前的北斗接收机对GPS和GLONASS具有兼容性，也为其他国家商船船队的设备配备提供了新的选择。

（2）为船公司有效管理船舶和船舶之间的应急救援提供了良好的途径。由于该系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向简短汉字数字通信能力，且这种数字通信服务在系统的工作区域内不受时间和次数的限制，船公司可以方便地通过该系统直接向船舶下达指令，便于船舶调度。在船舶遇险的情况下，可以直接向周围的用户机发出短信救助要求，便于进行紧急救援。[5]

（3）北斗卫星导航系统的精密授时功能可以为海事事故调查提供信息支持。海事事故调查过程中，往往由于两船之间的时间记录有差别，导致船舶动作记录因时间差别而与实际差别较大，责任判定出现失误。船舶用户可以直接引用北斗卫星导航系统提供的精密授时，保证时间信号的准确。

（4）船队监控与管理。2016年全国12米以上海洋机动渔船艘数为83 874艘，[6]是世界上海洋机动渔船数量最多的国家之一。目前农业部已经在所有中国沿海海洋捕捞机动渔船上安装了基于北斗系统的渔船船位监控管理系统。该系统已经与AIS系统整合，为海洋渔业安全生产与紧急救援提供了技术保障，取得了非常好的应用效果。其主要功能是：

①向外海生产作业者和关联者提供船、岸间的多种通信网络的数字报文互通服务；

②向渔业管理部门提供渔业管理、船位监控、紧急救援信息服务；

③向渔业经营者提供渔业交易信息服务以及物流运输信息服务；

④向海洋渔业船只提供定位导航、航海通告、遇险求救、增值信息服务。

同样，该功能可以用于大型航运企业的全球船队管理，并可以按照不同的船舶类型在全球调度。大型船公司可以通过该系统掌握自己船队的分布及动态状况。在进行分组管理以后，可以知道自己的油轮船队、集装箱船队、散货船队的分布及动态状况，实现指挥、监控的功能。

（5）整合物联网技术与北斗卫星导航技术，实现海运集装箱全球调度管理。以物联网为基本构架，以北斗卫星定位系统为主要传输工具，整合物联网技术、无线射频识别RFID技术（又称电子标签）、北斗卫星导航技术，形成北斗-物联网综合管理系统[7]，物联网技术的核心是通过通信和交流来进行资源共享，不受天气、地域限制的北斗卫星导航定位是其非常重要的技术支撑。RFID技术拥有无精准对位、大批量数据同时采集等特点，读写器自动识别并将信息传输到管理系统中，然后更新标签，使集装箱调度人员从大量重复的入站、出站、维护、在途、盘点等工作中解脱出来，方便了对集装箱的全球调度与管理。

[1]李作虎，等.北斗海事国际标准总体研究及发展思考[J].中国标准化，2015(4):79-83.

[2]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号(2.1版)[R].北京:中国卫星导航系统管理办公室，2016.

[3]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统公开服务性能规范(1.0版)[R].北京:中国卫星导航系统管理办公室，2013:15.

[4]王文明，操春燕.新一代北斗导航卫星首次搭载氢原子钟大幅提高导航精度、性能和自主维持能力[EB/OL].(2015-10-12)[2017-11-02].http://www.cqn.com.cn/news/zgzlb/dier/1083406.html.

[5]李先强.北斗卫星系统的功能及其在海上运输中的应用[J].航海技术，2008(4):40-41.

[6]农业部渔业渔政管理局.2017中国渔业统计年鉴[R].北京:农业部渔业渔政管理局，2017:67.

[7]王淑芳，等.基于北斗-物联网技术的远洋渔船补给信息管理系统应用[J].全球定位系统，2017(2):94-98.