北斗卫星导航系统在交通运输行业的应用及展望

文|刘建 李晶 刘法龙

中国交通通信信息中心

一、引言

北斗卫星导航系统（简称北斗系统）是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是我国重要的空间基础设施。北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。随着系统建设和服务能力的发展，北斗系统已经广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、应急搜救等领域。

交通运输行业是北斗系统重要的民用应用行业，做好交通运输行业北斗系统应用工作，是落实国家战略和促进经济社会发展的重要举措，同时也是新时期新形势下推进综合交通运输行业发展，建设交通强国的迫切需要。

二、北斗系统当前服务能力及发展计划

2018年12月27日，北斗三号基本系统建成及提供全球服务情况发布会在国务院新闻办公室新闻发布厅召开，宣布北斗三号基本系统完成建设，即日起可为全球区域内的用户提供北斗导航服务。

北斗系统现阶段在轨工作卫星星座由5颗地球静止轨道（GEO）卫星、7颗倾斜地球同步轨道（IGSO）和21颗中圆地球轨道（MEO）卫星组成。北斗系统具备为全球用户提供服务的能力，并可为亚太地区55°S～55°N、70°E～150°E范围内的大部分区域提供更优的服务。同时，北斗系统可与其他全球导航卫星系统（GNSS），即全球定位系统（GPS）、伽利略卫星导航系统和“格洛纳斯”全球卫星导航系统（GLONASS），实现兼容与互操作。经全球范围测试评估，北斗系统服务区为全球，水平和高程的定位精度均达到10m，测速精度达到0.2m/s，授时精度达到20ns，系统服务可用性优于95%。在亚太地区，北斗系统的水平和高程定位精度更是可达到5m。

根据中国卫星导航系统管理办公室发布的《北斗卫星导航系统发展报告3.0》，未来北斗系统将继续提升服务性能，扩展服务功能，预计到2020年将提供如下服务类型：

1）基本导航服务：为全球用户提供服务，全球定位精度将优于10m，测速精度优于0.2m/s，授时精度优于20ns；亚太地区定位精度将优于5m，测速精度优于0.1m/s，授时精度优于10ns。

2）短报文通信服务：中国及周边地区短报文通信服务容量提高10倍，用户机发射功率降低到原来的1/10，单次通信能力1000汉字（14000bit）；全球短报文通信服务，单次通信能力40汉字（560bit）。

3）星基增强服务：按照国际民航组织标准，服务中国及周边地区用户，支持单频及双频多星座两种增强服务模式，满足国际民航组织相关性能要求。

4）国际搜救服务：按照国际海事组织及国际搜索和救援卫星系统标准，服务全球用户。与其他卫星导航系统共同组成全球中轨搜救系统，同时提供返向链路，极大提升搜救效率和能力。

5）精密单点定位服务。服务中国及周边地区用户，具备动态分米级、静态厘米级的精密定位服务能力。

三、北斗系统在交通运输行业的应用

交通运输行业具有点多、线长、面广和移动性强的特点，是北斗系统最大的行业用户。交通运输部作为交通运输行业主管机构和北斗民用用户代表，长期以来对北斗系统行业应用工作高度重视。2005年，交通运输部成立北斗系统领导小组，统筹开展行业北斗系统应用相关工作。为推广北斗系统交通行业应用，推动北斗系统发展，交通运输部于2016年12月印发了《交通运输部关于在行业推广应用北斗系统的指导意见》，于2017年联合中央军委装备发展部编制并印发了《北斗卫星导航系统交通运输行业应用专项规划》。在相关政策支持和推动下，北斗系统在交通运输行业得到了广泛的应用。

1.全国道路运输

2011年，交通运输部与原总装备部联合启动了北斗重大专项第一个民用应用示范工程——“重点运输过程监控管理服务示范系统工程”，在道路运输领域率先进行北斗系统大规模应用。在该示范工程的引领带动下，全国已经有近500万营运车辆安装应用北斗兼容终端并接入全国平台，组成了全球最大的营运车辆动态监管系统（如图1、2）。该应用包括测试、审查、数据接入、管理、考核等在内的一整套功能，建立了完整的营运车辆动态监控管理体系。道路运输主管部门可通过该平台查询特定车辆的信息，包括当前位置、车主、联系人姓名及手机号等，同时可实时了解其行驶方向和车速，从而监控该车辆的行驶状态。该系统还具备信息发布功能，可向全国自定义区域内所有的车辆发布禁行、路况信息等相关通知。

基于北斗系统和终端的全国道路货运车辆公共监管与服务平台有效加强了道路营运车辆监控效率，提高了道路运输安全水平，降低了道路运输事故率和伤亡人数。据统计，自2011年至2017年，中国道路运输重特大事故发生起数和死亡失踪人数均下降50%。

图1 石家庄市某车辆实时动静态信息

图2 上海市交管局发布的禁行通知

2.中国海上搜救

2014年交通运输部和原总装备部联合启动了北斗第二个重大专项示范项目——“基于北斗的中国海上搜救信息系统示范工程”，旨在保障我国海上生产作业和人命财产安全，提高海上搜救效率。该示范工程利用北斗系统作为遇险定位、报警通信、搜救指挥的技术手段，为海上遇险提供更多样化的报警手段，促进救援力量的科学调度，为移动搜救现场指挥提供技术支撑。

该示范工程开发了基于北斗的海上遇险报警管理系统、基于北斗的海上搜救指挥辅助系统和海上综合信息服务系统等三大应用系统及北斗信息处理平台，实现了40万套基于北斗的海上遇险报警手机终端及3000套具备北斗短报文通信功能的手机终端的推广应用，在300艘海事船舶和100艘救捞船舶上安装应用了北斗智能船载终端，实现了北斗自动识别系统（AIS）、卫星紧急无线电示位标（EPIRB）和人员落水设备（MOB）的示范应用（如图3）。船舶可通过北斗终端向系统发送普通短报文消息和紧急级别的告警，或者通过终端上的遇险按钮直接发送遇险级别的告警。不同级别的告警会以不同颜色的告警标识显示在系统海图上，在快速通知救捞局、海事局和搜救中心等主管和搜救部门的同时，可有助于更快协调救助力量。相关部门可通过该系统向船舶发送短报文，可通过船舶名称、海上移动业务标识码（MMSI）或者呼号实时查询船舶位置、航速等静态和动态信息。

四、北斗系统国际化应用前景展望

2013年9月和10月，中国国家主席习近平分别提出建设“新丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”（以下简称一带一路）的合作倡议。“一带一路”贯穿亚欧非大陆，其中“新丝绸之路经济带”重点路线是中国经中亚、俄罗斯至欧洲，中国经中亚、西亚至波斯湾和地中海，以及中国至东南亚、南亚和印度洋；“21世纪海上丝绸之路”重点方向是从中国沿海港口过南海到印度洋，延伸至欧洲，从中国沿海港口过南海到南太平洋。

中国始终秉持和践行“中国的北斗，世界的北斗”这一发展理念，积极推进北斗系统国际化。经济发展，交通先行。交通运输是建设“一带一路”的重要纽带，而北斗系统是我国部署国际交通运输网络中实现完全自主可控的跨境运输导航通信服务的关键一环。北斗系统已经开始为全球用户提供导航定位和授时服务，而全球区域短报文服务也已经在北斗系统未来计划中。基于全球的导航及通信服务，可以预见在未来北斗系统可为包括“一带一路”国家和地区在内的全球区域提供覆盖海路和陆路的交通运输保障。

图3 基于北斗的中国海上搜救信息系统示范工程

1.国际道路运输保障

截至2017年底，我国已与“一带一路”沿线15个国家签署了16份双边及多边道路、国际运输和运输便利化协定，通过73个公路和水路口岸开通了356条国际道路客货运输线路。自2006年建立国际道路运输统计制度以来，年旅客运输量、货运量已稳定在700万人次和4000万吨以上的水平。国际道路运输已经成为我国与周边国家发展双边多边关系和增进友好往来的重要桥梁纽带，在拓展和深化我国对外开放、推动边贸和边境地区经济社会发展、维护国家安全和边疆稳定等方面发挥着越来越重要的作用。

目前，我国国际道路运输信息化建设相对滞后，运输管理部门对公路口岸的监管力度相对薄弱，管理效率和服务能力较低，法定监管职责难以有效落实等问题比较突出。由于国际道路运输的特殊性，现有的车载终端及监管平台存在无法支持出境监管和出境后无法实时传送监管信息等问题，车辆境外实时动态监管和报警处于盲区。

2014年10月，交通运输部召开全国国际道路运输工作座谈会，启动实施重构基于北斗的国际道路运输管理与服务信息系统，以充分履行交通运输管理部门对国际道路运输企业和车辆进行有效监管和服务的职责。国际道路运输管理服务信息系统工程现已明确列入《北斗卫星导航系统交通运输行业应用专项规划》。此示范工程计划研制并推广应用北斗车载终端，在重点营运和危险品运输等国际道路运输车辆上推广安装，实现在无移动网络的情况下车辆基本信息的收集和上报。此外，国际道路运输管理及综合服务信息系统的建设也在规划内，统一为边境省份、边境口岸的业务办理部门和出入境查验部门提供车辆出入境业务办理、口岸查验、车辆监管和统计分析等信息化服务，为社会公众提供基于网站和移动端的出入境业务申报等多种服务。通过与已有的“全国重点营运车辆联网联控系统”和“全国道路货运公共监管与服务平台”进行互联，可提供旅游包车、客运班车和危险品运输车辆（两客一危）以及货运车辆的境外位置信息和车辆驾驶行为信息。

通过将北斗系统和终端推广应用于国际道路运输管理与服务，将有效解决目前我国国际道路运输便利化程度不高、监管能力不足、信息化服务水平亟待提升等问题，显著提高我国国际道路运输管理与服务的现代化、信息化水平。在实现国际道路运输业务信息化，提升通关效率和行业管理水平，通过信息化手段提升从业务人员业务办理便利性的同时，可有效扩展北斗系统的应用领域，支撑北斗系统“走出去”的国家化发展战略。

2.全球海上遇险与安全通信

1912年，“泰坦尼克”号船舶撞上冰山沉没于大西洋，1517人遇难。此次事件被认为是20世纪人间十大灾难之一，同时也唤醒了全世界对于航海安全重要性的认识。1960年，国际海事组织（IMO）各缔约国共同协商制定了《国际海上人命安全公约》（以下简称为SOLAS公约），并不断对其进行修订完善。SOLAS公约第四章中写入了全球海上遇险与安全系统（以下简称为GMDSS），要求所有从事国际航行的客船和300总吨及以上的货船必须按照航行的海区配备符合GMDSS要求的无线电通信设备。GMDSS于1992年开始实施，1999年起全面实施。卫星移动通信业务是GMDSS的重要组成部分。

在2018年5月举行的IMO海上安全委员会第99次会议上，美国的铱星系统正式通过IMO的认可，成为继国际移动卫星系统（Inmarsat）之后的又一家GMDSS卫星服务提供商。从事国际航行的船舶除了Inmarsat外又多了一种设备安装选择。然而，Inmarsat为英国的公司，铱星为美国的公司，我国为IMO的缔约国，因此我国从事远洋航行的船舶必须安装Inmarsat或者铱星的船载通信设备，以满足航行安全的要求。我国是世界航运大国，已经连续15次当选为IMO A类理事国，全球港口货物吞吐量前十中占了5位，全球港口集装箱吞吐量前十中占了7位。巨大的航运体量和远洋船舶数量对于航行安全也提出了更高的要求，我国航运界迫切需要自己独立自主的卫星移动通信服务来保驾护航。在此背景下，北斗系统于海上安全委员会第99次会议上也正式向IMO申请将北斗短报文服务系统加入GMDSS并获得受理。目前北斗系统正在完善系统并提升服务能力，以期满足GMDSS相关要求。

未来在北斗完成在IMO的认可之后，将正式向包括“21世纪海上丝绸之路”国家和地区在内的全球区域内的远洋船舶提供GMDSS服务。届时北斗系统将为我国的远洋船舶提供如下服务和保障：

1）多类型卫星通信。通过北斗短报文服务，船舶能够实现与航行区域附近国家或者海域搜救协调中心（RCC）间的遇险、紧急和安全通信，结合北斗独特的导航+短报文融合服务，最快地将遇险信息及位置报告一并发送出去。通过北斗的独特的返向链路功能，遇险者可及时收到北斗系统主控站发回的遇险确认信息，增强遇险者获救信心和遇险告警通信效率。同时，北斗系统还提供一般通信，船和岸之间可以实现多向通信，未来可实现在中国及周边海域单次通信能力1000汉字（14000bit）；全球短报文通信服务单次通信能力40汉字（560bit）。

2）海上安全信息播发。北斗系统还可提供卫星覆盖范围下全区域的消息广播，可向船舶及时广播航行警告、气象警告、气象预报等有关航行安全的信息，保障船舶航行安全。

3）船队管理。安装有北斗终端的船队，可以通过设置某一台北斗终端为指挥机，向其他单艘船舶（单个终端）或者组内其他船舶（其他终端）发送短报文消息，从而实现船队管理、广播和调度等功能。

3.全球卫星搜救服务

随着技术的不断进步，海上遇险搜救手段亦不断得到发展，越来越多的技术手段正在为海上航行保驾护航。但是海上遇险搜救的核心永远是对遇险对象位置的确定，以及通信的保障。目前基于北斗定位的船载AIS、船载EPIRB等船载安全终端已经研发出来，应用于我国海上搜救领域。

1998年经国际搜救卫星组织（Cospas-Sarsat）第21届理事会批准，我国正式成为国际搜救卫星系统的地面设备提供国。2014年，北斗系统正式获得IMO认可，成为继GPS、伽利略卫星导航系统和GLONASS之后的第四个全球无线电导航系统。由于具有定位精度更高、等待时间更短且全球覆盖的特点，Cospas-Sarsat已将中轨卫星搜救系统作为未来发展方向，并计划逐步提供低轨道卫星搜救系统和静止轨道卫星搜救系统。目前我国建有Cospas-Sarsat的低极轨道卫星地面终端站和任务控制中心（MCC），而美国和法国已经建设了中轨卫星搜救地面试验系统，在轨载荷也已经宣布进入“初步运行状态”，预计2020年进入“全面运行状态”。2018年2月，Cospas-Sarsat委员会第59次会议同意将北斗卫星导航系统纳入到全球中轨卫星搜救系统中。2018年9月，搭载了搜救载荷的两颗北斗中轨道卫星成功发射上天。在载荷上天之后，即按照Cospas-Sarsat相关文件要求开展在轨测试，观测北斗搜救载荷在轨状态并验证其服务性能。经过一系列的在轨测试，我国北斗搜救载荷状态正常，目前正在推进Cospas-Sarsat层面的相关工作。根据《北斗卫星导航系统发展报告3.0》，未来还将有4颗中轨卫星搭载搜救载荷。到2020年，总计6颗中轨卫星提供国际搜救服务。

北斗系统还持续与其他卫星导航系统开展协调合作，推动系统间兼容与互操作。在中俄总理定期会晤委员会框架下，成立了中俄卫星导航重大战略合作项目委员会，签署了一系列合作协定和联合声明，围绕兼容与互操作性、增强系统与建站、联合应用等领域开展务实合作，促进北斗系统与俄罗斯的格洛纳斯全球卫星系统的优势互补和融合发展。建立中美卫星导航合作对话机制，签署了《中美卫星导航系统（民用）合作声明》和《北斗与GPS信号兼容与互操作联合声明》。在国际电信联盟框架下，北斗系统和GPS系统实现了射频兼容和系统间的互操作。成立了中欧兼容与互操作工作组，持续推进频率协调，并在中欧空间科技合作对话机制下开展广泛交流。

在加入国际搜救卫星系统并成为空间设备提供国后，我国将担负起北斗卫星搜救载荷及北斗卫星运行状态的验证监控职责，长期连续监控搜救载荷的运行状态，保障我国所提供的空间和地面设备，以及服务的稳定性和可靠性，为全球用户提供遇险报警服务。随着中俄、中美、中欧卫星导航系统间兼容和互操作合作的推进和深入，未来包括北斗系统在内的全球四大无线电导航系统间的搜救信号均可互相转发，进一步增强全球搜救的服务能力。北斗系统也将随着全球卫星搜救服务一体化深入推进国际化进程，服务全球用户。

五、结论

本文基于北斗系统当前已经具备的全球导航、定位和授时服务能力，亚太区域短报文通信服务能力，结合交通运输行业在导航定位和卫星通信方面的需求，以及推动北斗在交通运输行业应用所作的努力，介绍了北斗系统在中国道路运输重点营运车辆监管与服务方面和中国海域海上搜救服务方面的应用情况和取得的成果。基于中国卫星导航系统管理办公室发布的北斗系统未来发展规划和交通运输行业北斗应用专项规划，展望了北斗系统及其服务在未来交通运输行业走向国际化的前景。通过本文的分析可以看出，北斗系统已经可以为交通运输行业的多个领域提供服务，甚至在未来通过交通运输走出国门，实现北斗的国际化应用推广。在交通运输行业，我国已经可以摆脱对于GPS的依赖，完全使用我国自己的北斗系统，大大增加了交通运输在导航定位和通信方面的安全性和独立性，更好地服务“一带一路”倡议，以自主创新的科技建设交通强国。