极地通信导航及探冰设备现状与发展

郭 鹍 陆 玮 王兴川 王庆鑫 张启明 孙 雷 靳碧耀

（1.中船航海科技有限责任公司 北京 100070；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；3.中交信息技术国家工程实验室有限公司 北京 100011；4 哈尔滨工业大学 哈尔滨 150001）

0 引言

越来越多的商业航运公司意识到通过北极航行可以节省运营成本。以PANGAEA 公司近期交付的9.5 万t 散货船为例，该型船破冰能力满足DNV 冰级规则Ice-1A 级的要求，能够在-20℃的极寒海况下碾碎0.8 m 以下厚度的冰层正常行驶，这说明极区商业航行已具备一定经济性。随着北极航线通航能力不断增强，极区商业航行对通信导航（以下简称“通导”）保障能力需求日益迫切，由于目前执行极区商业航线的船舶较少，考虑到经济型以及研发难度，国内通导厂家对通导在极地特殊应用关注较少。本文对国内外极地通导及探冰设备现状进行梳理，对极地通导及探冰系统应用的特点、功能性能，以及构成一套完整的极地通导及探冰系统进行了一定分析和研究。由于北极地区自然环境的特殊性，通导设备保障需求在极地高纬度、高寒地区应用与常规中低纬度呈现不同表征，例如惯性位置误差随航行时间累积变大、卫导接收机工作性能下降以及高频通信受到较大的干扰等现象，并且导航雷达需要具备浮冰和小冰山探测能力。上述区别的存在使船舶在极区商业航行面临着较大安全风险，常规通信导航需通过研究改进以适应和提升通导在船舶在北极地区安全航行保障能力。

1 国内外现状

1.1 极地通导设备现状

1.1.1 极地商用通信及设备现状

由于北极高纬度地区特殊的地理位置以及恶劣的气候条件，北极航线沿岸具备的MF/HF SSB、DSC、高频无线电台等地面短波系统通信能力弱，数据信息传输速度低且系统稳定性差。而卫星通信系统具有覆盖范围广、通信距离远和传输速度快等特点，利用卫星接收机通信已成为北极船舶通航的必备通信手段。

美国在极地卫星通信具有领先优势，主要有过渡极地系统（interim polar system，IPS）、卫星数据系统（satellite data system，SDS）、移动用户目标 系统（mobile user objective system，MUOS）、铱星系统（Iridium）、增强极地系统（enhanced polar system，EPS）和星链系统（Starlink）[1-9]。美国SpaceX公司Starlink低轨宽带卫星系统已投入使用，预计将使用新的互联网信标以及星间激光通信技术，最大限度地减少通过地面站中继数据的时间损失，为北极地区提供高速互联网覆盖。

国际海上航行通信中应用频率较高的为国际海事卫星系统，是安装在通航船舶上的海事卫星通信站，包含直径约1 m 的抛物面天线以及相应的通信设备。电话通信采用调频方式，电报通信采用移相键控调制方式，目前已更新至第5 代[10]。该系统采用3 颗主用卫星加1 颗备用静止轨道卫星的组网方式,通过L、C、Ku、Ka 多个波段提供船舶通信服务。但该系统尚未完全覆盖两极高纬度地区，在北纬75°以北的高纬度极地海域会出现信号失锁现象，从而无法为北极航线船舶提供卫星通信服务。

中国目前也在北极圈设立了中转站[11]，并且我国北斗卫星导航系统特有的短报文功能可通过北斗接收机与多方通信，可实现对北极东北航道的部分覆盖。

1.1.2 北斗卫星导航系统极地区域现状

北斗卫星导航系统是我国自主研发设计的卫星导航系统，2019 年，北斗三号（BDS-3）完成了卫星的发射及部署。目前，北斗接收机在商船已经有一定应用，常规纬度下性能与GPS 相当。对于北斗接收机在极地的定位性能，国内部分学者进行了相关研究，总体来看，信噪比SNR 整体水平相比低纬度地区更低，多径效应更加严重，需在数据预处理中予以考虑[12]。电磁环境和自然环境与中低纬度地区相比差别较大。北极地区为高纬度地区，大气层比其他纬度要稀薄，电离层延迟与对流层延迟等也会与低中纬度地区有很大的不同，这些因素都会对北斗接收机观测数据的质量产生很大影响，从而影响北斗的定位精度，因此国内有采用对流程延迟模型以及双频消电离层组合来减少北斗接收机接收误差[12-15]。

极地环境下的北斗数据质量以及定位精度情况受到了很多专家学者的关注。左宗等［12］分析了极地的北斗精密单点定位性能，GPS 与北斗组合优于北斗单系统定位，发现极地地区的北斗数据质量受度角影响较大，多径明显且信噪比低于低纬度地区的北斗数据信噪比。韩宇等[16]通过计算极区环境下卫星可见性、高度角以及精度因子等主要导航指标对北斗三号在极区导航定位的性能进行研究，并设计了一种基于创新型星座的北斗三号系统，在高对流层下比GPS 更具有定位优势。

与中低纬度地区对比，北斗三号卫星导航接收机在极区正常工作需加强抗电磁滤波算法设计、抗多径设计、卫星导航信号可靠跟踪技术及高精度定位技术等关键技术研究。基于开环信号稳定跟踪等技术研究，高纬度地区应用需加强天线极区低温可靠性保障技术，提升北斗三号卫星接收机在高纬度地区的工作性能。

1.1.3 极地高纬度坐标系及惯性导航系统研究现状

在计算机受算力限制的平台惯性导航年代，为克服极区导航难题，游动方位惯导系统和自由方位惯导系统在极区导航上得到了应用。1957 年，美国的鹦鹉螺号核动力潜艇成功驶入北极并进行了巡航，其所配备的Mark19 和Mark23 陀螺分别采用了游动方位惯导编排与自由方位惯导编排，但当潜艇进入北极之后，定位精度开始下降，在纬度升高到88°之后失去导航能力[17]。图1 为载体过极点时的航向变化示意图。

图1 载体过极点时的航向变化示意图

由于经线圈在高纬度地区的快速汇聚，导致惯性导航系统的导航定位误差随纬度升高而快速下降，同时游动方位角和自由方位角会失去定义并导致位置矩阵失去定义，舰艇的航向无法计算与表达。游动方位和自由方位机械编排仅适合于高纬度地区惯性导航系统使用，不能在极点附近工作，而且在高纬度地区工作时的导航定位误差明显变大。

2009 年，北极导航的权威专家GREENWAY在其著作中重新提出了格网坐标系下的惯导力学编排，对以前的格网坐标力学编排进行修正，避免了纬度升高经线收敛造成的定向参考难题，使格林威治格网导航编排成为目前适宜极区惯性导航的编排方案。

目前，美、俄等国在极区船用导航领域已拥有相对成熟的方案。2015 年8 月，美国海狼号潜艇突破北极点的冰层，验证了潜艇在北极区的破冰能力并表明了其可在任何水域航行的能力。俄罗斯在2015 年开展了北极冰面下核潜艇演习；2016年，2 艘核潜艇在北极冰盖进行了通航训练，2019年开展北极圈内的两栖作战演习，并展现出了极为丰富的极区作战经验，从而也从侧面说明国外在极区航海导航与定位保障技术方面已达到一定的成熟水平。

国内，海军大连舰艇学院王海波等[18]于2016年在构建横向坐标系及伪经纬网的基础上,给出了横向惯导与传统惯导间导航参数的转换关系,推导了横向地理坐标系机械编排。哈尔滨工程大学程建华等[19]在2022 年提出了适用于空间稳定型惯导系统的极区导航算法，运用仿真进行验证，克服了极区导航计算溢出与误差放大的问题，提高了极区导航精度。

综上，国外对极区导航的研究相对较早，经过大量的研究和实践，已经取得了一定的科研成果和实践经验。加拿大、美国、俄罗斯和挪威等围绕北极圈分布的8 个国家，在较早时期已对极区的导航问题开展了大量的研究工作，目前已经得到较为成熟的解决方案，能够实现舰艇在极区的正常航行。相较于国外领先的研究水平，我国在惯性导航系统极区工作的研究并不落后，格网惯性导航系统、横坐标惯性导航系统均有不少研究机构进行深入研究，但多采用理论仿真进行研究，运用于实际穿越极区的惯导系统较少，缺乏针对极地应用的设计和规则，极区导航性能的提高仍是国内研究人员近几年研究的重点和难点。

1.1.4 极区电子海图现状

极区电子海图是具备在极区航行监控、实施航行计划的电子海图信息与显示系统，通常集成在船桥部位，叠加显示船基探测的雷达探冰信息、卫星传输的遥感信息，并可通过卫星互联网更新图源和改正数据。对比国外电子海图信息与显示系统软件，国内这几年在综合船桥以及电子海图产品上发展较快，但是还未能在散、集、油、气四大类主流商船上得到规模应用，极地航行验证认证和极地多种投影功能支持尚待进一步完善，部分产品能够满足 ECDIS 设备软硬件标准[20]，在产品设计上多以电子海图、导航雷达、Conning 等各个独立设备的组合。

极区电子海图数据方面，目前英国海道测量局（United Kingdom hydrographic office，UKHO）可 提供部分极地附近区域的海图，以中小比例尺海图为主，分布情况见图2。由于极地环境的特殊性，获取极区详细精确海图信息的难度巨大，需投入的财力、物力和人力十分可观。种种困难导致目前已有的海图数据只能表示部分海域，加上航标等指示信息较少，航行有一定困难。

图2 UKHO 极区海图数据分布情况

极区投影是极区电子海图研究重点之一，在中低纬度航海图中，通常选取墨卡托投影作为海图的投影方式。但是高纬度地区并不适合使用墨卡托投影，随着投影纬度的增大，在投影图上的面积变形与长度变形也会随之增加，当到达极点附近则为无穷大。

通常在纬度±85°以下的区域采用墨卡托投影，在纬度85°以上的南北极地区则采用日晷投影（如下页图3 所示）或者UPS 投影。日晷投影可用于较小比例尺下极区大圆航行，UPS 投影可用于较大比例尺下极区航向和航程的量算等。当由墨卡托投影海图跨至纬度85°以上区域时，切换至日晷投影或UPS 投影；由日晷投影或UPS 投影海图跨至纬度85°以内区域时，切换至墨卡托投影。

极区投影形式多样，综合考虑制图区域的空间特征、图幅用途和表示专题等多方面的因素，尽量选择投影变形小、投影变形均匀及经纬网形状简单易于认知的方式。目前国内外学者对极区日晷投影、极球面投影和高纬度墨卡托投影、极区高斯投影、横轴墨卡托等极区投影方法研究比较深入。

1.2 极地探冰设备现状

1.2.1 探冰雷达现状

传统冰雷达以陆基应用为主，在冰盖探测需求的推动下，冰雷达得到了快速发展。雷达体制从单脉冲发展到脉冲调制、调频以及合成孔径，同时雷达探测方式也从多基探测到多极化同步测量。冰雷达传统移动搭载方式有车载以及机载。机载方式探测范围较大；车载方式与船基座相类似，一般用于小范围探测，目前国外的船基探冰雷达探测范围通常在4.0 n mile（雷达rcs 在1～ 5 m）。国内导航雷达对于极地动平台下的探冰任务研究还处于起步阶段，环境适应性设计不满足极地低温环境工作，性能方面尚未重点关注探冰可靠性以及冰层预警技术，仅维持在船用导航雷达自身领域。

在船载探冰雷达应用领域，加拿大RUTTER有针对极地航行的探冰开发探冰雷达系统，利用海冰目标特征匹配的识别算法，对于碎冰及小冰山具备较好的探测能力。其中，我国“雪龙”号科考船就使用了加拿大RUTTER 的探冰雷达系统。

（1）加拿大RUTTER 的探冰雷达系统

RUTTER 探冰雷达天线具有温度自动调节功能，保障其电子器件能在极区低温环境下有效运行，防止极地低温环境带来的性能降低或故障。RUTTER 探冰雷达系统可接入国际主流如SAM、Sperry、古野和JRC 等品牌导航雷达的天线收发机单元，支持数字信号和模拟信号接入，但模拟信号要求原始的方位、触发、船首和视频信号，具有较强的系统扩展性。下页图4 展示了普通雷达与RUTTER 探冰雷达的对比图，RUTTER 探冰雷达可清晰展示岸冰轮廓以及明显的冰山轮廓，而普通雷达图像则无法显示。同时，RUTTER 在得到更佳图像的同时，也开发出了类似ARPA 的冰相关目标捕捉能力，并具备冰区预警功能。冰层图像较为锐利，船载探冰能力得到一定增强。

图4 RUTTER 探冰雷达与普通雷达图像对比图

为了保护加拿大东北部的石油平台，RUTTER在20 多年前就开始涉足探冰雷达领域。相比于近几年市场上涌现的探冰雷达产品，RUTTER 探水雷达具有丰富的冰层数据和完整的场景测试，性能更优且功能更为满足用户实际使用需求，因此，RUTTER是目前探冰雷达领域应用最广的产品制造商。

（2）瓦锡兰船商探冰雷达系统

瓦锡兰船商具备完整的极地航行通导系统解决方案，其探冰雷达系统架构与RUTTER 探冰雷达系统相同，并可与RUTTER探冰雷达系统互联互通。瓦锡兰船商也采用了先进的智能信号处理算法识别极区海冰，与普通雷达图像对比如图5所示。

图5 船商普通雷达和探冰雷达效果对比图

1.2.2 水声探冰技术及装备现状

目前水声探冰设备主要以前视声呐为主。国外前视声呐技术起步早，如英国Sonardyne 公司推出的Vigilant 前视声呐、美国FarSounder 公司研制的Argos 1000 前视声呐以及英国的EchoPilot 公司的FLS 3D 等产品可探测船前方水下一定范围内的浮冰、岩石、沉船、沙堤和其他水下障碍物，已形成一套从技术设计到设备研制、试验的成熟体系。

美国FarSounder 公司研制的Argos 1000 前视声呐系统能够以最高25 kn 的操作速度可靠地探测水下障碍物和船前方 1 000 m 以内的各种水中目标。该设备可引导大型船只安全通过未知水域和危险环境。探测的数据以3D 方式显示，更新时间小于2 s，可将撞到珊瑚礁、大型鲸鱼和冰山的风险降到最低。Argos 1000 已经安装在ABS、DNV 和Lloyds 船级社认证的船上，产品探测浮冰效果图如下页图6所示。

图6 产品探测浮冰效果图

Argos 1000 换能器通常安装于船头位置，用一个和船体齐平的整流罩保护起来，当破冰时，换能器缩回到船体，整流罩可防止冰进入船体。图7 为一艘经常航行于南极洲的船上所安装的Argos 1000换能器实物图。

图7 Argos 1000 换能器的安装实物图

英国EchoPilot 公司的最新声呐产品FLS 3D 可探测船前方水下情形，从而将海底地形和船前方潜在的危险障碍物以三维场景显示出来。FLS 3D 配备了2 个可伸缩传感器，可以探测的视野范围为船前方水平面60°以及垂直面90°范围，向前和向下的探测距离最大分别可达到200 m 和100 m。FLS 3D 的显示器更新速度最快可达1 s，这样有助于实时掌握前方的潜在危险。FLS 3D 工作效果图如图8所示。

图8 FLS 3D 工作效果图

国外主流产品的技术指标对照如下页表1所示。

表1 技术指标对比

与国外声呐技术相比，国内在声呐领域的研究起步较晚，主要以代理外国公司产品为主，基础相对薄弱，一般适用于UUV、ROV 和无人船水中短距离目标探测和识别。

2 问题及差距分析

综合对比分析国内外的现状，国内高纬度通导及探冰设备与国外差距概括为以下几点：

（1）整体性能与国际主流产品差距较大，设计层面未考虑在极地应用环境以及相关关键技术，缺乏统一的极地时空基准以及卫星/惯导组合手段，对极地海图及环境场景应用特殊性考虑不足，需要研制解决。

（2）缺乏对船舶周边冰区等碍航物探测手段，导航雷达还是以常规方式、常规纬度使用为主。国内前视声呐产品厂家不多，受相关学科技术水平和产业化程度的制约，技术基础与国外优秀厂家还有一定差距，多种声呐技术应用处于空白阶段。目前市面上的产品工作频率都比较高，导致产品只能用于近距离的目标检测和识别，无法实现更远的作用距离和探测能力。

（3）其他通导产品技术指标与国外同类产品差距不大，但是性价比不高，市场竞争力一般。产品在支持长航时运行的可靠性、稳定性以及极地低温条件下还存在部分短板，并且受系统设计能力影响，国内通导系统打包构建系统能力对比国外同类系统尚有进步空间。

3 极地通导、探冰系统组成及设计思路

3.1 极地通导、探冰系统组成

极地通导及探冰组成与常规通导系统硬件组成类似，下页图9 是通导探冰系统的组成的示意图，针对极地设计主要是导航雷达增加探冰功能，以及各传感器设备极地地理环境特点进行针对性设计，例如：高纬度坐标系应用、天线环境适应性设计等。

图9 极地通导及探冰系统组成示意图

3.2 设计思路

针对极地应用建立一套高纬度地区的时空基准模型，解决现行“经纬度地理坐标体系”对方向的描述和表示问题，超越常规导航解决极区导航定位的问题；同时，解决在极地高速率通信卫星通信的问题；其次，随着北斗三号全球定位系统应用，极地卫星导航需要重点解决低温条件下天线可靠性问题，此外利用卫星与惯性传感器构成组合导航系统，克服单一导航源存在的诸多问题；最后，通过极地海图电子设备融合叠加多源探冰数据，并结合雷达探冰、水深测冰等综合手段，保障船舶安全航行。

综合以上，通过对常规通导系统研制改进，增加时空基准模型、高动态海图融合综合多源数据、卫星/惯性组合导航以及综合探冰信息手段，解决船舶在高纬度航行时定位困难、时空基准统一难点、低温条件导航设备无法工作一系列关键问题，有效保障船舶在高纬度冰区安全航行。

3.2.1 极地高速率通信接收机研究

研发卫星融合通信网络智能轮巡监测技术，搭建极地卫星通信监测环境，分析极地卫星信号强度、通信容量、传输带宽、网络规模和覆盖范围等多种因素的动态变化，对极地卫星通信链路进行优化，实现不同卫星通信系统的动态融合衔接与链路自适应切换，提高卫星通信资源利用效率。近年来，我国卫星通信系统建设速度不断加快，相关领域成果与国外同类系统的差距也在不断缩小。从整体上看，当前没有任何一种国内外卫星通信系统能够同时提供中低纬度地区和南北极地区的高速卫星通信服务。由于通信系统建设成本等因素的限制，能够同时覆盖中低纬度地区和南北极地区的卫星通信系统，往往通信速率较低，难以满足大容量、高速率通信信息服务需求；而具备高速通信服务能力的卫星通信系统则难以覆盖极地高纬度地区。与此同时，由于不同轨位、不同频率通信卫星系统之间相互独立，导致现有卫星通信装备无法同时接入不同轨道层次与不同频率的卫星通信系统，需要安装大量不同厂商、相互独立的卫星天线等终端设备以实现跨系统通信功能，且不同卫星通信系统之间存在整合程度低、覆盖范围差距较大与通信链路无法自动切换等问题，严重制约通信系统资源利用效率和数据传输速率。因此，为满足跨纬度、长距离、高速率和高可靠性的卫星通信需求，在船端有必要对不同卫星通信系统进行终端层面的整合，实现多种卫星通信系统的全面兼容与自动切换，进一步提升极地卫星通信服务保障能力。

3.2.2 极区高纬度坐标系及导航定位设备设计思路

卫星接收机在极区正常工作需要针对高纬度地区特点进行验证和研究，例如：北斗卫星导航接收设备信号跟踪环路设计在高纬度地区电离层闪烁环境下的信号跟踪失锁问题，需要采用合理的电磁闪烁跟踪环路应力分析，进行现有接收设备跟踪环路设计研究及电离层闪烁环境载波可靠跟踪技术研究等适应性设计研究；另外，基于开环参数估计的抗电离层闪烁载波跟踪技术也是一个需要迫切需要解决的问题。

尽管各种坐标系机械编排和初始对准方法已被提出用于解决惯性定位设备在极区寻北能力差的问题，但在极端条件下，信息网络系统（information network system，INS）不能单独完成导航任务，需要采用其他导航方式组合，不同的导航源在姿态、速度、位置维度上形成信息的冗余和互补，从而达到提高导航精度和系统鲁棒性的目的。几个迫切需要解决的问题包括高纬度新导航坐标系应用、极地导航应用环境研究、极区组合导航多传感器信息融合算法研究。解决高纬度坐标系建立及双坐标系模式切换阈值，在两种模式交替工作的综合导航系统中，计算机需要不断实时根据当前导航位置信息来判断何种工作模式最优，而判断的依据便是在当前(或附近)位置工作时误差发散速度的快慢，从而确定坐标系切换阈值。

3.2.3 极区电子海图设计思路

电子海图是船用导航信息承载的基础平台，极区电子海图除了对标国外需满足S52 海图显示规范标准、S57 数据传输标准和S64 测试项等[21]，主要有以下几个方面内容需要开展研究与实施：

（1）极区电子海图需支持日晷投影、通用极球面投影、高纬度墨卡托投影、极区高斯投影和横轴墨卡托等极区投影算法。在提高投影精度方面，对于各种投影方式能够根据投影区域位置和效果进行相关投影参数的调整设置，同时用户可根据航行需要进行投影方式的切换。

（2）通过极地多链路卫星设备接收多尺度的海量卫星遥感信息，它为极地电子海图集成遥感影像提供了丰富的影像数据源。

（3）此外，针对极地子海图适用环境及功能性能要求，综合考虑所在海域冰情信息、适航信息以及航行距离等因素，通过高纬度坐标系对航向等参数的协同，形成高效、稳定、功能完备的极区电子海图航线规划功能，实现电子海图所需要的极地高纬度投影核心算法，完成系统电子海图数据结构设计，增强应用的灵活性和适应性。

3.2.4 极区综合探冰技术设计思路

极区探冰技术发展目前主要包含探冰雷达、声呐和红外等方式，其中以探冰雷达技术较为成熟。探冰雷达是船舶通航北极重要船载探测设备，主要目的是为了解决极区海冰弱目标识别以及小目标冰山识别，核心是极区海浪杂波抑制和目标检测，针对海杂波统计理论特性、非线性理论特性和构建海杂波多维特征空间三方面展开研究。然而海杂波统计特性复杂多变，单一的非线性理论模型又无法全面描述海杂波的物理特性，大多数对海杂波多维特征空间的研究是基于海杂波时间序列信息提取的，忽略了对区分目标与杂波十分有益的空间信息，杂乱的海杂波进而导致了海冰目标检测的困难。因此，基于探冰雷达的极区海杂波抑制及海冰检测技术是解决探冰雷达探冰性能重要设计。

水声探冰技术也是探冰系统设备构成完整系统的关键，通过信息集成和统一管理将探冰设备有机地形成一个整体，综合后可直观和方便地监测船舶周边浮冰状态、海洋环境并预警潜在危险。

4 结语

极地航线未来将缩减航运里程，一定程度上节省航运成本，并且能为我国提供更多的能源和资源备份通道，降低能源和经济的安全风险。从综合性能和极地环境适用性上来看，国内通导厂家与国外厂家还有一定差距，有待进一步针对性设计推出适用商用船舶极地航行配套的通导及探冰系统，并进行深化设计以及逐步改进，支撑我国极地商业船舶极地航线运营。