北斗卫星导航系统在海上的应用

文|华程

中博信息技术研究院有限公司

一、前言

北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。北斗系统具备导航定位和通信数传两大功能，提供七种服务，分别是定位导航授时（RNSS）、全球短报文通信（GSMC）、国际搜救（SAR）、星基增强（SBAS）、地基增强（GAS）、精密单点定位（PPP）、区域短报文通信（RSMC）。

2020 年3 月11 日国际电工委员会（IEC）正式发布首个北斗船载接收设备检测国际标准（IEC 61108-5），对于推动北斗全面进入船载综合导航系统、自动识别系统、全球海上遇险与安全系统应急示位标、电子海图和信息系统等相关IEC 标准，持续推进北斗在国际海事领域的广泛应用，具有重要的意义。北斗系统通信导航一体化的技术优势，不仅摆脱了对美国GPS 的依赖，维护国家安全，还具备比GPS 系统更广泛的应用前景。

二、海上通信导航业务系统现状

1. 海上通信业务

目前我国海上通信业务主要承担相关国际公约规定的海上遇险安全通信、安全信息播发等公益性业务，以及国际搜救卫星系统（COSPAS-SARSAT）遇险搜救业务（SAR）。

（1）遇险安全通信

遇险安全通信直接影响到船舶遇险报警值守和遇险船舶救助。为确保全球各国或地区船舶安全航行和遇险安全通信需要，IMO 要求各缔约国或地区政府通过自建或政府间合作，尽可能对全球各海域分别形成甚高频（VHF）、中频（MF）和高频（HF）岸台的连续或全面覆盖。DSC（数字选择性呼叫）是使用与VHF、MF/HF SSB（单边带模式）相连接的DSC 终端进行的遇险、紧急、安全和日常通信呼叫的一种数字通信系统。DSC 采用的代码发送信息方式，使用复杂，效率较低，特别是在紧急情况下更加难以良好地使用，而且不能独立发送定位信息，需要GPS 系统设备配合。无线电话是窄带语音通信，通过特定人工频率协调方式切换合适信道进行单工/双工语音通信，MF 频率依靠地波传输距离不远，HF 依靠天波传播，传播环境不稳定变化大，通常在VHF 频段使用单工通信比较多，传播距离更小。NBDP（窄带直接印字电报）实现了船舶之间以及船舶与岸台之间的双向报文通信，也可用于海上安全信息播发。

（2）海上安全信息播发

GMDSS 中主要涉及七种海上安全信息（MSI）：航行警告、气象警告、冰况报告、搜救信息、气象预报、引航业务（不包含美国）和电航信息系统的更正信息等。GMDSS 海上安全信息使用专用广播频率。海岸电台安全信息播发系统由一个分系统和一个辅助系统构成，即航行电传系统（NAVTEX）和HF NBDP 系统。还有气象传真图、传统MF/HF无线电报、MF/HF/VHF无线电话等其他非主流方式，播发MSI 的主要方式依然是NAVTEX。NAVTEX 系统服务于近洋航区，HF NBDP 辅助系统服务于远洋航区。由于HF 传播的不确定因素很多，传播环境变化大易不稳定，日常依然以NAVTEX 播发为主。但是NAVTEX 使用486/518kHz 频率播发，受岸台的覆盖范围限制，覆盖范围有限。

（3）常规通信

常规通信主要是与沿海、近洋和远洋船舶电台进行MF/HF 无线电话通信和无线电报通信。除此之外，深海通信主要以美国Inmarsat 卫星通信为主。Inmarsat 卫星通信系统是地球同步轨道卫星通信系统，经过多年发展，目前已发展到技术应用成熟的第五代全球覆盖的卫星通信系统，除了地球两极地区外可实现全球覆盖。一方面Inmarsat 系统也是美军使用的系统，存在较大的安全隐患；另一方面，该系统通信资费较为昂贵，对船舶的要求较高，在船舶中并不普及。

（4）搜救卫星遇险搜救

搜救卫星系统通过接收用户遇险示位标发送的报警信息，并计算其遇险位置信息，将遇险信息转发至搜救机构进行救援。中国搜救卫星系统自投入运行以来，为在中国搜救服务区范围内的海上、空中和陆地用户提供遇险报警服务，通过国际搜救卫星系统西北太平洋数据节点，向全球用户发布遇险报警信息，为中国和境外的遇险搜救指挥部门实施救助行动，提供了有力的支持和帮助。国际搜救卫星系统分为低轨道搜救卫星系统（LEOSAR）、静止轨道搜救卫星系统（GEOSAR）和中轨道搜救卫星系统（MEOSAR），我国目前已经支持LEOSAR 和MEOSAR。搜救卫星系统的不足是定位精度不高，而且发送遇险报警后，由于没有通信机制，难以收到搜救机构的确认反馈信息。

2. 船舶管理业务

船舶交通管理系统（VTS，vessel traffic service）是目前船舶管理的主要业务系统。VTS 是利用船舶自动识别系统（AIS，automatic identification system）基站、雷达、视频监控、无线电话，以及船载终端等通信设施监控航行在港湾和进出港口的船舶，并给这些船舶提供航行中所需的安全信息的一种系统。通过该系统可监控船舶的航路脱离与否、行进方向、速度、船舶相互交行等，以向船舶迅速地提供进出港时所需的安全航行信息。其中获得船位的AIS 系统主要是依靠美国GPS 系统来获得位置信息，在当前国际形势下，存在很大安全隐患。

三、北斗海上业务应用分析

海上业务通信覆盖困难，对位置服务有强烈要求。基于北斗系统的服务能力和水上业务需求，北斗通信导航一体化的技术优势，除了满足水上基本的定位业务需求外，在数据采集、信息播发和基本通信服务方面与水上业务十分契合。此外，GMDSS 现代化的一个基本特征是数字化，时频基准服务也将会是GMDSS 系统现代化的重要组成。北斗海上业务应用范围如图1 所示。

图1 北斗海上业务应用示意图

1. 全球船舶信息动态跟踪

目前广泛应用的船舶位置跟踪系统是AIS/LRIT系统。但是AIS 主要是依靠岸基的AIS 基站来获取船舶位置信息，有效范围主要在A1 海区（离岸21海里区域）。船舶远距识别及跟踪系统（LRIT，long range identification and tracking of ships）获得船位信息一方面需要船舶另外搭载卫星通信系统支持，另一方面是其位置信息更新周期超过6h，实时性不高。而且目前船舶位置信息基本是基于GPS 系统的，存在很大的安全隐患。

北斗系统既支持定位又支持短报文通信，通过船舶搭载支持短报文通信的北斗定位终端，可以很好地解决船舶信息动态跟踪的定位和通信需求。特别是在深远海区域，基于北斗系统的船舶信息动态跟踪更具有优势。北斗全产业链所有元器件基本实现了国产化，设备更加简单，系统成本低，性价比高。

而且AIS 系统中将GPS 定位替换为北斗系统，同样可以实现AIS 的系统功能。我国东海航海保障中心已经在水上交通建设中应用北斗，为北斗行业应用提供了良好的经验。

2. 海上设施虚拟化

海上比较重要的设施是航道、航标、锚地、灯塔等。一直以来，航道、航标等的维护都是海事部门的重要工作，耗费了大量的人力物力。为了简化管理，建立航标遥测遥控系统，简化了巡检，也降低了设施维护成本。而在海上，通信网络难以覆盖，主要依靠卫星通信，而传统的卫星通信不仅设备复杂、资费昂贵，而且还需要单独配备定位装置。北斗终端设备简单，可集成定位和短报文通信，能够对海上设施位置、状态等进行监测，判断航标是否发生位移。

待北斗系统在水上广泛应用后，结合电子地图，可以将各种水上设施虚拟化，通过北斗系统在电子地图上更新，为船舶广播各类设施的位置、信息的更新。

3. 安全信息播发

目前海上安全信息播发主要通过NAVTEX、EGC（增强型群呼）以广播方式播发。其中NAVTEX 主要覆盖沿海区域，免费使用，远海主要通过收费的EGC 覆盖，并且要求船舶搭载Inmarsat卫星船载终端。NAVTEX 的不足是覆盖范围有限。EGC 的不足是设备复杂、收费，而且对船舶缺乏针对性。

北斗短报文系统，不仅支持MSI 信息播发，还能够面向部分船舶发送特定航运信息，而且设备简单能够覆盖全球。在A3/A4 海区（A1 海区，是指至少由一个具有连续数字选择呼叫报警能力的甚高频岸台的无线电话所覆盖的区域；A2 海区，是指除A1 海区以外，至少由一个具有连续DSC 报警能力的中频（MF）岸台的无线电话所覆盖的区域；A3 海区，是指除A1 和A2 海区以外，由具有连续报警能力的国际海事卫星组织（INMARSAT）静止卫星所覆盖的区域；A4 海区，是指除A1，A2 和A3 海区以外的海区）可替代EGC，中远海中区域中文安全信息播发可部分替代NAVTEX。

我国北海航海保障中心建设的北斗应用平台，包含安全信息播发平台，订制获取并向船舶发送航行警（通）告、气象警报、气象预报、冰况报告等航行安全信息，很好地服务于渤海湾区域。

4. 全球船舶遇险应急报警

目前海上应急报警主要是通过应急无线电示位标（emergency position indicating radio beacon，EPIRB）实现。通过COSPAS-SARSAT 搜救卫星系统接收遇险报警信号，计算遇险位置，将位置信息发给搜救协调点，开展搜救工作。北斗有6颗卫星加入了国际搜救卫星系统，目前COSPASSARSAT 搜救卫星包括GPS、伽利略、GLONASS 和北斗。因此北斗不仅支持传统的搜救卫星遇险报警功能，还支持北斗自有的遇险报警机制。COSPASSARSAT 采用的定位方式是有源定位方式，定位精度不高。北斗可以采用无源定位和短报文通信，提供更高的定位精度，具有更加丰富的遇险报警功能，北斗的应用更加灵活。

各类船舶均可搭载北斗应急遇险报警终端，还可以兼容COSPAS-SARSAT EPIRB，实现多种遇险报警方式。而COSPAS-SARSAT EPIRB 主要面向从事国际航线300t 及以上的货船、从事国际航运的客船以及国内从事沿海航行的船舶。北斗遇险报警系统功能如图2 所示。

图2 北斗遇险报警系统

四、结束语

海上通信导航长期以来都是由欧美国家主导，特别是卫星导航系统，更是威胁国家安全。北斗系统通信导航一体化设计，不仅在技术上领先，而且在应用上具有更加灵活的优势。海上业务对通信和导航都有强烈需求。传统的海上通信导航技术，一方面存在技术落后、设备集成度低、系统臃肿的问题，另一方面又有SOLAS 公约（国际海上人命安全公约）、GMDSS 体系的限制，已经不能够适应海上技术发展的需要和用户新的业务需求。北斗系统已经被国际电信联盟（ITU）、IMO 组织认可，使用北斗系统不仅能够满足公约要求，更加契合海上通信导航业务，完全能够满足海上安全信息播发、遇险报警、应急搜救、船舶安全监管、航标管理等海上典型业务需求，而且设备更加简单，系统集成度更高，具有更加广泛的应用前景。