北斗卫星导航系统在海事管理中的应用研究

第19卷 第12期 中 国 水 运 Vol.19 No.12 2019年 12月 China Water Transport December 2019
收稿日期：2019-07-20
作者简介：张
杨，交通运输部规划研究院，工程师。

北斗卫星导航系统在海事管理中的应用研究
张 杨
（交通运输部规划研究院，北京 100028）
摘 要：当前我国北斗卫星导航系统正在加快组网建设，2018年底，我国北斗三号系统已基本完成建设，并开始提供全球范围服务。

同时，交通运输部投资建设多个北斗地基增强系统，北斗系统在海事管理的应用对于加快建设智慧海事、提升管理部门监管水平和服务能力均具有十分重要的意义。

本文结合海事管理职能，分析了海事业务各类用户对北斗卫星导航系统的时空需求，结合现状提出北斗相关应用系统的建设需要，为管理部门和行业用户提供一定的参考。

关键词：北斗卫星导航系统；海事管理应用
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）12-0026-03
一、北斗卫星导航系统简述 1．概述
北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统，也是国家重要空间基础设施，能够为全球提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务[1]。

这是继美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）之后的第三个成熟的卫星导航系统，与GPS、GLONASS 和GALILEO 成为目前联合国卫星导航委员会认定的核心供应商。

图1 北斗卫星导航系统
2．北斗二号系统
“北斗二号系统”是对北斗卫星导航系统第二阶段的代称。

我国于2007~2012年，发射14颗北斗二号卫星，于2011年提供测试相关服务，2012年12月27日起正式提供对外服务，范围包括中国以及亚太等大部分地区。

空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。

3．北斗三号系统
2018年底，北斗三号已完成基本系统建设，向全球提供服务[2]。

北斗三号具备定位、导航、授时等全球基本导航服务能力，基本性能与GPS 相当，同时还能够提供短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等特色化服务。

2020年北斗将全面完成系统建设，服务范围覆盖全球，2035
年前国家还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。

据悉，2019年我国还将发射6~8颗北斗三号卫星，进一步加快全球组网进程。

截至2019年6月，我国已成功发射46颗北斗导航卫星，也是第21颗北斗三号组网卫星，北斗三号的全面应用指日可待。

二、北斗卫星导航系统应用特点分析
北斗卫星导航系统采用三种轨道卫星组成的混合星座，受益于高轨卫星数量多，抗遮挡能力优势更为明显；北斗系统采用多频点组合的导航信号，通过多信号兼容组合解算等技术，可以有效提高服务精度[3]。

我国卫星导航应用特点体现在以下几个方面：
（1）北斗系统建设提速
以GPS 为代表的美欧长期主导卫星导航应用产业，为更好掌握卫星导航关键数据，保障国家安全与人民生活，近年来各国都在加紧建立本国卫星导航系统。

我国在大力推进北斗卫星导航系统建设的过程中，也十分重视北斗系统的应用推广工作。

在交通运输部投资建设的多个项目中，对国产化程度有着明确的要求，自主应用北斗系统是大势所趋。

（2）高精度应用发展
随着导航系统应用拓展和业务需求的提升，对精度的需求已从早期的几十米级向一般厘米级发展，美国ION 大会上对一般民用需求已经提高到了高精度级。

导航应用方面将呈现出由一般精度向高精度过渡的明显趋势。

北斗三号系统明确提出将增加星基增强服务；交通运输部门在我国重点港口、航道、内河、高等级公路等区域，正推进建设北斗卫星导航地基增强系统。

在不久的将来，卫星导航增强服务将面向公众用户开发，以提供更好的服务。

（3）高可用导航
新型的应用需求迫使卫星导航系统由基本导航服务向高可用导航过渡。

例如，在水上交通领域，航道级导航、船舶
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安全靠泊对导航精度和完好性提出了新的需求，未来星基和地基增强系统必须具备兼容多星座、多频导航信号的能力。

（4）多模导航兼容
兼容互操作是指多卫星导航系统不干扰彼此服务或信号，联合多系统提供的服务，为民用用户提供更优性能[4]。

在世界多卫星导航系统发展的环境下，兼容互操作将成为导航应用的重要因素和发展目标。

三、海事管理对北斗卫星导航系统的需求
1．应用环境分析
随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、应急搜救、通信时统、海洋渔业、电力调度、救灾减灾等领域。

全国北斗卫星导航标准化技术委员会已于2014年成立，多项北斗应用基础标准正在制定中，北斗应用也将进入标准化、规范化以及通用化的快车道。

国际方面，在交通运输部、工业和信息化部等部门指导下，各机构先后启动了北斗系统进入国际标准等工作。

国际民航组织（ICAO）同意北斗系统逐步进入ICAO标准框架；国际海事组织（IMO）批准发布《船载北斗接收机设备性能标准》，完成北斗系统作为全球无线电导航系统（WWRNS）重要组成部分的技术认可工作；IMO海上安全委员会正式将北斗系统纳入全球无线电导航系统，北斗成为第三个被联合国认可的WWRNS[5]；第三代移动通信标准化伙伴项目（3GPP）支持北斗定位技术标准已获得通过。

北斗已经开启了走向国际民航、国际海事、国际移动通信等高端应用的破冰之旅。

市场方面，北斗三号的28nm射频基带SOC芯片逐步开展应用；最新22nm双频定位芯片已具备市场化应用条件。

数据显示，2018年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到3,016亿元，较2017年增长18.3%，其中北斗对产业核心产值的贡献率已达到80%。

《国家卫星导航产业中长期发展规划》提出，2020年北斗产业规模将超过4,000亿元。

2．应用性能分析
目前，单纯依靠空中星座，用户可达到6m的定位精度。

依靠地基增强系统，不同场景下精度可达到米级、分米级、厘米级。

当前国家和交通行业北斗地基增强系统推进建设，未来将形成覆盖国家高速公路网、高等级内河航道和沿海航道、港口、驾驶员培训场地的厘米级精度增强服务能力。

3．海事业务需求
根据相关法规文件，在海事管理中，除严格意义上的“管理”外，航行保障和服务也是管理部门的重要职责。

而北斗系统定位、导航、授时等服务，在海事管理中能够起到关键作用。

对各类海事业务需求精度分析如表1所示。

四、北斗卫星导航系统对海事管理的应用展望
下面按普通定位和高精度定位展开分析。

1．普通定位精度应用
（1）船舶航行安全
通过北斗终端获取船舶的位置、速度、航向信息，同时，理中心通过短消息功能向船舶发送信息，实现互联互通。

目前渔政部门已建类似系统，装有北斗渔业船载终端的船舶能够被实时显示位置和航迹。

渔船如果遇到危险，可通过终端发送短信求救；若渔船不慎驶入禁渔区或邻国海域，监控部门能够及时通知渔船上的人员，以免渔船被扣押。

海事部门与该监控平台数据共享后，可以获得该类渔船的实时位置和航迹信息，必要时可高效执行应急搜救任务。

表1 各海事业务对卫星导航精度需求表
精度要求
用户类别 应用领域 具体应用 需求描述 需求类型
水平方向（米） 垂直方向（米） 安全监管 船舶定位 显示船舶位置，提供船舶经纬度，并确保数据开放。

定位 1.0
安全救助 可实现对安全救助目标位置的确定及报警。

定位、短消息 1.0
水上安全应急
环境监测 对船舶污染物及水面溢油等进行在线监测，并将坐标、扩散、方向等
数据传回中心。

定位 1.0
航道测绘 航道水下地形快速测绘、洲滩和岸线快速测绘等航道测绘工作。

定位 0.01～0.1 0.01～0.1
航道疏浚 测绘礁石等障碍物的位置及高程，对水下障碍物进行清理。

定位 0.5～1.0 0.01～0.1
水下打捞定位 测绘水下沉船等的位置及深度，协助开展水下打捞工作。

定位 0.5～1.0 0.01～0.1 航道维护/测绘行业
航标管理 监测航标位移及工作情况。

定位 0.5～1.0
海事管理用户
航运执法 警力调度 合理调度警力，实现长江干线警力24h出警。

导航 1.0
船舶定位 显示船舶位置，提供船舶经纬度，并确保数据开放。

定位 1.0
船舶导航 实时获取船舶航向、速度。

导航 1.0
船舶交通
船舶避碰 对船舶设定的DCPA、TCPA实现自动报警提示。

定位 1.0
集装箱/货物管理 实现港内船舶智能调度，提升装卸效率，提高港口吞吐量。

定位 1.0
港口运营
货物装卸 自动化高精度装卸，提升货物装卸效率，节省人工成本。

定位 0.1 0.1
水运行业用户
引航 船舶引航 提高引航效率，降低引航事故发生概率。

导航 1.0
测量测绘 大地测绘、土地确权 卫星定位技术对大地测量测绘。

定位 0.03～0.1 0.05～0.1
地质监测 地质灾害监测 长期观察固定区域位移，预防滑坡、塌陷等地质灾害（事后处理）。

定位 0.01 0.01
航运相关用户
系统授时 航运通信等系统授时 各类系统的同步时间获取。

授时 50~100ns
（下转第44页）
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年左右的货运量连续增加，尤其是高速公路的发展使得货运弹性系数变大，极大地促进了经济的发展。

四、结语
公路运输作为德宏州交通运输系统的主要工具，与德宏州的经济社会发展有着密不可分的关系。

从相关系数、运输强度、运输弹性等方面分析德宏州交通运输与社会经济发展之间的关系表明：交通运输与社会经济的发展高度相关。

当德宏州公路运输能适应经济的需要时，公路运输在自身进步的同时对经济发展起着推动作用；当公路运输滞后于经济的发展时候，就会对经济发展起阻滞作用，当经济的飞速发展而产生量大质高的运输需求时，经济发展就会反作用于公路运输，迫使公路运输的急剧变革和发展，带动公路运输全面融入经济发展之中，成为经济运输化的过程。

因此，实现德宏州经济的持续、快速发展，各级政府应积极推进其交通的发展，大力发展交通运输业，建立高效的综合运输体系。

参考文献
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[5] 杨云贵，薛锋，罗建.湖北经济发展与交通运输的关系[J].
西南交通大学，2008，（05）：114-115.
[6] 倪宏虎，刘小丽.江西经济发展与交通运输的关系[J].南
昌：华东交通大学经济管理学院，2005，（09）：4-7. [7] 杜渐.模糊多元回归模型在运输弹性系数预测中的应用[J].
北京：北京工业大学建工学院，2009，（02）：333-336
（上接等27页）
（2）与浮标集成的海上溢油跟踪
石油运输是海上航运最繁忙的业务之一，过去几年间，海上溢油事故频发。

基于北斗卫星定位技术的海上溢油跟踪监测系统由浮标、北斗卫星定位系统、溢油跟踪监测平台三部分组成。

事故发生后自动/人工将浮标投放在厚油膜层中，浮标随油膜一起漂移。

溢油跟踪监测平台通过北斗卫星定位系统实时接收浮标的位置信息，实现对溢油位置、漂移速度、轨迹、方向的跟踪及对溢油未来走向趋势的预测。

（3）应急搜救系统的应用
1）基于北斗的船舶应急示位标
应急示位标设备可安装在外壳内。

当船舶遇险时，落水后静水压力开关自动触发打开浮离式外壳，并释放出应急示位标主机，主机自动启动工作，通过北斗短消息功能将遇险报警信息（包括：身份识别码、位置信息、险情信息等）及时发送岸基搜救系统。

2）岸基搜救系统
岸基搜救系统由北斗卫星地面站、搜救任务控制中心、搜救中心等组成。

北斗卫星地面站接收遇险报警信息，并通过专网推送到搜救任务控制中心。

移动通信公网、海事通信电台为搜救任务的组织实施提供通信手段，AIS岸基系统提供遇险搜救现场的船舶信息。

2．高精度定位应用
高精度定位应用是普通精度应用的延伸，应用场景更为广泛，但应注意地基增强系统的覆盖范围。

（1）应用于航标遥测遥控
航标遥测遥控系统主要是自动监测航标灯的运行参数和位置信息，使航标管理部门可以实时全面掌握航标的工作状态，并根据工作人员的指示控制航标灯工作。

重点实现两大功能：一是支持单个航标自身进行定位，在有漂偏情况下可以报警；二是具有信息传输功能，能够进行远程控制。

（2）北斗在航道测绘方面的应用
北斗系统高精度定位能力可广泛应用于水上测绘、港口航道测量。

除传统测绘作业外，利用北斗的导助航功能，可以实现无人测量艇航行到测量区域。

（3）危险品运输定位
全时区对港口生产拖车、集装箱，特别是危险品准确地理位置数据采集，利用网络将目标位置、状态、报警等综合信息发送到港企服务器；监控单元实时与中心服务器数据交换，从而达到对装有危险品的船舶进行实时监视、主动干预和智能控制的目的，大大降低航运危险品运输中潜在危险。

（4）引航用户
港口的水文信息在实时地发生变化，在能见度不良的天气以及夜晚作业时，引航员引航和靠离泊作业压力较大，在引航作业过程中如果对船舶位置判断不准，很容易造成船舶碰撞等恶性事故。

北斗地基增强技术应用，可精确获得自身位置，减少引航过程中引航员人为判断的失误，大大提高港口的作业效率和港口船舶安全，避免引航靠泊中事故的发生。

（5）水上构筑物（桥隧、大坝等）形变监测
我国通航水域水上构筑物较多，为实现形变监测功能，可在监测点上，安置高精度北斗接收机，进行连续地自动观测，监测数据传送到主管部门数据中心。

中心对历史位移数据进行比对，得到监测点的相对位移，一旦发生预警情况，可立即采取应急措施，避免重大事故发生。

参考文献
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[5] 人民网.我国北斗卫星导航系统正式进入全球无线电导航
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