北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在內(nèi)河航運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用展望

● 文|.中國(guó)交通通信信息中心 .航天恒星科技有限公司 .長(zhǎng)江海事局信息中心 于淵 盧紅洋 王文良 孫鵬 廖威

一、引言

長(zhǎng)江、西江等內(nèi)河深入國(guó)家經(jīng)濟(jì)腹地，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略中具有非常重要的戰(zhàn)略意義，且在戰(zhàn)時(shí)和危機(jī)中是戰(zhàn)略物資運(yùn)輸?shù)淖羁煽客ǖ溃腥龒{、葛洲壩、長(zhǎng)洲等世界級(jí)水利樞紐和大型通航基礎(chǔ)設(shè)施，因此，保障內(nèi)河航運(yùn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和信息安全對(duì)維護(hù)國(guó)家安全具有重要的意義。目前，內(nèi)河船舶數(shù)量超過(guò)15萬(wàn)艘，占我國(guó)水上運(yùn)輸船舶的90%以上[1]。我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)定位導(dǎo)航、船舶監(jiān)測(cè)、航道業(yè)務(wù)等信息系統(tǒng)主要依賴(lài)美國(guó)的GPS系統(tǒng)，存在安全隱患。本文中的內(nèi)河航運(yùn)領(lǐng)域主要包括船舶導(dǎo)航、海事、航道、港口、船舶過(guò)閘等方面。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“北斗系統(tǒng)”）是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是國(guó)家重大的空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施。北斗系統(tǒng)自2012年正式對(duì)外提供區(qū)域服務(wù)以來(lái)，已在關(guān)系國(guó)計(jì)民生、國(guó)家安全的多個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域和行業(yè)得到規(guī)?；瘧?yīng)用。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)已在多地投入運(yùn)行，使北斗終端的定位精度大幅提升，北斗的短報(bào)文通信功能可為水上應(yīng)急管理提供新的手段，因此，北斗在功能和性能上已超越GPS，在內(nèi)河領(lǐng)域逐步取代GPS，最終實(shí)現(xiàn)自主可控已成為可能。2017年2月，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》將“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)推廣工程”納入“交通運(yùn)輸智能化發(fā)展重點(diǎn)工程”，提出“加強(qiáng)全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)、船聯(lián)網(wǎng)以及自動(dòng)駕駛等的基礎(chǔ)支撐作用” 、“推動(dòng)北斗模塊成為車(chē)載導(dǎo)航設(shè)備和智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，拓寬在列車(chē)運(yùn)行控制、港口運(yùn)營(yíng)、車(chē)輛監(jiān)管、船舶監(jiān)管等方面的應(yīng)用”[2]。

本文在總結(jié)歸納內(nèi)河航運(yùn)領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及問(wèn)題的基礎(chǔ)上，分析了北斗系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。隨著北斗全球系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)完善，在內(nèi)河航運(yùn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)北斗對(duì)GPS的替代已勢(shì)在必行，北斗應(yīng)用前景十分廣闊。

二、衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在內(nèi)河航運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

1.船舶導(dǎo)航定位仍以GPS為主

傳統(tǒng)內(nèi)河船舶駕駛主要依靠航標(biāo)和船長(zhǎng)行船經(jīng)驗(yàn)。由于航標(biāo)時(shí)常發(fā)生被撞或漂移、夜間很難看清航標(biāo)位置、內(nèi)河部分航道變化劇烈等原因，行船經(jīng)驗(yàn)有時(shí)并不適用，船舶對(duì)電子導(dǎo)航設(shè)備需求強(qiáng)烈[3]。目前，內(nèi)河船舶配備的定位導(dǎo)航設(shè)備常見(jiàn)的包括船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、GPS定位儀、電子航道圖（ECS），定位手段一般為GPS單點(diǎn)定位，一旦GPS關(guān)閉或受到惡意控制，內(nèi)河船舶航行安全難以保障。

另一個(gè)需要說(shuō)明的問(wèn)題是，由于內(nèi)河電子航道圖標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，部分?jǐn)?shù)據(jù)涉密等問(wèn)題，其應(yīng)用推廣并不理想，內(nèi)河船載終端更多的是采用電子示意圖，其提供的數(shù)據(jù)信息相對(duì)有限，且更新維護(hù)比較困難，船舶導(dǎo)/助航設(shè)備的信息化水平較公路、鐵路等領(lǐng)域還有較大提升空間。

2.海事監(jiān)管業(yè)務(wù)以GPS作為基礎(chǔ)的定位、授時(shí)手段

內(nèi)河海事部門(mén)主要通過(guò)AIS、GPS、船舶交通服務(wù)（VTS）和閉路電視系統(tǒng)（CCTV）等技術(shù)手段監(jiān)控船舶動(dòng)態(tài)位置。其中，AIS系統(tǒng)主要依賴(lài)GPS進(jìn)行船舶定位，由于定位精度不高導(dǎo)致誤報(bào)警頻發(fā)，內(nèi)河船舶避碰預(yù)警功能基本處于關(guān)閉狀態(tài)。由于AIS通信體制的原因，船舶位置更新間隔較長(zhǎng)，船岸交互的信息非常有限。GPS船舶監(jiān)控系統(tǒng)主要由各航運(yùn)企業(yè)、地方港航管理部門(mén)等單位采購(gòu)市場(chǎng)成熟的產(chǎn)品，位置回傳一般依靠2G/3G網(wǎng)絡(luò)，位置數(shù)據(jù)匯總到海事部門(mén)的船舶監(jiān)控系統(tǒng)[4]。VTS和CCTV主要利用GPS系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步。內(nèi)河海事部門(mén)已開(kāi)始重視北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用工作，將通過(guò)建設(shè)地基增強(qiáng)系統(tǒng)提升北斗定位精度，逐步在內(nèi)河海事監(jiān)管領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)GPS的替代。

3.航道業(yè)務(wù)依賴(lài)基于GPS的定位系統(tǒng)

航道涉及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的業(yè)務(wù)包括航道測(cè)繪、電子航道圖、航標(biāo)維護(hù)、航道疏浚等。其中航標(biāo)定位、航道疏浚一般采用GPS偽距差分定位技術(shù)，定位精度一般為米級(jí)；航道測(cè)繪一般采用基于GPS定位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（RTK）及星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）技術(shù)，定位精度最高可至厘米級(jí)。差分信號(hào)的來(lái)源主要是早期建設(shè)的GPS差分參考站或者國(guó)外從事SBAS業(yè)務(wù)的公司，由于需要使用差分增強(qiáng)服務(wù)，每年需要支付一定的服務(wù)費(fèi)用[5]。

4.港口及船舶過(guò)閘調(diào)度業(yè)務(wù)已開(kāi)始嘗試應(yīng)用北斗

港口的車(chē)輛定位、集裝箱吊裝、船舶靠泊輔助等業(yè)務(wù)需要應(yīng)用衛(wèi)星定位技術(shù)，各業(yè)務(wù)應(yīng)用大多處于研究和示范應(yīng)用階段[6]。港口的貨運(yùn)車(chē)輛一般都按照交通運(yùn)輸部規(guī)定安裝了北斗/GPS兼容的行車(chē)記錄儀，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的定位和調(diào)度功能。集裝箱吊裝、船舶靠泊輔助等業(yè)務(wù)已開(kāi)展了衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用研究，部分港口搭建了示范應(yīng)用系統(tǒng)，但由于技術(shù)成熟度、成本等問(wèn)題還未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

目前三峽-葛洲壩船閘和西江部分船閘建設(shè)了船舶過(guò)閘調(diào)度系統(tǒng)[7]。三峽-葛洲壩船閘的過(guò)閘船舶需安裝基于GPS的船載終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)閘。西江集團(tuán)開(kāi)發(fā)了北斗/GPS兼容的船舶過(guò)閘調(diào)度系統(tǒng)，已在100多艘西江船舶上安裝了北斗/GPS兼容船舶過(guò)閘終端。

三、存在的問(wèn)題

1.內(nèi)河導(dǎo)航定位技術(shù)手段主要依賴(lài)GPS，航行安全和信息安全存在風(fēng)險(xiǎn)隱患

目前在長(zhǎng)江、西江、瀾滄江等流域航行的社會(huì)船舶和公務(wù)船舶主要安裝的定位導(dǎo)航、海事通信、遇險(xiǎn)報(bào)警等設(shè)備均以美國(guó)的GPS系統(tǒng)為主，例如AIS設(shè)備、海事衛(wèi)星電話、應(yīng)急無(wú)線電示位標(biāo)（EPIRB）等設(shè)備都嵌入的是GPS定位模塊。我國(guó)北斗系統(tǒng)建設(shè)和推廣應(yīng)用起步較晚，目前并沒(méi)有被長(zhǎng)江航運(yùn)的船舶廣泛使用。因此目前長(zhǎng)江航運(yùn)船舶監(jiān)控設(shè)備使用的定位導(dǎo)航裝置還是依賴(lài)于GPS系統(tǒng)。僅長(zhǎng)江船舶，使用GPS系統(tǒng)進(jìn)行定位的就超過(guò)3萬(wàn)艘。從GPS系統(tǒng)的掌控層面，美國(guó)政府為了保障美國(guó)自身利益和安全，對(duì)特殊情況下GPS系統(tǒng)的使用采取限制政策，包括區(qū)域性關(guān)閉、降低定位精度、變更C/A碼等[8]。如果過(guò)度依賴(lài)GPS服務(wù)，將會(huì)使船舶導(dǎo)航服務(wù)存在癱瘓風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響內(nèi)河船舶航行安全和沿江經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。

2.導(dǎo)/助航終端定位精度不高，難以實(shí)現(xiàn)行業(yè)精細(xì)化管理

船舶及港口的導(dǎo)航定位手段主要是依賴(lài)GPS單點(diǎn)定位，定位精度一般10~15m，難以滿足船舶避碰、海事、港口等精細(xì)化業(yè)務(wù)管理需求。內(nèi)河船舶配備的AIS船載終端，由于定位精度不高，船舶碰撞預(yù)警誤報(bào)警非常頻繁，終端的船舶避碰功能一般都處于關(guān)閉狀態(tài)。內(nèi)河海事部門(mén)采用AIS系統(tǒng)對(duì)船舶進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管，系統(tǒng)的避碰預(yù)警功能一般也處于關(guān)閉狀態(tài)，不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。港口應(yīng)用中，集裝箱定位、船舶引航、靠離泊都需要高精度導(dǎo)航定位技術(shù)作為支撐，但由于港口環(huán)境、裝備技術(shù)條件等問(wèn)題，整體技術(shù)成熟度不高，難以規(guī)模化推廣。

3.信息傳遞手段有限，船岸交互能力有待提升

內(nèi)河水上移動(dòng)通信信號(hào)覆蓋一般，在江面較寬的河段，中心水面區(qū)域信號(hào)覆蓋較差；當(dāng)前內(nèi)河水上交通安全監(jiān)管部門(mén)對(duì)內(nèi)河船舶的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，多基于AIS船臺(tái)向岸基臺(tái)站以不固定的周期回傳位置信息的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。而AIS屬于窄帶通信，在部分山區(qū)河段和惡劣天氣影響下，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋、信號(hào)不穩(wěn)等問(wèn)題，傳遞的信息非常有限[9]。

內(nèi)河預(yù)警信息發(fā)布和船端接收方式有局限性。目前長(zhǎng)江航運(yùn)的船舶主要依靠甚高頻（VHF）廣播、F M收音機(jī)收聽(tīng)、互聯(lián)網(wǎng)查詢(xún)、短信訂閱等方式接收預(yù)警信息。這些方式都以被動(dòng)接收為主，難以對(duì)政府主管部門(mén)形成信息反饋。而北斗系統(tǒng)除了具備導(dǎo)航定位功能外，獨(dú)特的短報(bào)文通信功能對(duì)水上遇險(xiǎn)報(bào)警、信息通信等有一定的應(yīng)用前景。

四、發(fā)展趨勢(shì)分析

1.北斗將逐漸替代GPS成為內(nèi)河船舶定位導(dǎo)航的標(biāo)配

面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的國(guó)際形勢(shì)，十八屆五中全會(huì)關(guān)于“十三五”規(guī)劃建議明確提出實(shí)施國(guó)家安全戰(zhàn)略。北斗系統(tǒng)是國(guó)家重大的空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，是經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全、國(guó)土安全和公共安全的重大技術(shù)支撐和戰(zhàn)略威懾基礎(chǔ)資源。在關(guān)系國(guó)家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)北斗對(duì)GPS的全面替代，在全行業(yè)實(shí)現(xiàn)北斗的應(yīng)用普及，是大勢(shì)所趨。

內(nèi)河船舶導(dǎo)航定位及應(yīng)用系統(tǒng)過(guò)分依賴(lài)GPS，有較為嚴(yán)重的安全隱患，已引起交通運(yùn)輸行業(yè)主管部門(mén)的重視，正在通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃、示范工程、政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等一系列舉措推進(jìn)北斗對(duì)GPS的替代。按照2014年國(guó)際海事組織（IMO）的MSC.401（95）決議要求（2017年12月31日或以后安裝的多系統(tǒng)船載無(wú)線電導(dǎo)航接收機(jī)應(yīng)支持至少兩套獨(dú)立的GNSS系統(tǒng)）[10]，為相關(guān)部門(mén)適時(shí)出臺(tái)北斗系統(tǒng)在內(nèi)河航運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用的政策措施提供了依據(jù)，將帶動(dòng)船載通信導(dǎo)航設(shè)備以北斗系統(tǒng)為主成為標(biāo)配，為北斗在內(nèi)河領(lǐng)域的發(fā)展提供了難得的契機(jī)。

2.隨著北斗的應(yīng)用推廣，內(nèi)河領(lǐng)域應(yīng)用將全面進(jìn)入高精度時(shí)代

國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)框架網(wǎng)及區(qū)域加密網(wǎng)已初步完成建設(shè)，長(zhǎng)江等內(nèi)河也在開(kāi)展沿江的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)，逐步形成地基增強(qiáng)“一張網(wǎng)”，將為北斗精度的提升提供技術(shù)基礎(chǔ)[11]。

北斗精度的提升，將促進(jìn)用戶(hù)選擇北斗，有利于提升用戶(hù)體驗(yàn)及行業(yè)內(nèi)已有業(yè)務(wù)問(wèn)題的解決。比如，定位精度的提升將帶來(lái)船舶避碰預(yù)警準(zhǔn)確率提升，有效保障船舶航行安全，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)船舶的精確導(dǎo)航和指引，提升船舶導(dǎo)/助航信息服務(wù)水平。隨著行業(yè)示范工程的落地實(shí)施，北斗高精度技術(shù)在港口的應(yīng)用將愈加成熟，港口集裝箱、車(chē)輛等資源的管理和調(diào)度、船舶進(jìn)出港指引和靠離泊輔助依托高精度定位技術(shù)將逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3.北斗短報(bào)文在船岸通信應(yīng)用中將占有一席之地

北斗的短報(bào)文通信功能是北斗區(qū)別于其他導(dǎo)航系統(tǒng)的特色功能，一般用于應(yīng)急通信，北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)計(jì)劃2020年實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)（RDSS）通信全球覆蓋，北斗短報(bào)文通信容量和應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。將北斗RDSS通信作為遇險(xiǎn)報(bào)警手段的北斗應(yīng)急無(wú)線電示位標(biāo)，是替換406M H z 衛(wèi)星示位標(biāo)的新型終端，交通運(yùn)輸部已制定了該終端的技術(shù)規(guī)范，計(jì)劃在沿海和內(nèi)河的船舶進(jìn)行示范推廣。

此外，北斗短報(bào)文通信可以作為船舶預(yù)警信息發(fā)布的手段，對(duì)于移動(dòng)通信信號(hào)覆蓋不佳的區(qū)域作用更加明顯。北斗短報(bào)文通信不受通信距離的限制，其短報(bào)文回執(zhí)功能還可以輔助信息發(fā)布者評(píng)估預(yù)警信息發(fā)布的效果，與VHF、F M等單向通信手段相比更具優(yōu)勢(shì)。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在內(nèi)河航運(yùn)領(lǐng)域北斗將逐步替代GPS成為標(biāo)配，隨著北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)及行業(yè)北斗重大專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)用示范工程的建設(shè)，船舶定位導(dǎo)航等應(yīng)用將過(guò)渡到高精度時(shí)代，為船舶、海事、港口等用戶(hù)帶來(lái)全新的體驗(yàn)，北斗將會(huì)在內(nèi)河航運(yùn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用普及。

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