北斗卫星导航系统在我国沿海集装箱船舶调度和安全救助中的应用

汤玮　张耿霖

【摘 要】 为实现集装箱船舶安全、快速的现代化移动办公机制以及高效的海上救援定位，提出通过利用北斗卫星导航系统建立船岸统一的管理信息平台。北斗卫星导航系统的优越性包括：覆盖范围广，基本覆盖我国海区；定位精度高，同时还具有数字报文通信以及授时功能；北斗卫星的定位服务为全免费，通信服务为包年方式，价格相对于海事卫星非常低廉。北斗卫星导航系统以信息集成为基础，实现船岸数据的共享，保证船舶运输企业业务流程顺畅，提高船舶安全控制、成本控制、船舶监控、船舶机（海）务管理等运营管理水平。

【关键词】 北斗卫星；导航；集装箱船舶；救助；船舶自动识别系统

作为一种先进的运输方式，集装箱船舶运输业发展越来越快。由于其运营的特点，集装箱船舶运输企业经营管理面临巨大的挑战：既要保证安全、准班、环保，又要控制成本，实现效益的最大化。这无疑对船队的管理水平提出了更高的要求，既要在确保整个企业运营层面上实现全局战略优化，又要在船舶控制层面上实现快速、安全、准班、适航和环保。针对集装箱船舶运营管理的现状，寻求提高管理水平的途径，克服目前管理上存在的症结问题，仅凭制度的改革和人员素质的提高是无法实现的，必须依赖现代科技的发展和应用，建立船岸统一的管理信息平台。稳定、快捷、范围广的通信手段是应用现代科技的基础条件。

1 常见的岸船通信方式

船舶自动识别系统（AIS）由岸基（基站）设施与船载设备共同组成，在船舶通信中应用广泛，但此系统在渤海湾部分海域存在盲区，会造成船舶与外界失去联系，给安全生产和调度带来非常大的隐患。

2G，3G，4G等移动通信网络，信息传输速度比较快，但在船舶离岸20～30 n mile以后设备就无信号，无法承担在茫茫渤海湾以及我国沿海航行中的通信任务。海事卫星以及其他卫星通信方式价格高昂，是北斗卫星通信价格的数十倍，对很多支线船舶运输企业来说并不经济。

作为近年来新兴的通信手段，北斗卫星通信异军突起。2012年，北斗卫星导航系统已完成对亚太部分地区的覆盖并正式提供定位服务。使用北斗卫星导航系统传输船舶定位数据，具有传输稳定、功耗低、后期维护费用低廉等优点。

2 北斗卫星通信性能

“北斗一号”卫星系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。“北斗一号”导航通信定位系统由3颗地球同步卫星（两颗工作卫星分别在80€癊和140€癊，在轨备用卫星在110.5€癊）、一个地面中心控制系统、标校系统和各种用户机等组成。在我国大陆、台湾、南沙及其他岛礁，我国领海，日本海，太平洋部分海域及周边部分地区，该系统可为时速为1 000 km以下的中、低动态用户和静态用户提供每小时54万次以上的定位、通信、授时服务。与陆基导航定位系统相比，“北斗一号”卫星系统具有更优越的性能：（1）覆盖范围广，其覆盖范围是5€啊？5€癗，70€啊？40€癊之间的心形区域，基本覆盖我国海区；（2）定位精度高，静止水平误差是20 m，运动水平误差是100 m，经过校标可达到€？0 m，同时还具有数字报文通信以及授时功能。更值得一提的是，北斗卫星的导航定位服务为全免费，通信服务为包年方式，价格相对于海事卫星更低廉。因此，“北斗一号”卫星导航定位系统在渤海湾以及我国沿海的航海上有很大的应用前景。

北斗卫星导航系统对船舶通信业务增值服务的拓展，为船舶运输企业解决岸船之间信息交换提供了技术保障。在现行船舶通信技术的基础上，集现代通信技术、信息技术、数据采集处理技术及航行信息、货物数据、管理信息、人员信息为一体的思路，建设船岸一体化管理平台，可以给船舶管理带来新的思路和方向。

3 北斗短报文在船舶信息传输中的应用

北斗短报文是北斗卫星导航系统特有的功能，指卫星定位终端与北斗卫星或北斗地面服务站之间能够直接通过卫星信号进行双向信息传递，不依赖于其他通信网络。在灾害发生地区移动通信中断、电力中断或移动通信不能覆盖等情况下，北斗卫星终端可以利用短报文方式进行通信，实现定位信息和远程信息交互等。该技术适用于应急救灾、野外作业、远洋作业等系统。

船载信息机与北斗卫星终端相连接可实现数据传输的双向性。北斗短报文通信每次服务只能完成120个汉字（军用）或60个汉字（民用）长度的电文通信，当超出最大电文长度的电文信息传输时，发送端将电文拆包（每包长度为最大电文长度）分多次发送，接收端待收全一条完整的电文信息后，再将接收到的电文信息进行拼包，最后集中显示。这是目前大报文传输的普遍做法。船舶信息和安全数据往往超过60个汉字的长度，需要拆成多包发送。

目前，北斗卫星系统的信道传输质量是10-5，也就是说，平均传输105个 bit可能产生1个错误。一般北斗电文最长为 bit，假设平均长度为 bit，那么，每个包出现错误的概率为10-2，即1%，成功的概率为99%。如果1条预警信息需要发送n个包，即整个预警信息发送成功的概率是（1-1%）n，失败的概率是1-（1-1%）n。由此可见，发送的信息越长，n就越大，失败的概率越大，成功的概率越小。对于小的报文来说，点对点传输，99%的单包传输成功率也许很高，但对于长度较长、常年每天都要发送的信息来说，这个标准有些低。假设1条信息需要拆分为5个包，以单包99%的成功率计算，预警信息的传输成功率为95.1%。

为了适应短报文的传输方式，可设定一键呼救的功能，即可在一次传输时段内，将呼救信息传输到服务器，提高传输速度。在紧急情况下，可以通过系统预设的一键呼救按钮，将设定好的紧急信息发送到服务器。信息中应包含求救的具体位置信息，以便船舶运输企业调度室在最短时间内收到求救信息并作出相关的救援行动，保障船舶安全。

4 传输平台设计

船端工控机通过船载北斗客户机上传数据到北斗卫星，北斗卫星与数据中心的北斗指挥机进行通信，最终由北斗指挥机将数据传输给中心服务器，确保覆盖的可靠性。在近岸时，根据3G信号状况可辅助切换到工业3G路由器模式，通过3G路由器接入互联网与中心服务器进行通信。

4.1 北斗船载终端

北斗船载终端软件采用技术应用开发。 是微软的新一代技术平台，为“敏捷商务”构建互联互通的应用系统，这些系统具有简便易用、适应变化、稳定和高性能等优点。从技术角度来看， 应用是一个运行于 Framework之上的应用程序。

船载终端利用串口与北斗船用终端机通信，实现船舶数据断点续传，保证数据的可到达性。船载“北斗一号”普通型用户机是为了适应海上高盐雾、高腐蚀使用环境而研制的产品，用户可利用该产品实现北斗定位、短信息通信功能和GPS定位功能。主要指标如下：接收信号误码率≤1€？10-5（用户机天线端口输入信号功率≥ 154.6 dBW）；发射功率EIRP值≤19 dBW（方位角0€啊？60€埃鼋？0€啊？5€埃唤邮瘴佬峭ǖ朗？个通道。

4.2 中心服务器端

中心服务器端是通过北斗指挥机与客户机进行通信的。“北斗一号”指挥型用户机是为了便于上级指挥机关通过北斗卫星定位导航系统，对其下属用户进行指挥、监控而研制的北斗用户机产品。除了具有普通型用户机的所有功能外，该服务器还可以接收其下属用户机的定位、通信信息，并可向下属用户机发出指令。

“北斗一号”指挥型用户机适应固定指挥所、移动指挥所、方舱等多种场合使用。接收信号误码率≤1€？0-5（用户机天线端口输入信号功率≥ 157.6 dBW）。

中心服务器端是基于微软.NET Framework 4.0设计的网站应用程序，以易用、高可靠性和高负载的信息技术为实现手段，整体采用MVC（Model View Controller）框架分层，交互系统由模型、视图、控制器等3种部件组成。

MVC框架作为一种软件设计典范，用一种业务逻辑、数据、界面显示分离的方法组织代码，将业务逻辑聚集到一个部件内，在改进和个性化定制界面及用户交互的同时，不需要重新编写业务逻辑。MVC用于映射传统的输入、处理和输出功能在一个逻辑图形化用户界面的结构中，包含指挥机通信服务程序和调度监控Web系统。

北斗卫星导航系统以北斗卫星和无线通信技术为依托，为海运人员提供一种安全、快速的现代化移动办公机制以及海上救援定位手段（见图1）。

5 结 语

船舶在使用北斗卫星导航系统前，一些重要的船舶行驶信息只能在有移动网络的情况下发出，常常导致信息发送不及时、不准确。利用北斗卫星导航系统，集装箱船舶可在全气象条件下，在航行中的各海域各时间段发出信息，极大地提高了航行的安全性，也为船舶运输企业全域指挥调度提供了基础。同时，通过实现船岸数据的共享，可以保证船舶运输企业业务流程顺畅，提高包括船舶安全控制、成本控制、船舶监控、船舶机（海）务管理等在内的运营管理水平，以获得良好的经济效益和社会效益。