北斗卫星导航系统在海洋工程中的应用

陈洪武,胡斌,田铖

(上海海洋大学 工程学院,上海 200000)

北斗卫星导航系统在海洋工程中的应用

陈洪武,胡斌,田铖

(上海海洋大学 工程学院,上海 200000)

摘要：随着全球资源问题的愈发突出,2011年国务院在“十二五规划”中提出了加强对海洋资源的开发和利用,海洋工程相关技术与设备是开发海洋资源的根本。论文首先介绍了北斗系统的基本组成和功能,对其定位精度作了简要分析,并从远程通信与管理、数据实时传输、高精度定位以及紧急救援四个方面对北斗系统在海洋工程的应用进行了探索,总结了北斗系统在该领域的重要应用意义。

关键词：北斗系统;海洋工程;作业船舶

0引言

海洋工程指以开发、利用、保护和恢复海洋资源为目的,并且工程主体位于海岸线向海一侧的新建、改建和扩建工程,分为海岸工程、近海工程和深海工程[1]。面对全球性人口的缓慢增长、陆地资源的逐步枯竭和环境危机,各国对海洋资源越来越重视．海洋工程中的技术与设备在海洋资源的开发与利用中起着决定性的作用．随着科技的发展,各种先进技术与理论应用于海洋工程领域。北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的且与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航定位系统。2015年的第四颗新一代北斗导航卫星在9月30日7时13分成功发射,标志着我国北斗系统由区域运行向全球拓展计划的稳步推进。随着北斗系统地面基础设施的完善,多项核心技术的突破以及全球范围内的布站,北斗系统被广泛应用于交通、气象、航空、通信等领域[2-4]。论文利用北斗系统的特点从远程通信与管理、数据实时传输、高精度定位以及紧急救援四个方面对海洋工程中的应用进行了探讨。

1北斗卫星导航系统

1.1系统组成

北斗卫星导航系统由地面段、空间段和用户段组成,地面段主要包含主控站、注入站和监测站等,空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。根据系统建设总体规划,北斗系统将在2020年左右覆盖全球。届时,北斗系统可在全球范围内,向各类用户提供全天候、高精度、高可靠性的定位、导航和授时服务,并兼具短报文通信能力。截止到2016年3月底,我国已成功发射22颗北斗导航卫星。

1.2系统功能

北斗系统的主要功能有三个方面:1) 快速定位,为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务,其定位精度与GPS民用定位精度相当,水平定位精度为100 m,在设立标校站之后的定位精度可达20 m．2) 精密授时,精度达20 ns．3) 短报文通信,北斗系统用户终端具有双向报文通信功能,一次可传送多达120个汉字的信息。

1.3系统定位精度

根据用户的运动状态,定位分为静态定位和动态定位;根据定位模式,定位分为绝对定位(又称单点定位)和相对定位(又称差分定位)。北斗动态导航定位技术主要有两种,一是精密单点定位,二是载波相位差分定位。

国内外众多学者研究了北斗系统单点定位、精密单点定位、动态伪距差分定位、基线相对定位等算法,通过实测数据评估了北斗系统的定位性能。数据处理表明:伪距单点定位精度在10 m之内,动态伪距差分定位精度可达2～4 m,精密单点定位和基线相对定位精度可达厘米级[5-6]。其中,北斗伪距单点定位和差分定位的定位精度可分别满足普通导航定位要求和较高精度的要求。

2北斗系统在海洋工程中的应用

海洋环境复杂、恶劣且多变,海洋工程技术由于起步较晚,明显落后于欧美国家,极大地限制了海洋工程的发展与进步。目前海洋工程面临着众多关键性技术问题,其中主要包括远程通信与管理、数据实时传输和精准定位等[7]。随着北斗系统由区域服务向全球拓展的逐渐转变,以及北斗地基建设的日益完善,北斗系统的高精度定位、全天候、全天时、短报文通信等特点更加突出,促进了北斗系统在各行业各领域的广泛应用。北斗系统在海洋工程中的应用主要体现在远程通信与管理、数据实时传输、高精度定位以及紧急救援四个方面。

2.1远程通信与管理

长期以来,海洋工程中以作业船舶与人员为主的作业单位有着迫切的海上通信要求,岸上指挥中心需要时刻确定海上作业情况便于管理,工程船舶或海上作业平台指挥中心需要实时监控各作业单位的进度信息与突发情况,遇到特殊险情时,更是急需与救援中心或附近船舶建立通讯关系。北斗系统问世以前,海上船舶通信设备国产化率较低,大多数从欧洲进口,通信技术以短波通信和数字微波通信为主,其抗干扰能力较弱且价格昂贵。

北斗系统以其有源定位和短报文通信的特点,为海洋工程领域提供了不可替代的技术支持。利用北斗系统,在工程船舶上安装北斗导航终端,并与岸边的指挥中心、地基站和北斗卫星组形成了通讯链。当指挥中心因业务管理或者作业调度时,可通过北斗系统将任务信息打包发送至远洋工程船舶或施工平台,还可提供包括潮位信息和天气状况在内的其他讯息。工程船舶每天需将作业信息通过北斗导航终端,经过卫星链路,发送至岸上指挥中心,便于中心的监督和管理。工程船舶间可以利用北斗导航终端短报文的能力相互发送消息,方便沟通交流,当遇到特殊险情时,更是快捷地将求救消息发送至就近船舶,保障了作业人员的人身及财产安全。

随着“一带一路”国家战略的提出,2015年10月,我国成功发射亚太九号卫星,提高了北斗系统的定位服务能力,填补了东南亚地区的通信服务空白。根据北斗系统全球组网建设计划,2018年将率先为“一带一路”国家提供基本服务。届时,北斗系统在海上远程通信与管理方面的应用将进入新的起点。

2.2数据实时传输

海洋工程中数据实时有效传输是指作业船舶在施工过程中将包括位置、环境等在内的作业信息及时有效地发送至岸上指挥中心并解析和处理,之后将新的任务和相关信息转发回作业船舶。随着海洋资源开发的需求越来越迫切,作业船舶离海岸越来越远,作业数据的实时传输成为了海洋工程的一大技术难题。

鉴于北斗系统的精确授时和短报文远距离传输的特点,北斗系统已成为海洋工程中数据传输的关键支撑点。工程作业船舶在远海进行施工过程中,作业人员记录和处理所得的数据和船舶上安装的各类传感设备所获得部分相关数据是整个施工过程中的全部实时数据,将这些数据船舶控制中心进行整理、存储后并打包,经过北斗船载终端设备和北斗卫星组发送至岸上指挥中心。同时,船舶控制中心将反馈信息通过通信设备发送到各作业小组。岸上指挥中心在接收到来自作业船舶的施工信息后,对数据进行解码、识别和预处理,并存入指挥中心数据库中,便于管理者或相关部门提取,以了解海洋工程实时作业情况。

国内众多学者以北斗系统为背景技术,结合数据压缩算法和长报文通信协议,设计了海上数据实时传输系统,但是也存在一定的局限,对于海量数据在海上的实时传输仍旧是难题。对此,基于北斗短报文双向通信的特点,一些学者提出了北斗集群数传技术,通过建立一种有效的数据处理方法和压缩算法,解决了海洋工程船大数据量的传输[8]。

2.3高精度定位

随着北斗系统定位技术的发展以及地基系统的建设加强,北斗系统的定位精度逐步满足海洋工程测量和施工定位对高精度的要求。2015年6月,“中国精度”正式提供服务,并面向全球同步发布。该全球星基高精度增强服务系统将使我国北斗用户在无需架设基站的情况下,在全球任一地点能够享受到便捷的亚米级、分米级和厘米级三种不同精度层级的增强服务，其系统组成如图1所示。

图1　星基高精度增强服务系统

随着科技的发展,卫星定位技术逐渐取代了传统的大地测量技术、测量工程和声学定位等传统测量和定位技术。北斗系统建设初期,以海上筑堤、海峡贯通工程及海上石油钻探工程等为主的海上工程测量过程中主要以GPS测量为主,GPS测量技术的定位精度和自动化程度高,观测时间短,但其使用成本较高,不支持信息双向传输且存在安全隐患。科技发展的同时,我国发射的卫星数增多,定位技术由有源定位转变为无源定位,用于海上高精度定位的船舶施工技术的产品愈加成熟,广州南方卫星导航仪器有限公司研发的北斗RTK系列已基本符合海洋工程施工中的高精度定位要求,其中,S86C北斗RTK测量系统是针对海上高精度定位、定向的施工技术要求而设计的,可含盖海测、疏浚、打桩、插排等海洋工程领域的应用。基于“中国精度”,北斗系统已经满足了远海工程测量对高精度的要求。由于无需架设基站,使得高精度工程测量作业更加方便灵活,北斗系统完善及其相关设备的研发极大的促进了北斗系统在海洋工程测绘和施工方面的应用。

2.4紧急救援

海洋环境复杂多变,自然灾害或突发事故时常发生,严重威胁了作业人员和工程船舶的人身财产安全。北斗系统以其全天时、全天候的特点,对海上紧急救援有着重要的意义。据统计表明,北斗已成为海上搜救工作的“利器”:对海上遇险对象的搜寻效率提高30%以上;救捞系统的管理能力和救助调度能力明显提升,人命救助成功率达到98%以上;节约近1.5亿元的人身伤害赔偿费。

当工程作业船舶遇险后,船载北斗终端支持自动或手动发送遇险求救信号,救援中心接收到遇险信号后,在发出报警之后可立即确定电子海图上遇险船舶的准确位置,调度就近船舶或岸边救援船舶迅速赶往支援,在一定程度上减少了人员和财产的伤亡。

3结束语

北斗系统是未来全球导航定位系统的主力军,体现着我国的综合国力和科技水平。北斗系统在海洋工程中的应用,推进了海洋科技的发展、保障了海事人员的安全,终端设备的研发及应用推动了北斗系统应用产业化的发展。随着新北斗探空系统的研制成功、北斗RNSS基带射频一体化芯片项目的完成、北斗应用下的交通运输智能化等,北斗在民用和行业的应用越来越广泛。在2020年完成全球覆盖的计划基础上,构建完善的北斗产业应用体系将是助推北斗走向全球应用的关键。

参考文献

[1] 陶永宏.我国海洋工程发展现状[J].中外船舶科技,2009,22(3):16-25.

[2] 《卫星应用》编辑部.2014年中国卫星应用若干重大进展[R].卫星应用,2015,16(1):18-23.

[3] 张辉.北斗卫星导航系统建设和应用现状[J].电子技术与软件工程,2015,28(11):25-28.

[4] 吴海玲.北斗卫星导航系统发展与应用[J].导航定位学报，2015,3(2):1-6.

[5] 施闯,赵齐乐,李敏.北斗卫星导航系统的精密定轨与定位研究[J].中国科学,2012,42(6): 854-861.

[6] OLIVER M, ANDRE H, STEIGENBERGER P,etal. Initial assessment of the COMPASS/Beidou-2 regional navigation stellite system[J]. GPS Solutions,2013, 17 (2):211-222.

[7] 程绪红.北斗卫星系统在海洋工程中的应用[J].港口科技,2013,34(26):22-32.

[8] 何嗣隆.北斗RDSS在海洋工程数据传输中的应用[J].华东师范大学学报.自然科学版,2014,59(4):173-179.

陈洪武(1969-),男,山东济南人,副教授,主要从事现代设计理论与方法和海洋工程装备等相关方面研究。

胡斌(1990-),男,安徽六安人,硕士生,主要从事海洋工程装备的研究。

田铖(1990-),男,河南开封人,硕士生,主要从事实验设计。

Application of Beidou Satellite Navigation System in Ocean Engineering

CHEN Hongwu,HU Bin,TIAN Chen

(SOUCollegeofEngineeringScienceandTechnology,Shanghai, 200000,China)

Abstract: With the increasingly prominent problem of global resources, in 2011 the State Council in the "12th Five Year Plan" put forward to strengthen the development and utilization of marine resources, marine engineering related technology and equipment is the implementation of the development of marine resources. Firstly, the paper introduces the basic components and functions of the system, and analyzes the positioning accuracy of the Beidou system. The application of the Beidou System in the ocean engineering is explored from four aspects: remote communication and management, data real-time transmission, high precision positioning and emergency rescue.

Keywords:Beidou system; ocean engineering; operating ship

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.025

收稿日期：2015-10-23

中图分类号：P752

文献标志码：B

文章编号：1008-9268(2016)02-0121-04

作者简介

资助项目： 国家自然科学基金(批准号:51075258)

联系人： 胡斌 E-mail:810709290@qq.com