北斗卫星导航系统在内河航运领域应用展望

● 文|.中国交通通信信息中心 .航天恒星科技有限公司 .长江海事局信息中心 于渊 卢红洋 王文良 孙鹏 廖威

一、引言

长江、西江等内河深入国家经济腹地，在国家经济发展战略中具有非常重要的战略意义，且在战时和危机中是战略物资运输的最可靠通道，更有三峡、葛洲坝、长洲等世界级水利枢纽和大型通航基础设施，因此，保障内河航运正常运转和信息安全对维护国家安全具有重要的意义。目前，内河船舶数量超过15万艘，占我国水上运输船舶的90%以上[1]。我国内河航运定位导航、船舶监测、航道业务等信息系统主要依赖美国的GPS系统，存在安全隐患。本文中的内河航运领域主要包括船舶导航、海事、航道、港口、船舶过闸等方面。

北斗卫星导航系统（以下简称“北斗系统”）是我国自主研发的卫星导航系统，也是国家重大的空间和信息化基础设施。北斗系统自2012年正式对外提供区域服务以来，已在关系国计民生、国家安全的多个重点领域和行业得到规模化应用。北斗地基增强系统已在多地投入运行，使北斗终端的定位精度大幅提升，北斗的短报文通信功能可为水上应急管理提供新的手段，因此，北斗在功能和性能上已超越GPS，在内河领域逐步取代GPS，最终实现自主可控已成为可能。2017年2月，国务院印发的《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》将“北斗卫星导航系统推广工程”纳入“交通运输智能化发展重点工程”，提出“加强全天候、全天时、高精度的定位、导航、授时等服务对车联网、船联网以及自动驾驶等的基础支撑作用” 、“推动北斗模块成为车载导航设备和智能手机的标准配置，拓宽在列车运行控制、港口运营、车辆监管、船舶监管等方面的应用”[2]。

本文在总结归纳内河航运领域卫星导航技术应用现状及问题的基础上，分析了北斗系统应用发展趋势。随着北斗全球系统及其增强系统的建设完善，在内河航运领域实现北斗对GPS的替代已势在必行，北斗应用前景十分广阔。

二、卫星导航技术在内河航运领域应用现状

1.船舶导航定位仍以GPS为主

传统内河船舶驾驶主要依靠航标和船长行船经验。由于航标时常发生被撞或漂移、夜间很难看清航标位置、内河部分航道变化剧烈等原因，行船经验有时并不适用，船舶对电子导航设备需求强烈[3]。目前，内河船舶配备的定位导航设备常见的包括船舶自动识别系统（AIS）、GPS定位仪、电子航道图（ECS），定位手段一般为GPS单点定位，一旦GPS关闭或受到恶意控制，内河船舶航行安全难以保障。

另一个需要说明的问题是，由于内河电子航道图标准不统一，部分数据涉密等问题，其应用推广并不理想，内河船载终端更多的是采用电子示意图，其提供的数据信息相对有限，且更新维护比较困难，船舶导/助航设备的信息化水平较公路、铁路等领域还有较大提升空间。

2.海事监管业务以GPS作为基础的定位、授时手段

内河海事部门主要通过AIS、GPS、船舶交通服务（VTS）和闭路电视系统（CCTV）等技术手段监控船舶动态位置。其中，AIS系统主要依赖GPS进行船舶定位，由于定位精度不高导致误报警频发，内河船舶避碰预警功能基本处于关闭状态。由于AIS通信体制的原因，船舶位置更新间隔较长，船岸交互的信息非常有限。GPS船舶监控系统主要由各航运企业、地方港航管理部门等单位采购市场成熟的产品，位置回传一般依靠2G/3G网络，位置数据汇总到海事部门的船舶监控系统[4]。VTS和CCTV主要利用GPS系统进行时间同步。内河海事部门已开始重视北斗导航系统的应用工作，将通过建设地基增强系统提升北斗定位精度，逐步在内河海事监管领域实现对GPS的替代。

3.航道业务依赖基于GPS的定位系统

航道涉及卫星导航技术的业务包括航道测绘、电子航道图、航标维护、航道疏浚等。其中航标定位、航道疏浚一般采用GPS伪距差分定位技术，定位精度一般为米级；航道测绘一般采用基于GPS定位的实时动态载波相位差分技术（RTK）及星基增强系统（SBAS）技术，定位精度最高可至厘米级。差分信号的来源主要是早期建设的GPS差分参考站或者国外从事SBAS业务的公司，由于需要使用差分增强服务，每年需要支付一定的服务费用[5]。

4.港口及船舶过闸调度业务已开始尝试应用北斗

港口的车辆定位、集装箱吊装、船舶靠泊辅助等业务需要应用卫星定位技术，各业务应用大多处于研究和示范应用阶段[6]。港口的货运车辆一般都按照交通运输部规定安装了北斗/GPS兼容的行车记录仪，实现车辆的定位和调度功能。集装箱吊装、船舶靠泊辅助等业务已开展了卫星定位技术应用研究，部分港口搭建了示范应用系统，但由于技术成熟度、成本等问题还未实现规模化应用。

目前三峡-葛洲坝船闸和西江部分船闸建设了船舶过闸调度系统[7]。三峡-葛洲坝船闸的过闸船舶需安装基于GPS的船载终端实现远程报闸。西江集团开发了北斗/GPS兼容的船舶过闸调度系统，已在100多艘西江船舶上安装了北斗/GPS兼容船舶过闸终端。

三、存在的问题

1.内河导航定位技术手段主要依赖GPS，航行安全和信息安全存在风险隐患

目前在长江、西江、澜沧江等流域航行的社会船舶和公务船舶主要安装的定位导航、海事通信、遇险报警等设备均以美国的GPS系统为主，例如AIS设备、海事卫星电话、应急无线电示位标（EPIRB）等设备都嵌入的是GPS定位模块。我国北斗系统建设和推广应用起步较晚，目前并没有被长江航运的船舶广泛使用。因此目前长江航运船舶监控设备使用的定位导航装置还是依赖于GPS系统。仅长江船舶，使用GPS系统进行定位的就超过3万艘。从GPS系统的掌控层面，美国政府为了保障美国自身利益和安全，对特殊情况下GPS系统的使用采取限制政策，包括区域性关闭、降低定位精度、变更C/A码等[8]。如果过度依赖GPS服务，将会使船舶导航服务存在瘫痪风险，严重影响内河船舶航行安全和沿江经济社会的发展。

2.导/助航终端定位精度不高，难以实现行业精细化管理

船舶及港口的导航定位手段主要是依赖GPS单点定位，定位精度一般10~15m，难以满足船舶避碰、海事、港口等精细化业务管理需求。内河船舶配备的AIS船载终端，由于定位精度不高，船舶碰撞预警误报警非常频繁，终端的船舶避碰功能一般都处于关闭状态。内河海事部门采用AIS系统对船舶进行动态监管，系统的避碰预警功能一般也处于关闭状态，不能发挥应有的作用。港口应用中，集装箱定位、船舶引航、靠离泊都需要高精度导航定位技术作为支撑，但由于港口环境、装备技术条件等问题，整体技术成熟度不高，难以规模化推广。

3.信息传递手段有限，船岸交互能力有待提升

内河水上移动通信信号覆盖一般，在江面较宽的河段，中心水面区域信号覆盖较差；当前内河水上交通安全监管部门对内河船舶的动态监控，多基于AIS船台向岸基台站以不固定的周期回传位置信息的方式来实现。而AIS属于窄带通信，在部分山区河段和恶劣天气影响下，容易出现网络无法覆盖、信号不稳等问题，传递的信息非常有限[9]。

内河预警信息发布和船端接收方式有局限性。目前长江航运的船舶主要依靠甚高频（VHF）广播、F M收音机收听、互联网查询、短信订阅等方式接收预警信息。这些方式都以被动接收为主，难以对政府主管部门形成信息反馈。而北斗系统除了具备导航定位功能外，独特的短报文通信功能对水上遇险报警、信息通信等有一定的应用前景。

四、发展趋势分析

1.北斗将逐渐替代GPS成为内河船舶定位导航的标配

面对错综复杂的国际形势，十八届五中全会关于“十三五”规划建议明确提出实施国家安全战略。北斗系统是国家重大的空间和信息化基础设施，是经济安全、国防安全、国土安全和公共安全的重大技术支撑和战略威慑基础资源。在关系国家安全的关键领域实现北斗对GPS的全面替代，在全行业实现北斗的应用普及，是大势所趋。

内河船舶导航定位及应用系统过分依赖GPS，有较为严重的安全隐患，已引起交通运输行业主管部门的重视，正在通过专项规划、示范工程、政策法规、标准规范等一系列举措推进北斗对GPS的替代。按照2014年国际海事组织（IMO）的MSC.401（95）决议要求（2017年12月31日或以后安装的多系统船载无线电导航接收机应支持至少两套独立的GNSS系统）[10]，为相关部门适时出台北斗系统在内河航运领域应用的政策措施提供了依据，将带动船载通信导航设备以北斗系统为主成为标配，为北斗在内河领域的发展提供了难得的契机。

2.随着北斗的应用推广，内河领域应用将全面进入高精度时代

国家北斗地基增强系统框架网及区域加密网已初步完成建设，长江等内河也在开展沿江的北斗地基增强系统建设，逐步形成地基增强“一张网”，将为北斗精度的提升提供技术基础[11]。

北斗精度的提升，将促进用户选择北斗，有利于提升用户体验及行业内已有业务问题的解决。比如，定位精度的提升将带来船舶避碰预警准确率提升，有效保障船舶航行安全，同时可实现船舶的精确导航和指引，提升船舶导/助航信息服务水平。随着行业示范工程的落地实施，北斗高精度技术在港口的应用将愈加成熟，港口集装箱、车辆等资源的管理和调度、船舶进出港指引和靠离泊辅助依托高精度定位技术将逐步实现自动化。

3.北斗短报文在船岸通信应用中将占有一席之地

北斗的短报文通信功能是北斗区别于其他导航系统的特色功能，一般用于应急通信，北斗全球导航系统计划2020年实现北斗卫星无线电测定业务（RDSS）通信全球覆盖，北斗短报文通信容量和应用范围将进一步扩大。将北斗RDSS通信作为遇险报警手段的北斗应急无线电示位标，是替换406M H z 卫星示位标的新型终端，交通运输部已制定了该终端的技术规范，计划在沿海和内河的船舶进行示范推广。

此外，北斗短报文通信可以作为船舶预警信息发布的手段，对于移动通信信号覆盖不佳的区域作用更加明显。北斗短报文通信不受通信距离的限制，其短报文回执功能还可以辅助信息发布者评估预警信息发布的效果，与VHF、F M等单向通信手段相比更具优势。

五、结语

综上所述，在内河航运领域北斗将逐步替代GPS成为标配，随着北斗地基增强系统及行业北斗重大专项应用示范工程的建设，船舶定位导航等应用将过渡到高精度时代，为船舶、海事、港口等用户带来全新的体验，北斗将会在内河航运领域实现应用普及。

[1]交通运输部.2016年交通运输行业发展统计公报[EB/OL].北京：2017[2017-10-19].http://zizhan.mot.gov.cn/zfxxgk/bnssj/zhghs/201704/t20170417_2191106.html.

[2]国务院.“十三五”现代综合交通运输体系发展规划[EB/OL].北京：2017[2017-10-10].http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-02/28/content_5171345.htm.

[3]魏亚华.船舶电气主要技术及发展趋势探究[J/OL].电子技术与软件工程2017[2017-09-27].https://kns-cnki-net.e.buaa.edu.cn/kcms/detail/10.1108.TP.20170927.1044.216.html

[4]程家友.谈电子巡航在长江海事的应用[J].中国海事，2013（02）：42-44.

[5]余青容，喻守刚.北斗卫星导航系统在长江航道的应用展望[J].中国水运（下半月），2017（01）：82-83.

[6]杨徉,喻国荣,潘树国.北斗系统在港口定位中的应用[J].港口科技，2013（09）：26-29.

[7]王晓莉,窦路,陈凯.北斗在内河船舶过闸申报系统中的应用探究[J].数字通信世界，2016（07）：4-6.

[8]刘天雄.美国对GPS用户的限制有哪些?[J].卫星与网络2012（8）：56-62.

[9]马枫.内河AIS通讯链路可靠性分析与技术研究[D].武汉，武汉理工大学，2012:11-20.

[10]THE MARITIME SAFETY COMMITTEE IMO.PERFORMANCE STANDARDS FOR MULTI-SYSTEM SHIPBORNE RADIONAVIGATION RECEIVERS: RESOLUTION MSC.401(95)[S].IMO,2015:2.

[11]新华社.北斗地基增强系统项目一期完成建设：“全国一张网”正式上线运行[EB/OL].北京：2017[2017-1-16].http://news.xinhuanet.com/politics/2017-01/16/c_1120319868.htm.