北斗定位导航系统在香港三跑填海工程的应用

李书瑭，黄双飞

（中交广州航道局有限公司，广东 广州 510290）

0 引言

香港国际机场第三跑道工程（简称香港三跑工程）地处香港离岛区大屿山赤鱲角现有机场岛以北，总投资约为2000 亿港币，业主为香港机场管理局。填海面积约为650 hm2，回填施工总量约9200 万m3，主要施工内容包括填海造地、海堤施工、地基处理等工作内容。填海材料主要来自内地，由港籍皮带砂船运至施工现场配合绞吸船、泵沙船等工艺卸砂。

本项目的皮带砂船基本覆盖安装北斗定位导航系统，该系统用于辅助砂船自航至卸砂点卸砂，提高了卸砂效率，减少了安全违规事件发生频次，应用效果较好。本文对于北斗定位导航系统的开发技术路线、软件功能设计、定位精度试验验证、应用情况、实施效果等方面做了介绍，对于有类似项目背景的应用具有一定的借鉴作用。

1 应用背景

香港三跑工程施工水域由6 个标段同时在此作业，高峰期近200 条船舶在此航行、施工。周边水域复杂，北边有高速客运船航道及海洋公园水域（禁区），东侧有规划的限速区、锚地。随着填海的进展，施工区域水深逐步变浅，随时可能发生搁浅的风险。由于南边是现有机场，故邻近南边水域，有严苛的限高要求，不同高度的船舶有不同的限高范围。如发生超高事件，则有可能对飞机运行造成影响，是非常严重的违规事故。

填海作业高峰期平均每天约20 航次皮带砂船来香港三跑工程卸砂，船上的导航系统并不能显示出施工区周边水域状况，随时可能发生各类违规事件。为了避免发生这种情况，项目部租赁了大量的拖轮，负责将皮带砂船从施工区域外引航至卸砂点卸砂，卸完后，再将其引航出施工区。如此运转，严重影响了卸砂效率，并且为项目增加了大量的拖轮租赁成本。

在上述的背景下，需开发出一套适用于香港三跑工程的船端离线导航系统，能够使船长了解周边水域情况，辅助其安全航行。

2 技术路线

2.1 北斗以及GPS 定位技术的介绍

北斗导航以及GPS 定位技术都是属于卫星定位技术的范围，主要功能是接受卫星所发来的信号，并且针对卫星定位进行解析，然后通过计算来确定自己所在的地理位置。

北斗定位导航系统是我国自行研制的全球卫星导航定位系统。它不仅有精确定位、精准授时等功能，更具备短报文通信功能。在2003年5月25日，随着第3 颗北斗导航试验卫星的发射，北斗导航系统初步建成，覆盖区域包括中国周边地区。截至2020年，已发展成第三代系统，定位精度为平面2 m，实现全球覆盖[1]。

2.2 北斗定位导航系统构成

市场已有成熟的北斗定位天线[2]，仅需开发一套软件、再配合笔记本电脑/平板电脑便可达到离线导航的使用需求，如需数据交换，另需3G 上网卡便可实现。

利用市场成熟的硬件产品结合自身需求开发软件功能，这是最快捷、最可靠的技术路线，从开发周期、成本、可操作性来说，均可满足香港三跑工程的迫切需求。

2.3 精度及稳定性试验测试

1） 为验证市场上北斗定位天线的精度及稳定性，将北斗定位天线与RTK-GPS 天线绑定在船端进行测试，经过近半天的对比，发现二者轨迹始终存在固定偏差（2 m），见图1，固定偏差可通过后期软件进行修正，精度完全满足船端导航的使用需求。

图1 北斗信号与RTK-GPS 进行测试Fig.1 Beidou signal compare with RTK-GPS

2） 在数据稳定性方面，采用20 套北斗天线进行为期1 周的测试。试验结果证明所有产品质量可靠，数据稳定，位置刷新频率每1～2 s 一次，无跳点现象发生，20 套天线均可满足使用需求。

3） 定位数据通过网络回传调度系统，系统中显示的船舶位置准确，数据刷新频率稳定（秒级），形成的轨迹完整、连续，满足使用需求。

3 导航软件的开发

3.1 软件功能设计

基础功能包括船标配置、船舶定位、定向、实时香港坐标显示、导入背景文件（dxf 格式）、导入测量水深数据（xyz 格式）、水深色块显示、联网情况下船舶信息、定位信息实时回传至调度系统[3]、无网状况下船舶轨迹数据存入缓存等。

高级功能包括背景图、水深文件、定制航线实现远程推送，安全围栏预警等[4-8]。

3.2 软件功能特色

根据本项目的需求，针对软件进行了定制化开发。相比较其他定位导航软件，主要体现在以下几个方面：

1） 船标可根据船舶实际大小、形状进行绘制显示。

2） 在联网的状况下，软件可将船舶实时定位信息回传至调度系统，大大提高调度系统的船舶动态状况。

3） 在无网络情况下，船舶的历史轨迹数据将存储在电脑缓存中，待联网后，再将其回传至调度系统，形成完整的轨迹记录。

4） 可针对每条船舶配置不同的安全围栏（禁区），当船舶接近禁区范围100 m/200 m 发出不同预警，提醒船长应立即远离禁区。

4 实际应用

4.1 辅助砂船、拖轮船长航行

通过该系统，船长在显示屏可了解施工区周边水域状况及船舶实时位置，辅助其航行及停泊，包括以下应用：

1） 将船停泊在指定的锚地区域，等待验砂。

2） 若船舶进入限速区后，限速航行。

3） 避免船舶进入禁区、限高区。

4） 按照规划的航道航行，避免进入高速客运船航道。

5） 方便向引航拖轮船长下达指令，根据系统中显示的A、B、C、D 等航线，将砂船引航至指定的卸砂点。

4.2 皮带砂船按定制航线自助航行至卸砂点卸砂

随着填海的进展，皮带砂船需按照指定的A、B、C 等航线航至不同的卸砂点卸砂，否则会发生搁浅的风险。对于不熟悉该水域的船舶，利用拖轮将其引航至卸砂点卸砂。卸砂完成后，再由拖轮将其引航驶离施工区。

根据香港三跑工程《海事管控流程》，若近期3 个月内频繁来香港三跑工程卸砂，船长未更换过，北斗定位导航系统运行正常，且背景图更新至最新版的船舶可获得引航豁免，由其自航至卸砂点卸砂，卸完后自航驶离。

供应商为了加快皮带砂船运转周期，积极申请取得豁免，目前大部分船均实现了利用北斗导航系统自主航行卸砂。

4.3 北斗定位导航系统与调度系统实现数据穿透

为监控船舶动态，方便船舶调度，香港三跑工程开发了船舶调度系统（简称调度系统），见图2。可显示船舶位置信息，该系统中船舶定位数据源主要来自AIS（Aeronautical Information Service），船舶自动识别系统[2]，但有刷新频率低，定位不准确的缺陷。

图2 调度系统及船舶接收的北斗信号&AIS 信号源Fig.2 Barge system and Beidou&AIS signal received by barges

考虑将北斗定位导航的信号接入调度系统，实现数据穿透。通过在调度系统中增设临时中间数据库，AIS 及北斗数据源均先写入中间库，再通过算法筛选、排序后，将最新的数据写入最终数据库，可实现调度系统始终显示AIS 与北斗信号二者中最新的数据源。

在没有网络的情况下，首先将历史位置数据存入缓存文件，待有网络时一并发回调度系统，形成完整的历史轨迹，便于向业主方提供航次验收资料。

5 应用效果及效益

5.1 提高卸砂效率，产生较好经济效益

相比较拖轮引航的方式，皮带砂船根据北斗定位导航系统，自航至卸砂点卸砂，不仅大大提高了船舶周转效率，卸砂效率，并且为香港三跑工程减少了拖轮租赁数量，产生了较高的经济效益。目前，已有约50 条皮带砂船利用北斗定位导航系统实现了自主卸砂，占比80%。

5.2 有效地降低违规事件发生概率

通过安装北斗定位导航系统，香港三跑工程降低了超高、超速、违规停泊等事件的发生。北斗定位导航系统以较低成本进行部署，发挥了较大的作用，是项目部进行海事管控的有效措施之一。

5.3 提升香港三跑工程海事安全管控手段

北斗定位导航系统与调度系统的结合，使得调度系统数据更为准确、完整。在船舶调度、轨迹查询、超高预警、安全围栏等方面发挥了作用，为香港三跑工程的海事安全管控发挥了重要作用。

6 结语

北斗定位导航技术目前已非常成熟，市场有足够多性价比高的产品可供选择，能够满足各领域的应用需求。通过北斗定位导航系统在香港三跑工程的实践应用，进一步验证了其巨大应用价值，提高了生产效率，提升了海事安全保障，也间接提高了船长应用新技术的能力。

随着我国北斗定位导航系统的完善，精度的提升，相信未来对于大型填海项目会有更多、更深入的应用。