基于北斗三代数据传输的航海保障应用研究

毛建峰 季克淮 王玉强 谢海东 天津航标处

1.研究背景

1.1 政策背景

北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是我国为了国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，创新融合了导航与通信能力，具备报文通信服务能力。区域通信能力达到每次14000比特（1000汉字），既能传输文字，还可传输语音和图片，并支持每次560比特（40个汉字）的全球通信能力。北斗系统是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。北斗报文服务系统作为北斗系统非常重要功能性组成部分，是北斗系统相较其他全球卫星导航系统的特色服务和差异化巨大优势。2020年7月，北斗三号报文服务系统正式开通运行，可为亚太地区用户提供稳定可靠的报文通信服务。

同时，2019年发布的《北斗加入国际海事组织全球海上遇险与安全系统总体建设方案》确定了军民双方工作分工，明确由交通运输部负责北斗海事业务运行管理平台和配套体系建设。

1.2 行业发展背景

航标是保障船舶安全、经济、便利航行的重要设施，在航海保障工作中具有重要作用。现行航标管理模式下，进行海上航标巡检维护时，通常会采取文字和拍照记录，受公网通信范围的影响，无法图像实时上传，不能通过语音实现海、陆管理现场互动。不能一次出海实时解决问题，影响了工作效率，造成了极大的成本和时间的消耗。随着北斗（二代）短报文在航标遥测遥控上的采用，虽然大大提高了航标的管理范围，但是海上通讯能力仍然是航标事业发展的瓶颈，限制了我国航海保障工作水平。

为了方便有效的解决航标管理中通信方式的问题，提出基于北斗三代的数据传输终端研究思路，以便在航标监测、巡检、作业中，通过北斗卫星，达到能实时传送1000个汉字以内报文，能够传输图片、语音等数据。

2.应用场景及目标

2.1 应用场景

2.1.1 应用场景一：传输航标巡检作业数据（图1）

北斗三代数据传输的航海保障应用终端在航标巡检、作业时携带，可使手机等设备联网登录航海保障系统相关管理平台进行图片、语音等数据传输。

该类终端特点：①便携。便于作业人员携带终端至船舶等作业现场使用。②摆脱公网信号区域传输限制，实现图片、语音、数据现场传输。基于北斗三代数据传输的航海保障应用终端切实为航标巡检等作业提供传输线路技术支持，实现可在岸端服务器端，验证浏览远端通过北斗三代数据传输的图片、音频等多媒体文件，一次出海完成航海保障系统相关平台管理工作，提升工作效率。

2.1.2 应用场景二：升级航标遥测遥控系统

北斗三代数据传输的航海保障应用终端安装于灯浮标上，供相关影像监控设备传输语音、图片等数据，实现实时画面传输，进而实现航标遥测遥控管理升级。

该类终端特点：①终端体积小，一般为航标灯器等终端内遥测遥控模块改造。②融合加速度传感等技术，可在船舶碰撞航标时，能够为摄录影像实时回传的提供传输线路技术支持，大幅提高对航标触碰事故肇事船舶的识别和锁定工作效率，有效提升航标触碰事故索赔成功率。

2.1.3 应用场景三：丰富多功能航标信息采集（图2）

北斗三代数据传输的航海保障应用终端安装于孤岛灯桩或灯浮标等多元数据传感器集成的多功能航标上，多功能航标通信能力将得到升级，在获取航标动态数据、航标所处海域的能见度、气象、水文、波浪等数据的同时，一并采集附件图像等实况信息，不但实现航标巡视的作用，还利用有限的探测资源并采用高效地配置方案，扩展了时间上和空间上的观测范围。不仅最大程度的完成了海洋环境探测任务，对海洋气象、海况预报通过图片实时印证，改变了传统视频监控系统（图像信息）的数据采用本地存储，图像数据为工作人员登上浮标取换卡提取的方式，实现航标功能领域的升级拓展，提升了航标设备的高效利用率。最终，通过陆端系统的智能融合，实现了航标运行数据与水域环境数据的集成最大化，达到航海数据的监测管理和生态环境数据信息共享、共进，从而为海上作业和航海活动提供数据支撑，助推智慧航海领域的进一步发展和应用。

该类终端特点：因集成传输数据的设备、模块较多，数据传输量大、频次相对较高，且供电设备一般使用太阳能锂电池，所以对该类终端供电线路和通讯时长设计提出较高要求。

2.2 研究目标

基于北斗三代数据传输的航海保障应用将结合北斗三代数据传输技术和航海保障工作需要、航标设备数据传输特点开展，深化北斗三代技术应用，完善北斗三代短报文航标航测遥控系统功能，可提前采取预防性措施或失常恢复手段，大幅提高航标工作稳定性和正常率，有效降低因航标失常引发的事故风险，为船舶航行和港区作业提供精准、高效的航海保障服务，从而保障水上交通安全形势的持续稳定。为未来在航海保障系统相关管理平台进行航标业务应用提供技术路线验证。

未来，能够在公网信号覆盖区域外执行航标巡检、应急任务时，实现图片、语音等数据实时传输，提升航标运维工作效率；在船舶碰撞航标时，能够为摄录影像实时回传提供传输线路技术支持，实现智能化航标碰撞检测及证据回传，为追查肇事船舶提供证据支持，最终实现“海上电子眼”的功能。同时，通过北斗三代数据传输技技术在航标遥测遥控管理中应用落地，为海事管理机构对专用航标的监督管理提供更加可靠、直观、便捷的监管手段，有效解决了海事管理机构在航标监管中不能实时查看海上图片的难题，为进出港船舶提供安全、优质、高效的助航服务，推动了海事监管和航海保障一体化融合发展。

3.可行性分析

3.1 可借鉴其他行业北斗三代数据传输技术相关应用

2020年6月，北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空，标志着北斗三号全球卫星导航系统正式开通。接下来将在各行各业中技术落地，可充分借鉴在北斗全球海上遇险与安全等其他方面的应用成果，充分挖掘北斗三代系统在航海保障领域的技术应用优势，推进航标信息化、智能化建设进程。

3.2 北斗三代数据传输终端为航海保障应用前期研究奠定基础

基于北斗三代的数据传输终端，能够实现实时传送1000个汉字以内报文，传输图片、语音等数据。北斗三代数据传输终端是一款支持北斗三号系统RDSS/RΝSS功能的数传一体机。产品内部集成了北斗多频天线、射频、基带以及主控等功能单元，可实现卫星定位、导航、短报文通信、等功能。同时设备可以扩展4G网络通信功能，现实北斗+公网的双模通信。产品可广泛应用于卫星通信、位置监控以及应急通信等领域。北斗三代RDSS终端设备通过北斗卫星信道实现传输图片、语音等数据所采用的技术手段和实现方法，服务性能和容量相对比北斗二号大幅提升。北斗三代RDSS链路的语音图像传输技术，可以弥补传统通信系统覆盖能力弱，以及当前阶段我国卫星通信能力相对不足的缺陷。

结合北斗三代的数据传输终端的通信优势，结合航标管理工作特点，可以得出结论：研制基于北斗三代数据传输终端在航海保障工作中的应用是对航海保障传统通讯方式的有效补充，具有可行性、必要性。

3.3 北斗技术应用在航海保障领域的推广已有丰富经验积累

北斗一代和二代技术在航海保障领域的应用已长期推广，该领域（沿海航标管理机构等）长期研究航标器材终端设备北斗通讯、定位等，对于北斗RDSS短报文工作制式熟悉，在使用和推广过程中掌握了北斗技术的实现原理和方法，积累了丰富的技术手段，做好了前期知识储备工作。2019年底，北方海区已经按照交通运输部海事局要求，航标遥测遥控覆盖率、北斗终端覆盖率均达到100%。当前普遍使用的新型北斗测控航标灯器是一种集北斗定位和北斗通信于一体的“双北斗”灯器，通信采用北斗二代数据传输技术，定位准确，信号覆盖广，智能化程度高，通过遥测遥控能够对航标工作状态简单的进行远距离数据监控。

同时，沿海航标管理机构具备基于北斗三代数据传输终端技术路线的基本验证环境和场地资源，可以有效的保证基于北斗三代数据传输终端的基本功能和应用测试工作。

4.重点研究内容

应当充分发挥北斗三代在航标管理上的应用优势，升级航标遥测遥控能力，提升航标巡检作业效率，为航标用户提供更加安全﹑可靠的导助航服务，营造和谐安全的航行环境。基于北斗三代数据传输的航海保障应用研究项目将在研究北斗三代数据传输技术的基础上，结合航海保障工作需要和航标设备数据传输特点，深入研究以下内容：

第一，北斗三代数据传输面向极低速率语音压缩的编码与增强算法研究，以及北斗三代数据传输面向语音图像高效可靠传输的协议优化设计。

第二，支持语音、图像等数据传输的北斗三代应用终端。北斗三代数据传输技术在航标管理工作上的应用终端，可支持手机等各类终端设备联网登录航海保障系统相关管理平台进行图片、语音等数据传输。

第三，搭建北斗三代双向通信数据传输链路。基于北斗卫星导航系统的双向短报文通信、高精度定位、自主信息传递、全球覆盖和全天候可用的特点，通过搭建北斗通信链路，实现天地双向通信，既可以解决近距离传输的弊端，又可以提高通信质量，丰富了海上远距离通信手段和监管方式，为实现辖区全范围航标监控、航标巡检、航标作业提供了强有力的通信支持和保障。

5.总结

该研究为北斗三代数据传输技术在航海保障工作上的应用迈出了坚实的一步，不但为实现航标遥测遥控系统升级提供技术路径，而且做到拍照、语音等记录实时上传航海保障相关管理平台，实现海上巡检与陆地管理互动，一次出海解决问题，大幅提升航标巡检效率，节约管理成本和时间，并减少船舶燃油使用，降低污染物排放，可产巨大的经济和社会效益。同时，随着通信数据传输能力瓶颈的突破，遵循交通运输部海事局关于信息化工作的顶层设计思路，以多元化数据（北斗三代数据数传技术应用后，增加了图片、语音等数据）为基础，围绕航保业务质量管理体系，依托物联网平台，借助云计算、大数据、AI等高科技应用手段，构建以“北斗+”“互联网+”为特色的多技术融合应用将可以在航海保障工作中将广泛实现，进而推动智能航保的建设，为交通强国战略贡献力量。