北斗卫星导航系统在智慧水上交通建设中的应用
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作者:马甲林
【摘 要】 为使北斗导航系统在智慧水上交通建设发挥更大作用，介绍东海航海保障中心北斗导航民用分理服务管理中心成立以来在智慧水上交通建设中已发挥的作用，及其与北斗导航系统相关系统在船舶智慧监管、航标智慧监控、应急搜救、水文气象服务、连续定位服务、高精度定位服务等领域的应用，为更好地发展智慧水上交通提供相关行业经验。
【关键词】 智慧水上交通;北斗导航系统;海事;海事北斗分理中心
0 引 言
水上交通是交通运输的重要组成部分。随着我国建设海洋强国战略的实施，智慧水上交通建设也成为热点。2019年5月，交通运输部等7部门联合发布《智能航运发展指导意见》，为智能航运未来30年发展指明方向。智能航运是传统航运要素与现代信息、通信、传感和人工智能等高新技术深度融合形成的现代航运新业态，包括智能船舶、智能港口、智能航保、智能航运服务和智能航运监管等5个方面基本要素。《智能航运发展指导意见》提出要重点提升港口码头和航运基础设施信息化、智能化水平，推进智能船舶技术应用，加快船舶智能航行保障体系建设以及培育智能航运服务新业务、新模式。
随着我国北斗卫星导航系统的建设，基于北斗卫星导航系统的智慧水上交通建设也有了较快发展。
1 智慧水上交通建设
2017年，国务院印发《“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”列为交通运输智能化发展重点工程。
智慧水上交通包括智能交通基础设施和智能“互联网+”平台服务。智能交通基础设施是由具有定位、通信、感知、人工智能能力的基础设施和多功能交通载体组成;智能“互联网+”平台提供以人为本的精密交通服务，实现系统集成和综合交通服务。北斗导航、5G、物联网、云计算、人工智能等技术的融合应用也加速了智慧水上交通建设进程。
2 海事北斗分理中心建设
2015年4月，交通运输部海事局授权东海航海保障中心开展北斗导航应用服务;2015年6月6日，东海航海保障中心成为全国海事系统唯一一家具有北斗导航民用分理级服务试验资质的事业单位;2017年5月，东海航海保障中心完成北斗导航民用分理服务管理中心（以下简称“海事北斗分理中心”）建设工作，这是我国海事领域第一个专注于北斗导航民用服务的机构，其作用是全面推动北斗导航系统在海事航保领域的应用。该中心成立后开展了北斗差分台站改造、北斗卫星定位服务连续运行参考站（CORS）网络建设、北斗船台和航标北斗遥测终端推广、北斗应用创新推广等工作。通过利用北斗卫星无线电测定业务（RDSS），提供基于位置的信息协同、短报文信息转发、数据传送、远程测控以及各类信息增值服务。
海事北斗导航服务系统包括数据处理子系统、基础支撑子系统以及运营管理子系统（见图1）。数据处理子系统实现了北斗应用设备的数据接入、分类、融合、存储等处理，并向用户提供信息分发、信息协同等服务。基础支撑子系统实现了动态位置信息服务、短报文互通服务、行业信息服务、行业增值信息服务和历史數据查询服务。运行管理子系统实现了用户信息管理、北斗应用设备管理、运营计费管理、运营数据统计、运营值班监控管理等。
3 海事北斗分理中心在智慧水上交通建设中发挥的作用
北斗导航系统在智慧水上交通领域具有广泛的应用空间，结合大数据、物联网、移动互联网等新技术，以水上交通数据为基础，打造智慧水上交通综合服务平台。北斗导航系统在智慧水上交通建设中的应用框架见图2。海事北斗分理中心已建成海事系统北斗数据中心，依托东海海区船舶自动识别系统（AIS）管理中心的优势，通过与水文气象相关单位合作，构建并实现了采集、传输、应用综合体系，打造了多个智慧水上交通信息应用系统。
3.1 船舶智慧监管
利用北斗导航系统的全天候定位和通信能力，为船舶提供水上安全服务，有效解决船舶水上交通监管和通信盲区，构建了全方位立体综合海事监控系统，实现了24 h不间断监控船舶动态信息、禁航区自动管控、安全信息播发、船舶避碰指挥、遇险船舶紧急求救信息发布等。具体应用如下：
（1）澜沧江-湄公河海事安全监管。澜沧江两岸崇山峻岭，自然条件险恶，原有的地面移动通信、短波电台、甚高频（VHF）等无线通信网等都无法保证航行于澜沧江船舶的通信，给船舶航行安全带来很大隐患。目前，东海航海保障中心已在澜沧江水域中国籍船舶装配多台北斗船载终端，实现了船位监控、自动预警、遇险报警与救助、指挥调度、中英文通信、运输船舶管理和船岸信息沟通等功能，大大提高了澜沧江船舶航行安全和海事监管水平。
（2）博斯腾湖海事监管。通过北斗卫星传输AIS信息成功解决湖区水域无法架设AIS基站的难题，采用北斗船载AIS终端能提供能见度不良条件下湖区旅游船舶互见及避碰等技术条件，提高了海事现场监管能力，解决了湖区无公网手机信号的短信收发问题，便于及时掌握旅游船舶航行状态，替代原有海事人员现场死看死守的管理模式，大大提高了管理能力，降低管理成本。
（3）保障我国船舶极地航行安全。“雪龙”号是中国最大的极地考察船，在第31次南极科考中，东海航海保障中心在“雪龙”号安装了北斗AIS一体化船载终端，为海洋局提供“雪龙”号科考船的动态位置信息，并利用中国首艘无人智慧测量艇以及多波束声呐、卫星实时动态差分定位系统、磁力仪器等扫测设备，在罗斯海首次发现新锚地。“永盛”轮在北极航道航行中也通过北斗终端实现了船岸通信和船舶位置监控。
（4）用于海洋局公务船。国家海洋局是国土资源部管理的监督管理海域使用和海洋环境保护、依法维护海洋权益、组织海洋科技研究的行政机构。海洋局所属工作船舶肩负着维护海洋主权的职责，在多条海洋局公务船上安装北斗船载终端，既满足了对船舶的动态监管需求，也兼顾了数据保密要求。
（5）在马航MH370客机搜救任务中的应用。“海巡01”轮于2017年3月前往南半球高纬度海域开展马航MH370失踪客机搜寻工作。在外海作业期间，“海巡01”轮船载北斗AIS一体机将现场搜救船舶的动态位置信息通过北斗短报文实时传送给国内指挥中心，在搜救工作中起到至关重要的作用。 （6）在内河海事监管中的应用。凉山州水运资源丰富，拥有金沙江、雅砻江、大渡河、安宁河、邛海、泸沽湖等通航河流和湖泊。随着水电资源开发，通航里程持续增加，通航环境大为改善，凉山州发展内河水运的基础条件进一步夯实，但是航运安全基础薄弱的现状没有得到根本改善，海事监管条件仍相对滞后，现代化监管手段尚未起步建设，现有安全监管及应急救援能力已不能适应辖区点多、面广、战线长的监管特点。以北斗导航作为技术手段获取重点船舶的动态位置信息，为重点水域内的航行船舶提供信息服务，保障了船舶航行安全，提高了凉山地方海事水上安全监管能力，为凉山州水上人命搜寻救助和应急反应提供有力支持。3.2 航标智慧监控
基于北斗导航系统的航标遥测遥控系统具有监控范围大、数据可靠的优势，该系统解决了公网和AIS基站信号存在盲区的问题，使监管部门可通过该系统对无公网信号覆盖地区的航标工作状况进行实时动态监测。目前，我国沿海海区已安装多套北斗遥测终端系统。
上海市长江口中华鲟自然保护区位于崇明岛东部水域，是中华鲟生殖栖息的重要水域。在保护区设置专用标志，采用高分子塑料灯浮并装配有最新的北斗遥测终端、AIS应答器以及相关环境监测传感器，用于标示中华鲟自然保护区边界，监测自然保护区内生态环境。
3.3 应急搜救救援
海事北斗分理中心参与北斗紧急无线电示位标标准的制定和应用推广工作。配备北斗紧急无线电示位标的船舶遇险时能立即内向北斗卫星发送包含自己标识、位置、时间等信息的报告电文，再通过转送分发至各海事局、渔政局、船舶交通服务中心（VTS）、远地通信中心（RCC）等各级系统。同时，利用北斗系统的双向通信功能，也可将信息反馈给北斗应急示位标和参与救援的船舶。
3.4 北斗与水文气象
东海海区多个水文采集站点已采用北斗终端进行水文数据的传输。离岸水文信息采集系统是在远离海岸线和岛礁区域无法设置固定水文潮站的沿海或近海抛设海洋浮标定点观测水文等信息，采集数据在浮标上集成后，采用北斗系统实现数据通信，实时传输水文信息。各类传感器采集气温、湿度、气压、风向、风速等多种海洋气象要素数据，再通过北斗系统传至监控中心，实现数据自动化观测和传输。海事北斗分理中心为气象部门提供北斗通信渠道，向重点船舶播发气象信息，根据船舶北斗定位信息可以对某个区域的船舶进行定制化气象预报推送服务，为船舶航行提供精准的、必要的安全航行信息。
3.5 北斗连续运行定位系统
东海海区现已建成自主可控、全国产化的北斗地面基站增强系统，在系统覆盖范围内提供实时米级、分米级、厘米级及后处理毫米级高精度定位基本服务能力。基于北斗CORS系统的大型船舶高精度导航及靠泊仪是大型集装箱船在能见度不良天气条件下进出洋山深水港航海保障系统建设工程的重要组成部分，支持AIS、北斗、雷达等，提供厘米级的高精度导航定位服务，为夜航、雾航条件下的船舶高精度定位、导航和安全靠泊提供支持，保障船舶航行安全，为大型集装箱船在洋山深水港区域内实现全天候、全天时安全快速进出港及靠离泊提供助力，对提高洋山港的港口运营水平、提高货物吞吐量、提升服务能级具有重要意义，也标志着E航海战略实施启动，是海事航保服务在上海国际航运中心和自贸区建设的又一有力举措。
3.6 无线电指向标-差分台站（RBN-DGNSS）
为提高船舶导航定位精度，交通运输部海事局分别对北方海区、东海海区、南海海区的RBN-DGPS台站进行了改造，改造后可同时播发BDS/GPS的差分信息，现已建成RBN-DBDS系统，在300 km范围内提供约3 m精度的定位服务，优于RBN-DGPS的5 m。
4 展 望
2020年，北斗卫星导航系统将完成全球组网，这既是机遇也是挑战。海事北斗分理中心將牢牢把握北斗系统全球化推广的机遇，践行自身发展理念，推动新常态下现代综合交通运输发展，通过北斗应用推广不断提升业务水平，为用户提供更优质的航海保障服务。2019年，《数字交通发展规划纲要》《交通强国建设纲要》发布，提出交通运输基础设施和运载装备全要素、全周期的数字化升级迈出新步伐，数字化采集体系和网络化传输体系基本形成。数字交通也成为今后发展的方向。交通运输也将成为北斗导航的民用主行业，海事北斗分理中心将继续推动交通基础设施全要素、全周期数字化，实现布局重要节点的全方位交通感知网络，推动载运工具、作业装备智能化，构建智能化的应用体系。
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