北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在海洋工程中的應用

陳洪武,胡斌,田鋮

(上海海洋大學 工程學院,上海 200000)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在海洋工程中的應用

陳洪武,胡斌,田鋮

(上海海洋大學 工程學院,上海 200000)

摘要：隨著全球資源問題的愈發(fā)突出,2011年國務院在“十二五規(guī)劃”中提出了加強對海洋資源的開發(fā)和利用,海洋工程相關技術與設備是開發(fā)海洋資源的根本。論文首先介紹了北斗系統(tǒng)的基本組成和功能,對其定位精度作了簡要分析,并從遠程通信與管理、數據實時傳輸、高精度定位以及緊急救援四個方面對北斗系統(tǒng)在海洋工程的應用進行了探索,總結了北斗系統(tǒng)在該領域的重要應用意義。

關鍵詞：北斗系統(tǒng);海洋工程;作業(yè)船舶

0引言

海洋工程指以開發(fā)、利用、保護和恢復海洋資源為目的,并且工程主體位于海岸線向海一側的新建、改建和擴建工程,分為海岸工程、近海工程和深海工程[1]。面對全球性人口的緩慢增長、陸地資源的逐步枯竭和環(huán)境危機,各國對海洋資源越來越重視．海洋工程中的技術與設備在海洋資源的開發(fā)與利用中起著決定性的作用．隨著科技的發(fā)展,各種先進技術與理論應用于海洋工程領域。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主建設、獨立運行的且與世界其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。2015年的第四顆新一代北斗導航衛(wèi)星在9月30日7時13分成功發(fā)射,標志著我國北斗系統(tǒng)由區(qū)域運行向全球拓展計劃的穩(wěn)步推進。隨著北斗系統(tǒng)地面基礎設施的完善,多項核心技術的突破以及全球范圍內的布站,北斗系統(tǒng)被廣泛應用于交通、氣象、航空、通信等領域[2-4]。論文利用北斗系統(tǒng)的特點從遠程通信與管理、數據實時傳輸、高精度定位以及緊急救援四個方面對海洋工程中的應用進行了探討。

1北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由地面段、空間段和用戶段組成,地面段主要包含主控站、注入站和監(jiān)測站等,空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成,用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端。根據系統(tǒng)建設總體規(guī)劃,北斗系統(tǒng)將在2020年左右覆蓋全球。屆時,北斗系統(tǒng)可在全球范圍內,向各類用戶提供全天候、高精度、高可靠性的定位、導航和授時服務,并兼具短報文通信能力。截止到2016年3月底,我國已成功發(fā)射22顆北斗導航衛(wèi)星。

1.2系統(tǒng)功能

北斗系統(tǒng)的主要功能有三個方面:1) 快速定位,為服務區(qū)域內的用戶提供全天候、實時定位服務,其定位精度與GPS民用定位精度相當,水平定位精度為100 m,在設立標校站之后的定位精度可達20 m．2) 精密授時,精度達20 ns．3) 短報文通信,北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報文通信功能,一次可傳送多達120個漢字的信息。

1.3系統(tǒng)定位精度

根據用戶的運動狀態(tài),定位分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位;根據定位模式,定位分為絕對定位(又稱單點定位)和相對定位(又稱差分定位)。北斗動態(tài)導航定位技術主要有兩種,一是精密單點定位,二是載波相位差分定位。

國內外眾多學者研究了北斗系統(tǒng)單點定位、精密單點定位、動態(tài)偽距差分定位、基線相對定位等算法,通過實測數據評估了北斗系統(tǒng)的定位性能。數據處理表明:偽距單點定位精度在10 m之內,動態(tài)偽距差分定位精度可達2～4 m,精密單點定位和基線相對定位精度可達厘米級[5-6]。其中,北斗偽距單點定位和差分定位的定位精度可分別滿足普通導航定位要求和較高精度的要求。

2北斗系統(tǒng)在海洋工程中的應用

海洋環(huán)境復雜、惡劣且多變,海洋工程技術由于起步較晚,明顯落后于歐美國家,極大地限制了海洋工程的發(fā)展與進步。目前海洋工程面臨著眾多關鍵性技術問題,其中主要包括遠程通信與管理、數據實時傳輸和精準定位等[7]。隨著北斗系統(tǒng)由區(qū)域服務向全球拓展的逐漸轉變,以及北斗地基建設的日益完善,北斗系統(tǒng)的高精度定位、全天候、全天時、短報文通信等特點更加突出,促進了北斗系統(tǒng)在各行業(yè)各領域的廣泛應用。北斗系統(tǒng)在海洋工程中的應用主要體現在遠程通信與管理、數據實時傳輸、高精度定位以及緊急救援四個方面。

2.1遠程通信與管理

長期以來,海洋工程中以作業(yè)船舶與人員為主的作業(yè)單位有著迫切的海上通信要求,岸上指揮中心需要時刻確定海上作業(yè)情況便于管理,工程船舶或海上作業(yè)平臺指揮中心需要實時監(jiān)控各作業(yè)單位的進度信息與突發(fā)情況,遇到特殊險情時,更是急需與救援中心或附近船舶建立通訊關系。北斗系統(tǒng)問世以前,海上船舶通信設備國產化率較低,大多數從歐洲進口,通信技術以短波通信和數字微波通信為主,其抗干擾能力較弱且價格昂貴。

北斗系統(tǒng)以其有源定位和短報文通信的特點,為海洋工程領域提供了不可替代的技術支持。利用北斗系統(tǒng),在工程船舶上安裝北斗導航終端,并與岸邊的指揮中心、地基站和北斗衛(wèi)星組形成了通訊鏈。當指揮中心因業(yè)務管理或者作業(yè)調度時,可通過北斗系統(tǒng)將任務信息打包發(fā)送至遠洋工程船舶或施工平臺,還可提供包括潮位信息和天氣狀況在內的其他訊息。工程船舶每天需將作業(yè)信息通過北斗導航終端,經過衛(wèi)星鏈路,發(fā)送至岸上指揮中心,便于中心的監(jiān)督和管理。工程船舶間可以利用北斗導航終端短報文的能力相互發(fā)送消息,方便溝通交流,當遇到特殊險情時,更是快捷地將求救消息發(fā)送至就近船舶,保障了作業(yè)人員的人身及財產安全。

隨著“一帶一路”國家戰(zhàn)略的提出,2015年10月,我國成功發(fā)射亞太九號衛(wèi)星,提高了北斗系統(tǒng)的定位服務能力,填補了東南亞地區(qū)的通信服務空白。根據北斗系統(tǒng)全球組網建設計劃,2018年將率先為“一帶一路”國家提供基本服務。屆時,北斗系統(tǒng)在海上遠程通信與管理方面的應用將進入新的起點。

2.2數據實時傳輸

海洋工程中數據實時有效傳輸是指作業(yè)船舶在施工過程中將包括位置、環(huán)境等在內的作業(yè)信息及時有效地發(fā)送至岸上指揮中心并解析和處理,之后將新的任務和相關信息轉發(fā)回作業(yè)船舶。隨著海洋資源開發(fā)的需求越來越迫切,作業(yè)船舶離海岸越來越遠,作業(yè)數據的實時傳輸成為了海洋工程的一大技術難題。

鑒于北斗系統(tǒng)的精確授時和短報文遠距離傳輸的特點,北斗系統(tǒng)已成為海洋工程中數據傳輸的關鍵支撐點。工程作業(yè)船舶在遠海進行施工過程中,作業(yè)人員記錄和處理所得的數據和船舶上安裝的各類傳感設備所獲得部分相關數據是整個施工過程中的全部實時數據,將這些數據船舶控制中心進行整理、存儲后并打包,經過北斗船載終端設備和北斗衛(wèi)星組發(fā)送至岸上指揮中心。同時,船舶控制中心將反饋信息通過通信設備發(fā)送到各作業(yè)小組。岸上指揮中心在接收到來自作業(yè)船舶的施工信息后,對數據進行解碼、識別和預處理,并存入指揮中心數據庫中,便于管理者或相關部門提取,以了解海洋工程實時作業(yè)情況。

國內眾多學者以北斗系統(tǒng)為背景技術,結合數據壓縮算法和長報文通信協議,設計了海上數據實時傳輸系統(tǒng),但是也存在一定的局限,對于海量數據在海上的實時傳輸仍舊是難題。對此,基于北斗短報文雙向通信的特點,一些學者提出了北斗集群數傳技術,通過建立一種有效的數據處理方法和壓縮算法,解決了海洋工程船大數據量的傳輸[8]。

2.3高精度定位

隨著北斗系統(tǒng)定位技術的發(fā)展以及地基系統(tǒng)的建設加強,北斗系統(tǒng)的定位精度逐步滿足海洋工程測量和施工定位對高精度的要求。2015年6月,“中國精度”正式提供服務,并面向全球同步發(fā)布。該全球星基高精度增強服務系統(tǒng)將使我國北斗用戶在無需架設基站的情況下,在全球任一地點能夠享受到便捷的亞米級、分米級和厘米級三種不同精度層級的增強服務，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　星基高精度增強服務系統(tǒng)

隨著科技的發(fā)展,衛(wèi)星定位技術逐漸取代了傳統(tǒng)的大地測量技術、測量工程和聲學定位等傳統(tǒng)測量和定位技術。北斗系統(tǒng)建設初期,以海上筑堤、海峽貫通工程及海上石油鉆探工程等為主的海上工程測量過程中主要以GPS測量為主,GPS測量技術的定位精度和自動化程度高,觀測時間短,但其使用成本較高,不支持信息雙向傳輸且存在安全隱患。科技發(fā)展的同時,我國發(fā)射的衛(wèi)星數增多,定位技術由有源定位轉變?yōu)闊o源定位,用于海上高精度定位的船舶施工技術的產品愈加成熟,廣州南方衛(wèi)星導航儀器有限公司研發(fā)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測量系統(tǒng)是針對海上高精度定位、定向的施工技術要求而設計的,可含蓋海測、疏浚、打樁、插排等海洋工程領域的應用。基于“中國精度”,北斗系統(tǒng)已經滿足了遠海工程測量對高精度的要求。由于無需架設基站,使得高精度工程測量作業(yè)更加方便靈活,北斗系統(tǒng)完善及其相關設備的研發(fā)極大的促進了北斗系統(tǒng)在海洋工程測繪和施工方面的應用。

2.4緊急救援

海洋環(huán)境復雜多變,自然災害或突發(fā)事故時常發(fā)生,嚴重威脅了作業(yè)人員和工程船舶的人身財產安全。北斗系統(tǒng)以其全天時、全天候的特點,對海上緊急救援有著重要的意義。據統(tǒng)計表明,北斗已成為海上搜救工作的“利器”:對海上遇險對象的搜尋效率提高30%以上;救撈系統(tǒng)的管理能力和救助調度能力明顯提升,人命救助成功率達到98%以上;節(jié)約近1.5億元的人身傷害賠償費。

當工程作業(yè)船舶遇險后,船載北斗終端支持自動或手動發(fā)送遇險求救信號,救援中心接收到遇險信號后,在發(fā)出報警之后可立即確定電子海圖上遇險船舶的準確位置,調度就近船舶或岸邊救援船舶迅速趕往支援,在一定程度上減少了人員和財產的傷亡。

3結束語

北斗系統(tǒng)是未來全球導航定位系統(tǒng)的主力軍,體現著我國的綜合國力和科技水平。北斗系統(tǒng)在海洋工程中的應用,推進了海洋科技的發(fā)展、保障了海事人員的安全,終端設備的研發(fā)及應用推動了北斗系統(tǒng)應用產業(yè)化的發(fā)展。隨著新北斗探空系統(tǒng)的研制成功、北斗RNSS基帶射頻一體化芯片項目的完成、北斗應用下的交通運輸智能化等,北斗在民用和行業(yè)的應用越來越廣泛。在2020年完成全球覆蓋的計劃基礎上,構建完善的北斗產業(yè)應用體系將是助推北斗走向全球應用的關鍵。

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陳洪武(1969-),男,山東濟南人,副教授,主要從事現代設計理論與方法和海洋工程裝備等相關方面研究。

胡斌(1990-),男,安徽六安人,碩士生,主要從事海洋工程裝備的研究。

田鋮(1990-),男,河南開封人,碩士生,主要從事實驗設計。

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

中圖分類號：P752

文獻標志碼：B

文章編號：1008-9268(2016)02-0121-04

作者簡介

資助項目： 國家自然科學基金(批準號:51075258)

聯系人： 胡斌 E-mail:810709290@qq.com