北斗短報文技術在虛擬航標中的應用

馬甲林

摘 要：虛擬航標是一種重要的導助航設施，隨著技術的發展應用越來越廣泛。通常，虛擬航標泛指虛擬AIS航標，在我國沿海和內河地區都有了典型應用。近年來，北斗衛星導航系統的發展日新月異，也為航海保障帶來了新的發展方向，基于北斗技術的航標遙測遙控、水文氣象觀測、北斗船舶監控、北斗應急救援等也都取得了驕人的成績，沿海和內河有六千余座導助航設施使用北斗。在北斗導航系統發展的基礎上，研究了基于北斗短報文技術的虛擬航標，提出一種虛擬北斗航標，并與傳統的虛擬AIS航標做了比對，最后，通過實驗測試了虛擬北斗航標提供導助航服務的可行性。

關鍵詞：北斗短報文 虛擬北斗航標 導助航服務

航標，是指供船舶定位、導航或者用于其他專用目的的助航設施，包括視覺航標、無線電導航設施和音響航標。虛擬航標是一種特別的航標類型，是隨著AIS、電子海圖等技術的發展而應用開來的，主要通過無線電形式在電子海圖或接收機上標識水域某點存在具有某種功能的航標，以達到助導航的目的。目前，提起虛擬航標大都默認是指虛擬AIS航標，虛擬航標幾乎就等同于是虛擬AIS航標。本文在北斗衛星導航系統發展的基礎上，提出一種基于北斗短報文技術的虛擬航標，同時比較和論述了虛擬北斗航標和虛擬AIS航標的優缺點，并通過實驗測試了虛擬北斗航標的可用性、可靠性和時效性，實驗結果表明可以向特定區域的船舶提供虛擬航標服務。

1.虛擬AIS航標

虛擬AIS航標：由AIS臺站通過21號電文播發的不存在實體航標的航標信息。根據定義，虛擬AIS航標又分為臨時虛擬AIS航標和永久虛擬AIS航標。臨時虛擬AIS航標適用于如下情況：標識航行限制區域；標識臨時推薦航路；標識故障航標或移位航標。

永久虛擬AIS航標可在不具備布設實體航標條件時使用，宜布設在深水區域或惡劣海況環境，以及隨時間、洋流或天氣影響而動態變化的區域，適用于如下情況：標識永久礙航物；標識航道界限；標識安全水域界限；標識特殊區域（如錨地和遮蔽區）。

在電子海圖、紙質海圖和航海出版物中應標識永久虛擬AIS航標。

虛擬AIS航標具有設置速度快、位置精確以及不受自然條件限制，適用于因各種原因無法布設實體航標的情境，例如標識沉船位置，能在第一時間起到導助航作用，能有效保障水上航行安全，時效性強是其顯而易見的特點。

2017年底，交通運輸部批復“長江口深水航道利用邊坡自然水深提升通航效率總體方案”，為有效標示長江口深水航道界限，共設置了45座虛擬AIS航標，包括左側標、右側標和專用標，長江口深水航道也成為中國最大規模應用無線電航標標示航道界限的電子航道。

虛擬AIS航標是實體航標的重要補充，但是也存在一定的局限，因基站作用距離、傳輸路徑信號衰弱以及電子海圖設備故障等原因，虛擬AIS航標的信息并不會100%被船舶接收到，一定程度上存在航行安全隱患。

2.虛擬北斗航標

2.1北斗短報文技術

北斗衛星導航系統是我國自主建設的衛星導航定位系統，它具有定位、導航、授時等功能，是我國構建綜合PNT系統的關鍵，北斗衛星導航系統已經成為全球無線電導航系統組成部分，獲得了面向海事應用的國際合法地位，而短報文服務也是北斗系統區別于其他衛星導航系統的特色之一。北斗短報文服務能實現雙向通信，它是通過用戶應答，在定位的同時完成向外部系統的用戶位置報告，實現定位與通信的集成。北斗短報文業務可以為不同行業眾多用戶提供基于位置的信息共享、短報文信息轉發等服務。

目前基于北斗短報文服務，各個領域已實現了多種應用場景，包括諸如北斗海洋漁業應用，基于北斗系統的海洋監測信息實時傳輸系統，北斗海上搜救體系，救生信標機，北斗船舶監控服務系統，海上溢油跟蹤浮標系統，水文北斗統一指揮平臺，在線水質監測系統等。

2.2北斗分理服務平臺

通過申請獲得北斗分理運營資質，建設北斗分理平臺，從而利用北斗短報文業務，為不同行業眾多用戶提供基于位置的信息共享、短報文信息轉發、數據傳送、遠程測控，并具有用戶信息管理、查詢、調閱、指揮調度和管理、通播、組播、單播，以及各類信息增值服務。

北斗分理服務平臺以北斗數據為核心，提供位置服務和消息轉發應用。如圖1所示，北斗分理服務平臺以北斗數據為中心，接入包括AIS、水文氣象等信息，結合海圖應用，提供北斗數據服務。在航海保障領域，北斗分理平臺實現本行業的協議、接口的約束和適配，通過制定統一、完整的框架協議實現與其他行業的互聯互通，例如通過北斗指揮機陣列轉發手機信息。北斗分理服務平臺在航標建設、水上通信、應急救援等領域提供保障服務，以其獨有的短報文服務構建面向海事領域的應用平臺。

2.3北斗航標遙測遙控系統

航標遙測遙控系統的應用是航標建設的一大亮點，能動態掌握當前航標的狀態和運行參數，極大提高了監控管理效率。遙測遙控系統主要采用電信公網和AIS基站鏈路進行通信，對于公網和AIS基站無法覆蓋的區域，信號較弱而無法正常使用遙測遙控，給巡檢維護工作帶來較大的困難。基于北斗的航標遙測遙控系統是近年來航標發展的新方向，北斗集定位與通信功能于一體，它具有監控范圍大，數據可靠的優勢，通過采集航標燈器的工作電壓、工作電流、位置信息，經過北斗遙測終端處理后再通過北斗衛星傳送給監控中心服務器，航標主管部門可以實時監控航標遙測數據。目前中國沿海和內河安裝有北斗遙測終端的航標已超過六千座。

2.4基于北斗短報文技術的虛擬航標

虛擬航標的應用可以補充實體航標的不足，當前的航標遙測系統主要有以下幾點問題：

（1）通信鏈路受不明原因干擾造成數據傳輸中斷或者數據不準確；

（2）遙測終端通信模塊故障，而此時航標的位置和燈光亮滅情況可能是正常的；

（3）燈器故障和浮標漂移。

無論是遙測模塊故障還是燈器故障，都需要及時進行巡檢和維護。雖然未來可通過高分衛星、無人機、無人艇、過路船舶或巡邏艇在較小成本和惡劣環境下實現現場狀況的觀測和掌握，但是仍不能解決現場更換的問題，維護成本高的缺點顯而易見。通過設置虛擬航標可以保證航標的導助航效能，并在一定程度上減少維護工作量，提高數據精確度和設置及時性，對于不能及時修復的漂移或被撞的航標，突發的沉船事件，都可及時設置虛擬航標，這不僅能有效地保障水上航行安全，而且又避免了實際航標漂移幾十米、幾百米造成的位置不準確問題。綜合應用電子海圖、航標系統、北斗衛星導航系統等技術構建數字航道圖，實現航標動態、航行警告的實時發布和動態顯示。

目前，虛擬航標主要依賴于AIS系統，通過AIS基站進行信息廣播，它受限于基站覆蓋范圍，在遠離基站的區域航行會接收不到虛擬航標信息。本文提出一種基于北斗短報文服務的虛擬航標，將虛擬航標的信息通過北斗衛星系統傳輸到用戶終端，最終以符號或文字消息的形式顯示在船舶導航終端電子海圖上，如圖2所示。

虛擬航標的調度、設置都可通過北斗導航系統傳輸給北斗船臺等終端，北斗指揮機陣列可實現秒級發送，不受北斗短報文通信頻度的影響。航標主管部門作為唯一的數據源保證航標數據的一致性，不同廠商生產的終端通過約定的協議實現互通，最新頒布施行的航道法為航標管理提供了法律依據，航標主管部門將航標動態信息推送至用戶端，保證虛擬航標的及時性、有效性和數據一致性，同時，還實現船舶位置查詢、軌跡跟蹤、歷史軌跡回放、調度管理、統計查詢等。以北斗分理平臺進行實驗測試，通過調用自定義北斗TCP接口協議實現虛擬航標的發布，船舶端只需要有一臺接收機即可。

基于北斗的虛擬航標比AIS虛擬航標具有更大的覆蓋范圍，而且不受基站限制，在亞太地區都可利用北斗短報文進行通信，而且隨著北斗三號的建設，全球短報文對于安全信息的傳輸也提供了途徑。根據北斗報文經緯度數據，可以確定船舶位置，實現點對點通信和特定區域通信，從而為特定船舶提供更精準的導助航服務，避免了類似AIS廣播帶來的無線電“污染”。北斗既可以傳輸“明文”短信，又可編碼解析在海圖上以符號的形式顯示。利用北斗分理平臺進行實驗驗證了北斗虛擬航標的可行性。

相關領域內，通過北斗短報文技術對重點船舶點對點播發氣象信息已成為現實，針對不同類型的船舶，基于船舶北斗位置信息進行定制化的消息發布和訂閱，這在長江口區域重點船舶氣象信息播發中都有了實際的應用。隨著技術的發展，應用遙感技術、GIS技術、NB-IoT等構建三維可視航道圖，效果更直觀。

虛擬航標發布管理模式、航標動態信息的有效期和虛擬航標在船舶終端的可視化顯示則需要下一階段重點研究，并結合物聯網和其他海上通信系統進行綜合應用。

3.展望

播發航行警告、搜救信息、水文氣象信息、海上安全信息對于預防和減少海上交通事故的發生有重要的作用。北斗系統將有效提高安全信息播發覆蓋范圍，拓寬水上通信服務能力。越來越多的船舶已經安裝有船載北斗終端和應急示位終端，終端之間不僅可以互通信息，還能通過指揮平臺實現通播，達到7*24小時不間斷監控船舶動態信息、禁航區自動管控、安全信息播發、船舶避碰、遇險緊急求救，從而構建全方位立體綜合海事監控系統。此外，還可以結合北斗鏈路傳輸AIS船舶信息，實現北斗AIS一體化應用，消除偏遠水域信息孤島，達到信息網絡全覆蓋，保障船舶安全航行。海上通信手段越來越豐富，通過技術融合可實現多種位置服務，而北斗系統自帶定位功能，更是位置服務的關鍵，北斗短報文則錦上添花，可以預見的是，在虛擬航標領域應用北斗短報文技術是具有實際應用價值的。

參考文獻：

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