北斗定位技術在客船安全監控中的研究與應用

燕鵬飛，高玉軍，張厚保

（1.中國交通通信信息中心，北京 100011；2.山東海事局，青島 266002）

海上客運的安全性面臨著巨大的挑戰，依然存在著事故隱患和安全風險疊加、安全監控存有盲區、部分企業主體責任落實不夠等問題，這些都對廣大旅客游客的生命財產安全以及海上旅游的順暢發展有著深遠的影響。因此，一方面，依賴相關法律法規的不斷健全、完善與落實，以規范和約束客運行為；另一方面，通過合適可行的信息技術手段，提高船舶監控中的早預警早發現的能力，也會有效降低客船航行中的重大事故發生的風險。

在船舶航行過程中，主要是綜合利用AIS、VTS、CCTV、VHF、GPS、衛星電話等通信手段對船舶實施動態監控。但這些技術手段也各有利弊，如衛星電話費用昂貴，通常只在緊急或重大情況中使用；岸基AIS 信號覆蓋范圍有限；衛星AIS 信號上報頻率太低等。這些都對我國客船航行狀況的監控提出了考驗。

為此，本文將研究在客運船舶上安裝北斗終端后，利用北斗衛星導航系統提升了船舶定位能力，從而進一步保障了船舶的客運安全。并且，通過客船監控系統的建設促進了海事管理部門與客運企業安全信息共享，實現了在客船動態監控、異常行為防控等方面的聯防聯動，形成發現、核實、反饋的有效閉環管理，推動了企業落實安全生產主體責任，從而構建了客運安全齊抓共管的良好格局。

1 北斗衛星導航系統定位原理

北斗衛星導航系統是我國自主建設、高精度定位的衛星導航系統。隨著北斗系統建設和服務能力的發展，相關產品已廣泛應用于交通運輸、海洋漁業、水文監測、氣象預報、測繪地理信息、森林防火、通信時統、電力調度、救災減災、應急搜救等領域，逐步滲透到人類社會生產和人們生活的方方面面，為全球經濟和社會發展注入新的活力。[1]

北斗系統定位的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。衛星坐標可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出衛星的坐標，而用戶坐標（及用戶接收機坐標）則可以通過用戶到衛星的距離進行測算，理論上3顆衛星即可。也就是說由于衛星的位置精確可知，我們可得到用戶到衛星的距離，再利用三維坐標中的距離公式[2]，通過3顆衛星（假設用戶到衛星的距離為d1，d2，d3），就可以解出用戶的位置坐標，如圖1所示。

圖1 用戶接收機定位關系圖

設衛星坐標分別為p1（x1，y1，z1），p2（x2，y2，z2），p3（x3，y3，z3），用戶坐標為p（x，y，z），則計算公式如下：

從圖1以及上面的公式，可解出用戶坐標p（x，y，z），即確定接收機所在的位置，但實際上，接收機在僅接收到3顆衛星的有效信號的情況下只能確定二維坐標。這是因為計算衛星同用戶接收機之間的距離的時間點不是絕對一致的，也就是說衛星時間和接收機時間不是統一的，而在遠如太空這樣的距離，失之毫厘謬以千里是切實的存在。

而解決時間不一致的方法，一是像在衛星上安裝原子鐘一樣，在接收機上也同樣安裝，但由于原子鐘太過昂貴，顯然在每臺接收機上安裝也不切實際。這樣就引入了另一種解決方案，通過引入一個標準時間（即鐘差）來解決這個問題，但鐘差的引入將上述方程式的未知變量增加了一個，顯然用三個方程式是無法解出的，所以就需要增加1顆衛星來進行計算。

設衛星到用戶的距離為（d1，d2，d3，d4），衛星坐標分別為p1（x1，y1，z1），p2（x2，y2，z2），p3（x3，y3，z3），p4（x4，y4，z4），用戶坐標為p（x，y，z），衛星發射信號的時間為（t1，t2，t3，t4），用戶接收機當時的時間為t，接收機同原子鐘的鐘差為△t，光速為c。計算公式如下：

由以上四個方程式，可求出四個未知參數（x，y，z）和△t，即確定了用戶的位置。不過在實際上，這個結果也并非是完全準確，因為還存在其他的影響因素，比如雖然接收機的鐘差確定了，但衛星雖然使用了原子鐘，但實際也可能存在衛星的鐘差，以及天氣因素等。所以在實際情況中，定位的精度也是一個范圍。不過這里主要討論的是定位原理，所以不對過多的因素進行探討。

而且，由于北斗導航系統有GEO，IGSO 和MEO 三類衛星構成，三類衛星的可見性和觀測誤差特性各異，如GEO 和IGSO衛星可見時段長，而GEO 衛星觀測值存在明顯的周期性多徑誤差等[3]，故提高北斗導航系統定位的精確性也是需要重點研究的內容。

2 常用船舶位置識別系統對比

目前，國內使用的船舶位置識別系統主要有：

（1）VTS：Vessel Traffic Service 的縮寫，意為船舶交通服務，是由主管機關實施的、用于提高交通安全和效率以及保護環境的服務。[4]

（2）AIS：Automatic Identification System 的縮寫，意為船舶自動識別系統，由岸基（基站）設施和船載設備共同組成，是一種集網絡技術、現代通信技術、計算機技術、電子信息顯示技術為一體的數字助航系統和設備。[5]

它們具有不同的特點，如表1所示：

表1 不同船舶位置識別系統的特點

從表1可見，不同的定位系統，有不同的優勢和劣勢，VTS和岸基AIS 延時短，但是覆蓋范圍有限，特別對于遠距離航行的船舶來說，容易形成信號盲區；衛星AIS 可以覆蓋全球，但信號延時太長，不能及時的定位船舶當前所處的位置。這些定位系統雖各有優勢，但其弱點也很明顯，對于船舶航行的安全及監控都很不利。

所以，如果有定位系統，其既能夠保證覆蓋范圍又可以有較小的信號延時，則無疑會對船舶安全的有著很大的提升。而我國自主研發的北斗衛星導航系統，其北斗三號覆蓋范圍為全球（北斗一號為中國，北斗二號為亞太地區），保證船舶在全球任何水域都可以被監測到；并且其民用信號的頻率可以低到1分鐘/次，也保證了定位數據傳輸的及時性。因而，北斗導航系統的覆蓋范圍和信號頻率，使其可以作為很好的船舶位置定位和識別系統加以應用。

3 北斗定位技術在客船安全監控中的應用

從上面的分析可見，一方面在客運船舶遠途航行過程中，對實時監控確實有切實的需求或者可稱之為痛點；另一方面，北斗衛星導航系統在很大程度上剛好可以解決客船監控的這一痛點。而且，北斗系統的實時動態偽距差分定位精度達到2-4m[6]，所以如果在遠航客船上加裝北斗終端，通過北斗衛星系統將其船位信號及時回傳并在軟件系統上進行展現，則可消除信號盲區、及時了解船舶當前位置從而大幅提升安全監控能力。

同時，為了促進現代綜合交通運輸發展，我國也通過制定專項規劃等不斷推動北斗系統在水路領域的應用。提出要在現有海上安全監管平臺中接入北斗系統相關信息，與海事共享數據庫融合，拓展智慧海事的感知手段和應用功能。[7]

3.1 客船監控應用北斗定位技術的整體流程設計

將北斗定位技術應用在客運船舶安全監控的過程，總體可以分為兩個部分，一是在客船上加裝北斗終端，從而通過北斗衛星導航系統獲取船舶的船位等信息，二是建設客船監控系統，并從北斗系統獲取信號并加以展示及應用。整體示意如圖2所示。

圖2 客船監控中北斗定位技術應用示意圖

基本流程說明如下：

（1）北斗衛星持續發送詢問信號。

（2）客運船舶上安裝的北斗終端接收到北斗衛星的詢問信號后進行相應，發出定位申請。

（3）北斗衛星收到定位申請后將其轉給衛星基站，運營中心通過衛星定位原理計算出終端位置后，一方面將位置信息發送到北斗數據中心存儲，一方面發送給北斗衛星。

（4）北斗衛星再將定位信息轉發給對應客運船舶上的北斗終端，在客船上即可知道當前位置。

（5）客船監控系統從北斗數據中心獲取定位信息后，即可知道當前客船的船位情況，并由此進行更多的實際應用。

上述流程為通常情況，在實際應用中，如果想要了解某客船當前的位置，也可以通過北斗衛星導航系統運營中心主動發起消息給北斗衛星，衛星去詢問指定北斗終端的位置，獲取以后發回給運營中心。

3.2 客船監控系統總體架構

客船監控系統在建設時，需要緊密結合實際需要，并且充分考慮功能使用和技術可行，在設計上遵循分層設計思想進行系統實現并提供對外服務，故可將其總體架構劃分為安全系統、網絡系統、主機系統、數據資源平臺、應用支撐平臺和應用系統5個層級，如圖3所示。

圖3 客船監控系統總體架構

每一層的設計內容及交互關系如下：

（1）安全系統：安全系統主要包括安全技術和安全管理。安全技術分為物理安全、網絡安全、主機系統安全、應用安全、數據安全。安全管理主要是建立安全管理機構、制定安全管理制度、進行人員安全管理和系統安全管理及系統運維管理。

（2）網絡系統：包括海事內網和互聯網，根據實際需要提供不同的網絡服務。

（3）主機系統：主要包括主機、存儲、操作系統、WEB 服務器。

（4）數據資源平臺：主要是針對應用的需要，對應用底層的數據資源進行統一管理和統一規劃設計。

（5）應用支撐平臺：SOA 運行環境平臺，用于提供一系列工具和功能，為本系統提供綜合的SOA 運行支撐環境。網絡地理信息系統，基于Internet 平臺提供基礎地圖服務。

（6）應用系統：實現客船監控系統的應用需求并提供對外服務。

3.3 北斗定位技術在客船監控系統中的應用實現

客船監控系統從北斗衛星導航系統獲取船舶定位數據后，根據標準的船舶自動識別系統協議進行解析，生成應用系統可識別的船位信息，完成數據校驗并入庫，之后系統進行數據調用并在前臺頁面展示。

在離岸距離并不非常遠的情況下，以某艘客船為例，我們對比采用北斗、岸基AIS、衛星AIS 這三類定位的數據情況。

圖4 某近岸航行客船北斗船位航跡圖

圖5 某近岸航行客船岸基AIS船位航跡圖

圖6 某近岸航行客船衛星AIS船位航跡圖

從圖4、圖5、圖6的航跡圖來比較，可以發現在近岸航行的情況下，無論是北斗系統定位還是岸基AIS 定位，都能夠很好地獲取船位信號進行展示。但是對于衛星AIS 來講，雖然總體上也能了解船舶的基本航行軌跡，但是從圖6可以清晰看到，存在信號間隔時間比較長的情況，這樣對于船舶航行安全存在監控空白。故可知北斗系統定位和岸基AIS 定位對于近岸航行船舶的表現更好，也更有利于船舶航行的安全。

再分析遠洋航行客船的情況，由于近岸航行情況已經證明衛星AIS 定位存在信號獲取問題，故接下來只進行北斗系統定位和岸基AIS 定位兩類進行比對。

圖7 某遠洋航行客船北斗船位航跡圖

圖8 某遠洋航行客船岸基AIS船位航跡圖

從上述圖7、圖8的航跡圖來比較，可以發現在遠洋航行的情況下，北斗系統定位能夠覆蓋到的范圍更大，而岸基AIS 定位覆蓋的范圍就比較有限，存在覆蓋盲區。所以從這方面來比較，北斗系統比岸基AIS 在遠洋航行中的表現更好，也更有利于船舶航行的安全。將北斗信號展示的船舶航跡圖層放大如圖9所示。

圖9 某遠洋航行客船北斗船位航跡細節圖

從圖9可見，北斗船位信號的間隔接近1分鐘并且間隔時間比較穩定。

從上述近岸及遠洋航行的分析可以得出結論：北斗系統定位在客船航行中具備覆蓋范圍廣、信號頻率高、信號接收穩定等顯著的特點，因而在客運船舶安裝北斗終端后，能夠明顯提升定位效果，從而提高客運船舶航行安全水平。

4 結束語

本文所進行的研究與應用，依托了山東海事局所建設的山東沿海客船動態監控系統，在系統的實現過程中通過對北斗系統定位技術的研究，結合客運船舶航行安全監控發展的現狀，探討并驗證了在客船上加裝北斗終端后，相比傳統定位技術，對船舶定位能力方面的提升效果，證明了北斗系統定位技術在客船航行應用中的可行性和可靠性。但同時，目前北斗星座的衛星發射任務還未完成，距離全球覆蓋還需要一點時間，并且相關的法律法規特別是國際上相關的法律支持和推動進展還待繼續完善，所以北斗導航系統距離全球化應用還有一些距離，需要更多的支持和努力。另外，在實際中，很多安裝北斗終端的船舶，其本身已經具有了AIS 設備，因而在應用系統對航跡顯示時，還需要考慮多路船位信號的融合展示問題。