北斗全球衛星導航系統及其船舶應用

中國船級社 吳曉明

北斗全球衛星導航系統是我國自主研發、自行建設和管理的全球衛星導航系統，自我國于2012年12月宣布在亞太地區正式提供區域服務后，北斗衛星導航產品已經在交通、漁業、農業等領域大量應用，其導航性能業已被廣泛驗證。因此，在內河航運和海洋航運領域應用北斗系統提供導航服務的條件日趨成熟。

北斗全球衛星導航系統

我國擁有完全自主知識產權的衛星導航定位系統是全球四大衛星導航系統之一，北斗系統致力于向全球用戶提供定位、導航、授時和短報文服務。北斗系統的建設分三個階段進行：于1994年啟動北斗衛星導航試驗系統建設，至2000年形成區域有源服務能力（即北斗一號衛星導航系統）；2004年啟動北斗二號衛星導航系統建設，至2012年形成區域無源服務能力；2020年北斗衛星導航系統將形成全球無源服務能力。該系統已成功應用于測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等諸多領域，產生顯著的經濟效益和社會效益。

北斗衛星導航系統最大的創新

該系統把導航與通信緊密地結合起來。也就是說，它具有既能知道“我在哪里”也能告知“你在哪里”。以海洋漁業為例：“我在哪里”--漁民通過船載設備實現自主定位；“你在哪里”則使岸上的人通過監控知道漁船在哪里。數十年來，我國導航定位設備市場上的產品都為采用GPS的單模衛星定位終端。由于GPS由美國研發并控制，關鍵應用安全無法保證，具有不可知的應用風險，出于國家安全和社會穩定方面的考慮，非常有必要采用兼容北斗、GPS、GLONASS多個系統的北斗兼容終端。另外，北斗衛星導航系統RDSS信號提供的廣域短報文傳輸功能，增強了終端的應急反應能力，使得在GPRS/CDMA/3G等移動通信網絡無法覆蓋的地區仍能通過北斗衛星導航系統實現應急通信。

主機組成框圖

北斗用戶機原理介紹

北斗衛星導航系統建設分三個階段進行：1994年啟動北斗衛星導航試驗系統建設，至2000年形成區域有源服務能力（即北斗一號衛星導航系統）；2004年啟動北斗二號衛星導航系統建設，至2012年形成區域無源服務能力；2020年北斗衛星導航系統將形成全球無源服務能力。

北斗用戶機包括一號用戶機和二號用戶機，其中一號用戶機只能處理RDSS信號的S、L頻段信號，二號用戶機可以處理S、L、及B1/B2/B3頻點中的一個或多個信號。

對于北斗二號用戶機，根據用戶機功能要求不同，用戶機可以選擇部分頻點信號進行處理，不處理所有頻點信號，因此不同類型的用戶機處理的信號頻段并不完全相同。

用戶機主要由天線、射頻前端、主板組成，天線用于無線信號的收發，可以接收S、B1/B2/B3頻點信號（可能是其中部分信號）、射頻前端包括接收頻點信號低噪放、L頻點功放，主板是整機的核心部分，下面進行詳細說明。

主板主要完成RNSS信號的接收，RDSS信號收發處理工作，由通道、中頻信號處理器兩部分組成。

通道部分包括接收通道和發射通道，接收通道包括B1/B2/B3、S接收通道，主要進行變頻、放大、濾波，將射頻信號變換為中頻信號，經A/D轉換后送基帶處理部分進行處理，發射通道將基帶電路產生的入站信號調制到1615.68MHz的射頻信號，該信號再送到射頻前端的功放進行放大。主機組成原理如框圖所示。

項目 北斗二號 GPS GLONASS Galileo所屬國別 中國 美國 俄羅斯 歐盟星座衛星數 35 24（28） 24（11) 27(30)多址方式 CDMA CDMA FDMA CDMA服務區城 亞太區域(未來全球) 全球 全球 全球(尚未建成)時間系統 中國UTC UTC UTC UTC/TAI坐標系統 BJZ-54 WGS-84 PZ-90.02 GTRF定位方式 無源位(含有源定位) 無源定位 無源定位 無源定位定位精度 10m H/10m V 9m H/15m V 26m H/45m V /授時精度 20ns 20ns 20～30ns* 30ns通信功能 有 無 無 無

北斗系統與其他全球定位系統的主要性能比較

目前世界上已經建成并投入應用的全球定位系統包括美國的GPS和俄羅斯的GLONSS和我國北斗導航系統和21世紀初研發至今，接近應用的歐洲伽利略系統。我國BDS系統于2012年2月向亞太區域提供定位導航授時服務，計劃在2020年提供全球服務；歐盟伽利略系統10年前公布，目前還未形成實際服務能力。各系統的技術參數和功能見上表。

美國的GPS全球衛星定位系統以軍事應用和民間應用為雙重目標，在建成投入使用并進一步開放民用產業模式的30多年間，衛星導航市場從無到有，在全球范圍內形成了完整的GPS應用產業鏈，成為八大無線產業之一，為GPS系統的后續發展注入了強勁的動力。而俄羅斯的GLONASS系統在建設初期以軍事應用為目標，缺少拓展民間產業的應用和支撐，缺少廣闊的市場應用，導致市場支持和后續建設等資金不足，系統建設曾長期處于停滯狀態。

基于俄羅斯GLONASS系統在應用及推廣上的教訓，我國在2010年前即已開始考慮北斗導航系統在民用領域的推廣采用，先后在交通運輸、海洋漁業、氣象監測預報、防災減災等領域成功開展多個示范項目，促進了我國北斗產業的技術進步和應用市場的形成。

北斗導航產品在交通行業及船舶導航、船舶遇險搜救上適用性

交通運輸部承擔了多個北斗應用示范項目，完成了全國重點運輸車輛監控平臺建設，至2013年全國共有30余萬輛長途客車、旅游包車、危險品運輸車等重點運輸車輛上安裝了北斗兼容終端。2014年1月，交通運輸部、公安部、安監總局聯合發布《道路運輸車輛動態監督管理辦法》，要求道路運輸車輛安裝和使用衛星定位裝置，預計未來2年內會有數百萬臺營運車輛加裝北斗兼容終端。

在海洋漁業領域，至2014年上半年北斗船舶入網用戶3萬余個，伴隨手機用戶10萬余個，為用戶提供遠海及近海船舶的位置監控和北斗短信服務。2015年，福建省計劃為8000多艘海洋漁船安裝北斗終端，浙江省舟山市計劃為4000多艘海洋漁船安裝北斗終端。

采用北斗/GPS獲得自身的位置信息，通過北斗系統的通信信道將船舶的位置信息和告警信息等上報給中心控制系統，可實時監控漁民漁船的位置，防止漁民越界打漁；同時利用北斗的通信信道和手機IPN業務，漁民可實現遠海作業時與岸上信息的互通。各北斗運營公司采取的北斗的信道的付費方式不同，按信息流量收費或包年收費。

上述領域應用表明，基于北斗系統的導航設備無論是陸地應用還是海上應用均已成熟，在海洋運輸行業應用北斗/GPS兼容型導航終端的條件，具備了大規模應用的基礎。

1、現有北斗/GPS兼容型導航終端產品和EPIRB適用于航運船舶上

（1）RNSS定位的終端：采用無源定位技術，可以直接替代現有GPS模塊。缺點是僅能提供定位、測速等導航功能，不具備短報文傳輸能力，其定位信息還需要通過移動網絡或海事衛星傳輸回指控中心。

（2）同時具備RNSS/RDSS定位的終端：在提供定位、測速等導航功能的同時，還具備短報文傳輸能力，尤其在遠洋作業時，信息傳遞可以不再依賴海事衛星等昂貴的通訊手段。該類終端因需要帶有發射天線和功放，產品價格要高一些。

因此，綜合分析北斗導航系統的性能、產業應用規模、用戶終端產品的價格等因素，在航運船舶上應用北斗/GPS兼容型終端產品的條件已經成熟，可以大規模推廣應用。

(3) 全球海事界規范化的定型應用；歷經數年研發和驗證完善，現適用于國內外航海界應用的船用BDS定位導航產品（北斗衛星導航接收機），和用于船舶遇險時及時全天候發出報警、大幅提高船舶和人員獲救率的BD-EPIRB（北斗衛星應急示位標）國內產品已經中國船級社檢驗認可，其技術性能均達到相關船載設備要求，具備批量生產、為船舶行業廣泛應用提供了條件。

2、為我國船舶法規提供保障

2013年9月2日至9月6日在英國倫敦召開的國際海事組織(IMO)航行安全分委會第59次會議上主要討論有關議題——北斗衛星導航系統在國際海事界應用。

2014年5月14日 至23日，在國際海事組織海上安全委員會第93次會議上通過了MSC.379(93)決議-船載北斗衛星（BDS）導航系統接收機設備性能標準，并規定2016年7月1日及以后裝船的全球海上船載北斗衛星導航系統設備須符合該標準。為我國北斗衛星導航系統推廣率先在國際海運業應用獲得成功突破。

2014年11月17日至21日，國際海事組織海上安全委員會第94次會議上通過了對我國北斗衛星導航系統認可的航行安全通函。明確我國BDS成為全球無線電導航系統的組成部分，也標志著BDS正式成為繼美國全球定位系統(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)后第三個投入實用的全球衛星導航系統，取得了面向國際海事應用的合法地位。

2016年11月交通運輸部頒布了《國內航行海船法定檢驗技術規范》2016年修改通報，正式明確了北斗導航系統在船舶航海領域的應用要求，意味著船用北斗導航接收機可應用于國內運營的十幾萬條船舶廣闊市場；為北斗系統在水上運輸及海上船舶的應用推廣、實現社會效益提供嶄新的廣闊前景。

3、納入國際海事公約

（1）船舶定位功能，包括船舶管理，如設備管理、航線規劃、避碰、智能航行；船隊管理，如貨物管理、備品配件、財務核算；漁船管理，如漁期控制、漁區管控、漁汛通報、漁船監督。

（2）航路監測，包括港口管理，如錨地監控、進出港調度、環保監督；航標管理，如電子航標、漂移警告；水文搜集，如風、浪、涌、流、潮汐等參數的位置戳、時間戳。

（3）救助救援，如精確定位、救助信息互通、快速傳遞、VDR定位。

（4）海事安全監管，如AIS應用。