基于北斗卫星导航系统短报文服务的水上安全通信

2019-06-10 09:34:24 水运管理2019年5期

马甲林

【摘 要】 为实现海区北斗卫星导航系统服务全覆盖,讨论北斗卫星导航系统短报文服务在水上安全通信领域的应用,通过北斗卫星导航系统短报文功能和北斗卫星无线电测定(RDSS)业务为水上领域不同行业众多用户提供基于位置的信息共享、短报文信息转发等服务。分析基于北斗短报文服务的航标建设、虚拟航标、水上安全信息播发、应急救援等具体应用,以北斗分理服务平台为例,阐述其作为统一平台的功能和优势,为实现救援及其他服务提供便捷的途径。

【关键词】 北斗卫星导航服务;北斗分理服务平台;北斗卫星无线电测定(RDSS)

0 引 言

为确保航行安全,在全球海域行驶的船舶需要全天候全天时的导航、定位和授时服务。北斗卫星导航系统(以下简称“北斗系统”)已经成为全球无线电导航系统组成部分,并获得了面向海事应用的国际合法地位。北斗系统具有短报文功能,在无公网覆盖的区域更能凸显优势。同时,北斗系统在应急救援、港口管理、引航、海洋渔业、测绘等海上安全领域都有重要应用。本文重点讨论北斗系统短报文服务在航标建设、虚拟航标、水上安全信息播发和应急救援等水上安全通信领域的应用,以北斗系统服务为主体,综合物联网、大数据、地理信息系统(GIS)、海图等技术,构建规范、开放、统一的航海保障系统,形成标准化的信息模型、接口和协议,实现不同行业与部门之间的数据服务和共享。

1 北斗系统的应用

1.1 卫星无线电导航(RNSS)业务应用

RNSS系统具有导航、定位、授时等功能。该服务可实现由用户机接收卫星无线电导航信号,计算用户位置、速度及航行参数等,自主完成至少到4颗卫星的距离测量。北斗系统的定位精度在亚太地区已达到5 m左右,而北斗连续运行服务参考站(BD-CORS)系统则实现了实时厘米级、事后毫米级定位,目前,大部分省、市、自治区都建设了北斗地面基站系统,在多个民用领域都有广泛的应用,如高精度约车、电子围栏、高精度导航及建筑工程需要的高精度定位等。

北斗系统在海事领域也有广泛的应用。我国沿海几十座无线电指向标―差分全球定位系统(RBN-DGPS)台站已升级改造为RBN-(DBDS+DGPS)播发系统,实现北斗系统与GPS双模工作;在渤海湾、长江口及珠江口等区域建设了沿海北斗连续运行服务参考站系统,从而为覆盖区域内的终端用户提供高精度定位、导航服务,同时为海上钻井平台站桩定位和大流量、大密度的船舶导航提供有力的支持,使船舶夜航、雾航更有安全保障。

1.2 卫星无线电测定业务(RDSS)应用

RDSS服务是通过用户应答,在定位的同时向外部系统用户报告位置,實现定位功能与通信功能的集成。这也是北斗系统区别于其他卫星导航系统的一大特色,实现了短报文双向通信,以及终端之间主动上报位置信息等功能。北斗分理服务平台的北斗RDSS业务为不同行业众多用户提供基于位置的信息共享、短报文信息转发、数据传送、远程测控,并提供用户信息管理、查询、调阅,以及指挥调度、管理、通播、组播、单播等信息增值服务。随着北斗系统的深入发展和应用,车(船)载设备、手持设备将大规模进入民用领域,贴近日常生活,逐步实现船岸互通、手机互通。目前,各个领域已实现了基于北斗RDSS服务的多种应用场景,包括北斗海洋渔业应用、基于北斗系统的海洋监测信息实时传输系统、北斗海上搜救体系、救生信标机、北斗船舶监控服务系统、海上溢油跟踪浮标系统、水文北斗统一指挥平台、在线水质监测系统等。北斗系统特别适用于未被公网覆盖的区域浮标的海洋监测、水文气象信息采集和物联网应用等,解决了远离海岸线和岛礁区域水文信息采集的难题。

2 北斗分理服务平台应用

北斗分理服务平台以北斗数据为核心,接入包括船舶自动识别系统(AIS)、水文气象等信息,结合海图应用,提供基于RDSS的位置服务和消息转发应用。北斗分理服务平台框架见图1。在航海保障领域,北斗分理服务平台实现本行业的协议、接口的约束和适配,通过制定统一、完整的框架协议实现与其他行业间信息的互联互通,例如通过北斗指挥机阵列转发手机信息等。北斗分理服务平台在航标建设、水上通信、应急救援等领域以其独有的短报文服务构建面向海事领域的应用平台提供保障服务。

2.1 海事航标建设

2.1.1 北斗航标遥测遥控系统

航标遥测遥控系统的应用是航标建设的一大亮点。工作人员通过遥测遥控系统能动态掌握当前航标的状态和运行参数,极大提高了监控管理效率。遥测遥控系统通过电信公网和AIS基站链路进行通信,但对于公网和AIS基站无法覆盖或信号较弱的区域无法正常使用遥测遥控系统,给航标巡检维护工作带来较大的困难。北斗航标遥测遥控系统是近年来航标发展的新方向,具有监控范围大、数据可靠的优势,采集的航标灯器工作电压、工作电流、位置等信息经过航标上北斗遥测终端设备处理后再通过北斗系统传送给监控中心服务器。航标主管部门通过计算机或手机客户端可以实时监控航标遥测数据,航标信息可通过电子海图直观显示(见图2)。目前我国沿海安装有北斗遥测终端设备的航标已有2 000多座。

2.1.2 基于北斗系统的虚拟航标

目前的航标遥测主要有以下3个问题:(1)通信链路受不明原因干扰造成数据传输中断或者数据不准确;(2)通信模块故障,而此时的航标正常工作;(3)灯器故障和浮标漂移。这些问题都需要及时进行巡检和维护。虽然未来可通过高分辨率卫星、无人机、无人艇、过路船舶或巡逻艇以较小成本实现对现场状况的观测和掌握,但仍不能解决现场在恶劣环境下更换航标难度大且维护成本高的问题。设置虚拟航标可以在确保航标的导助航效能的前提下减少航标维护工作量,提高数据的精确度和设置的及时性,对于不能及时修复或灭失的航标及沉船均可及时设置虚拟航标。这不仅能有效地保障水上航行安全,而且避免了实物航标因漂移造成位置不准确的问题。综合应用电子海图、航标系统、北斗系统等技术手段构建电子航道(航线)图,实现航标动态、航行警告的实时发布和动态显示。

目前,虚拟航标主要依赖于AIS系统,通过AIS基站进行信息广播,但其受限于基站覆盖范围,船舶在远离基站的区域航行会无法接收到虚拟航标信息。本文提出一种基于北斗系统短报文服务的虚拟航标,将虚拟航标的信息通过北斗系统传输到用户终端,最终以图形或文字消息的形式显示在船舶导航终端电子海图上。见图3。

航标主管部门作为唯一的数据源,虚拟航标的调度、设置都可通过北斗系统传输给北斗船台等终端。为保证数据的一致性,不同厂商生产的终端通过约定的协议实现互通,最新颁布施行的《中华人民共和国航道法》为航标管理提供法律依据,航标主管部门将动态信息推送至用户端,保证虚拟航标的及时性、有效性和数据一致性,实现船舶位置查询、轨迹跟踪、历史轨迹回放、调度管理、统计查询等。北斗分理服务平台通过调用北斗系统TCP接口协议实现虚拟航标的发布,船舶端只需要有一台接收机即可。基于北斗系统的虚拟航标比AIS虚拟航标具有更大的覆盖范围,而且不受基站限制。此外,应用遥感技术、GIS技术、NB-IoT(基于蜂窝的窄带物联网)等构建三维可视航道或航线图,效果更直观。

2.2 水上安全信息播发

播发航行警告、搜救信息、水文气象信息、海上安全信息对于预防和减少海上交通事故的发生有着重要的作用。北斗系统将有效拓宽安全信息播发覆盖范围和水上通信服务范围。例如基于500 kHz的NAVDAT(海上数字广播)数字通信系统,可融合相关北斗系统的数据和通道,在海上数字通信技术上开展新应用。

越来越多的船舶已安装有船载北斗终端和应急示位终端,终端之间不仅可以互通信息,还能通过指挥平台实现通播,达到全天候不间断监控船舶动态信息、禁航区自动管控、安全信息播发,以及船舶避碰和遇险紧急求救,从而构建全方位立体综合海事监控系统。此外,还可以结合北斗系统链路传输AIS信息,实现北斗系统与AIS一体化应用,消除偏远水域信息孤岛,达到信息网络全覆盖,保障船舶安全航行。以水文气象、航行通(警)告等作为信息源,北斗分理服务平台指挥机阵列作为传输链路,实现了借助北斗系统短报文通信链路进行消息转发。针对不同类型的船舶,北斗分理服务平台可以通过北斗系统传输链路进行定制化的消息发布和订阅,已实际应用于长江口区域重点船舶气象信息播发。

2.3 应急救援

我国政府高度重视北斗系统在交通运输行业的推广,北斗系统短报文功能在水上搜救领域具有重要的应用,民用船舶配备北斗应急遇险报警设备也是交通运输部重点推进的工作。2016年11月,《北斗应急无线电示位标(BD-EPIRB)性能标准和检验检测标准》编制完成并纳入《国内航行海船法定检验技术规则》。目前,北斗应急示位标都要经中国船级社认证,支持121.5 MHz波段应急信号发送。北斗应急示位标通过北斗卫星将报警信息发送给搜救中心,具有自动释放、可靠稳定的优势。配备北斗应急示位标的船舶在遇险时能在较短时间内向北斗卫星发送包含本船标识、位置、时间等信息的报告电文,再通过北斗系统转送分发至各海事局、渔政局、船舶交通管理中心(VTS)、搜救协调中心(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。北斗分理服务平台将北斗应急示位标的回报地址设置为对应的ID就可自动接收报警和救援信息,其再将信息转发给救援部门。这个过程既可以实现北斗卫星与北斗卫星之间的通信,也可实现北斗卫星与手机间的通信。

北斗系统及北斗系统搭载遇险搜救载荷已经写入国际搜救卫星组织中轨搜救卫星系统框架文件,这标志着北斗系统向加入国际搜救卫星系统迈出了第一步。2018年9月,第十三、第十四颗“北斗三号”卫星发射成功。这两颗卫星搭载了救援载荷,实现了救援报警信息的反向链路,提高了搜救遇险人员的成功率。北斗系统位置报告业务和国际MEOSAR(中地球轨道搜救)业务在定位精度、响应时间和服务容量等方面都具备很大的优势。

3 结 语

本文論述了基于北斗系统短报文服务的水上安全通信的应用场景,首次提出了基于北斗系统的虚拟航标概念,并介绍了北斗分理服务平台作为统一平台的功能和优势。该平台是基于电子海图(地图)的GIS平台,一方面具有强大的信息处理能力和应用展示功能,另一方面连接北斗系统指挥机阵列进行消息的转发。北斗分理服务平台作为信息的汇聚点和调度的发送点,连接了各个终端和用户,为实现救援及其他服务提供了准确、及时的信息来源。

北斗系统的RDSS功能在水上交通领域能够发挥巨大作用,在海事航保、海洋渔业、远洋航行等方面都有广泛的应用。我国卫星导航产业具有广阔的市场空间,但也面临系统建设滞后、终端普及不足等问题。今后,基于短报文通信等特色优势的北斗系统应用将得到极大发展。在航海保障领域,通过北斗系统的“服务+平台”着力推动产业结构升级,释放出更加广阔的应用空间,融合移动通信网络、互联网、云计算等技术,实现海区北斗系统服务全覆盖。