摘  要：海上定位、导航和授时（PNT）的可靠性是海上船舶安全航行的重要保证，其卫星和陆基技术是国际海事领域内各国重要的技术竞争点。在卫星方面，我国的北斗卫星系统已在PNT体系中开始发挥作用，而陆基方面的技术研究还相对匮乏。本文通过对海上数字广播（NAVDAT）这一未来海事领域中重要技术的拓展研究，提出了一种陆基PNT服务方式，有效优化现有PNT系统，同时可凭借我国在NAVDAT技术研究上的主导性国际地位，有力维护我国海域上的安全和权益。

关键词：定位;导航;授时;海上数字广播（NAVDAT）

定位、导航和授时（PNT）体系是每一个国家的重点安全战略，可获取与播发时空信息，提供导航服务。海上数字广播（NAVDAT）技术在国际上还处于研究阶段，我国在其技术、实践以及标准制定方面都处于优势地位，根据前期的研究成果，有能力拓展其在PNT服务方面的应用。

1 海上定位导航和授时（PNT）能力现状

目前，PNT体系主要以卫星导航系统为核心、多个协同工作的定位导航授时系统相互增强、补充、备份、融合[1]，共同提高安全保障能力。

1.1 全球卫星导航系统（GNSS）

海上PNT体系采用全球导航卫星系统（GNSS）为主要手段，包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO和中国北斗卫星导航系统等四大GNSS全球系统[2]，以及其他区域系统和增强系统。GNSS具有精度高、全球覆盖的优点，但由于发射功率小、收发设备距离远以及高频段特性的原因，其存在抗干扰能力低、绕射能力差的脆弱性，单独作为航海定位、导航和授时的支撑系统有着较大的风险，需要其他手段作为辅助或备份，以提高整个PNT体系的可靠性。

1.2 陆基远程无线电导航系统

由于GNSS的脆弱性，不易受到干扰且绕射能力强的陆基远程无线电导航系统得以发展，其优势恰可弥补GNSS的潜在风险点。经过多个国家多年来的技术评估和试验研究，罗兰-C系统可完全达到GNSS的性能指标，是GNSS出现故障或被破坏时的最佳备份系统。我国现有3个罗兰-C台链，基本覆盖服务海域，可提供可靠的PNT服务。但罗兰技术发源于国外，从国家安全和发展角度考虑，对于我国海上PNT体系的建设，应在大力发展北斗卫星系统的同时，考虑陆基无线电导航的新手段，以形成更安全、可靠的海上PNT体系。

1.3 海上主要导航及辅助手段

在茫茫大海上，船舶的位置及航向确定对于航行安全至关重要，岸基部门利用GNSS或陆基系统提供的PNT信息，提供多种导助航手段。比如：电子海图显示与信息系统（ECDIS）主要提供海上导航服务，类似陆地的导航手段。而船舶自动识别系统（AIS）、海上安全信息（MSI）服务、船舶交通服务（VTS）等主要提供位置、方向、有关航行安全、航线指导等助航信息。

2 海上数字广播（NAVDAT）技术在定位、导航和授时（PNT）领域的优化应用

鉴于GNSS的脆弱性以及罗兰-C技术的非主导性，我国应着力研究具备技术主导权的新型陆基无线电定位、导航和授时手段，为服务海域上的船舶提供更有力的航海保障。

海上数字广播（NAVDAT）是国际电信联盟（ITU）于2011年提出的一种基于数字传输的海上广播技术手段，由于其具备高速率、高带宽等优点，是GMDSS现代化和e-航海战略的关键技术。目前，我国在该技术领域的研究和应用已处于世界领先水平，结合其技术特性，NAVDAT系统是我国在定位、导航和授时方面最适合的新型手段，我国也完全具备NAVDAT技术在PNT领域上拓展功能的研发水平。

2.1 海上导航方面

NAVDAT技术具有10 kHz带宽，这在海事通信领域已属较高带宽。我国自2014年开始研制的NAVDAT系统，采用正交频分复用（OFDM）中的同步、信道补偿、编解码等技术，有效实现了10 kHz带宽信道上数据的高速数字化传输，NAVDAT系统的有效数据速率可达12～18 kbps，是现有海上广播系统NAVTEX的360倍，能实现电子海图改正信息、VTS文件等大信息量导助航数据的播发，为在航人员提供最及时、可靠的航路信息，提高在航船舶的通行能力。同时，利用HTML语言，可实现NAVDAT系统与船舶电子海图系统（ECS）、导航信息系统（NIS）的无缝连接，将航行警告、水文信息、搜救信息、气象图等可视化地发布在海图、导航画面上，与其航线监视等功能融为一體，增强了船舶对环境的感知力，提升了电子海图系统、导航系统的导助航水平。

2.2 海上定位方面

ITU将495～505 kHz划分给中频NAVDAT系统，可实现A2海区的覆盖，其传播速度变化不大，因此可利用稳定的传播特性开拓NAVDAT技术在定位、授时方面的应用。

无线电定位的本质就是利用无线电传播距离确定目标位置。NAVDAT系统通过待测点与已知位置发射台的距离差，结合无线电测距交会原理，确定待测点的位置。如图1所示的3个发射台（其中A、B和C分别为主、副发射台），通过船台接收机接收到主、副发射台载波的时差值，计算出距离差，继而利用A和B、A和C与待测点的两个距离差构建两条双曲线，其交点就是定位的位置[4]，同时根据误差传播定律评估可得出NAVDAT系统位置定位精度<100 m。

2.3 海上授时方面

NAVDAT发射台可接入北斗卫星接收机进行时间同步，具有20～50 ns的高精度授时能力，船台接收设备的授时精度主要受发射台到接收设备之间传播时间的测量精度影响，由于NAVDAT采用的500 kHz中频在海面传播具有较稳定的传播速度，不易受外界环境影响，因此可利用传播距离精准测量传播时间。假设T0为发射台发射信号的准确时刻，船舶通过双时差定位后确定出自己的位置，根据发射台和船舶位置的空间距离可以计算出发射台发射信号到达船舶的时间延迟ΔT，最终便可确定船舶接收发射台信号的准确时刻为T=T0+ΔT，也即自身准确的时间信息，这样就实现了基于NAVDAT技术的无线电授时功能。通过仿真测试，NAVDAT系统授时精度优于1 μs。

3 NAVDAT技术应用于PNT领域的前景

e-航海是国际海事组织（IMO）的一项重要战略计划，在其背景下制定的《海上无线电规划》指导着海事领域的未来发展方向，NAVDAT作为其中的重要组成部分，在PNT领域的应用不断地解读着e-航海的建设目标：一是，向航海者提供清晰的信息。NAVDAT系统利用多源异构数据编码技术可实现各类海事信息集中化、可视化呈现于电子海图、船舶导航信息系统上的功能，向航海者提供了更清晰、丰富的导助航信息，提高导航系统服务效能;二是，实现简捷而有效的船岸之间的通信。NAVDAT系统与NAVTEX系统一样，采取轮播的工作模式，但由于NAVDAT系统具有较高的数据传输速度，可大幅缩短轮播间隔，同时，NAVDAT系统引入了单频网（SFN）技术，可在不会造成同频干扰的情况下实现大雾等特殊时段的多台站同频联播，保证更及时、有效的导助航信息送达服务目标。另外，由于NAVDAT系统可集中化提供各类导助航信息，避免了众多接收终端为航海人员造成的不便，便捷了信息服务方式;三是，提高船舶对环境的知晓。NAVDAT系统可播发NAVTEX系统所无法处理的电子海图更新数据、气象传真图、VTS等大信息量、多媒体格式的文件，保证在航船舶及时掌握航行环境要素，规避风险，安全高效地进行海上活动。

4 结 语

目前，我国NAVDAT技术研究已相对成熟，在国际标准的修订上占据世界主导地位。利用其高效、稳定的技术特性可提升导助航系统的服务水平，而日后建设的覆盖我国海域的NAVDAT台链系统经适当的技术调整，可具备类似罗兰系统的定位、授时服务能力，构建出我国技术主导的海上无线电定位系统，为船舶增加一种新型的、可靠的定位、导航和授时途径，有效优化现有PNT系统，建设安全高效畅通航运环境，助力航运经济发展。

参考文献

[1] 謝军，刘庆军，边朗.基于北斗系统的国家综合定位导航授时（PNT）体系发展设想[J].空间电子技术，2017，（05）：1-6.

[2] 代桃高.GNSS精密卫星钟差实时解算及实时精密单点定位方法研究[D].河南省：解放军信息工程大学，2017.

[3] 熊伟.Loran-C数字信号处理的关键技术研究[D].陕西省：中国科学院研究生院（国家授时中心），2008.

[4] 姚耀凡.测深船的导航方法[J].港口工程，1986，（04）：33-37.

作者简介：

高迎，女，工程师，13917984453