周立 彭紅春 董春來 湯均博（淮海工學院測繪工程學院）

□□隨著海洋交通運輸業(yè)的發(fā)展，船舶趨于大型化、高速化，船舶數(shù)量和水域交通密度及危險貨物裝載量不斷增加，海上交通事故及經(jīng)濟損失呈增長趨勢，嚴重威脅船舶航行安全及海洋生態(tài)環(huán)境。因此，探索構建“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗”）數(shù)字航標系統(tǒng)，確保航標信息的準確性和可靠性，為滿足船舶安全航行需求提供更好的服務具有非常重要的作用。

1 引言

進入21世紀，數(shù)字海洋作為數(shù)字地球的重要組成部分應運而生，而數(shù)字航標又是數(shù)字海洋主要信息基礎設施、信息社會的重要組成部分。根據(jù)國際航標協(xié)會（IALA）的最新定義，數(shù)字航標（又稱虛擬航標）是指物理上不存在，由經(jīng)授權的助航服務提供部門發(fā)布能在導航系統(tǒng)中顯示的數(shù)字信息物標；并對物標注解為一個或一組物標。數(shù)字航標可用于告知航海人員航行危險物、安全航路、謹慎駕駛水域和規(guī)避水域等，用來標識能用圖形表示的線、區(qū)域、位置及其他形式。

如今，“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”概念揭開了未來互聯(lián)網(wǎng)神秘的一角。人們設想通過微電子芯片無源感應射頻識別（RFID）技術，給各種物體“貼上”RFID 芯片作為識別標簽（簡稱電子標簽），利用移動或固定的RFID 感應器等信息傳感設備對物體的特定屬性信息進行感應識別；結合相關的位置、時間等信息，按照約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行物物信息交換和通信，將世界各地物體的信息進行匯聚、處理、分析和分發(fā)，以實現(xiàn)物體智能化信息管理的一種智能網(wǎng)絡，是物聯(lián)網(wǎng)的雛形。數(shù)字航標的建設無疑為物聯(lián)網(wǎng)提供了一個大規(guī)模應用的平臺，全球航標、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）、船舶交通服務（VTS）等與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的融合將成為未來新型數(shù)字航標發(fā)展的大趨勢。而“北斗”作為集定位、導航、通信和授時四大功能于一體的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的誕生，它將在海洋創(chuàng)新應用與服務中更加具有優(yōu)勢，必將為數(shù)字航標的構建帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。

2 數(shù)字航標的技術體系

數(shù)字航標是基于計算機技術、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）、電子海圖顯示系統(tǒng)（ECDIS）、AIS、船載航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR）及無線電導航系統(tǒng)（Rnav）等現(xiàn)代高技術而產(chǎn)生和發(fā)展起來的一門新興航標應用技術。隨著電子海圖的推廣和普及應用，航海人員從原來按照紙海圖上的標識，依靠目視觀察航標行船到運用電子海圖操縱自動導航系統(tǒng)行船，其間各類助航標志都將在電子海圖上清晰地標識出來。如果某一航區(qū)內的助航標志已經(jīng)納入了AIS的管理中，那么在該區(qū)域中的航標（浮標和固定標志）都會按照3分鐘/次的速率送出最新的航標標志數(shù)據(jù)。這些航標數(shù)據(jù)會實時動態(tài)地被船載AIS設備接收到，并在電子海圖上顯示出來，即電子海圖上將會顯示航行區(qū)域內每個航標的實際位置及當前工作狀態(tài)等信息。

當中心處理系統(tǒng)（例如VTS控制中心）對每個航標設施的信號經(jīng)處理后以廣播方式發(fā)射出去時，船載AIS設備同樣會接收到航標信息數(shù)據(jù)，也同樣會自動標繪在電子海圖上。這些來自于VTS控制中心廣播的航標信息數(shù)據(jù)完全等同于實際航標發(fā)出的航標信息數(shù)據(jù)，在電子海圖上反映出來的效果是完全一致的。如果不考慮駕引人員直接觀察到實際航標設施的燈光、目標等所產(chǎn)生的心理影響，對船載AIS設備來說，其接收到的并顯示在電子海圖上的航標實時信息，究竟是來自于VTS控制中心的航標信息數(shù)據(jù)，還是真的從實際航標標志上送出的信息并不重要。既然如此，那么從理論上來說，在AIS覆蓋區(qū)域內更可以不再需要設置具體的航標設備，或至少在那些固定的標志上如大型燈塔、引導標、雷康標志等， 只要配備一臺AIS應答器，即可達到與實際物化的助航設施相一致的效果。由這個虛擬系統(tǒng)構成的助航標志系統(tǒng)即為虛擬的航標系統(tǒng)。

3 “北斗”技術分析

衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為一個國家最重要的信息基礎設施之一，在國民經(jīng)濟建設中占有非常重要的位置，不僅是國民經(jīng)濟信息化建設的重要組成部分和推動力量，也是直接關系到國家安全的關鍵性技術支撐系統(tǒng)。GNSS應用產(chǎn)業(yè)已逐步成為一個全球性的高新技術產(chǎn)業(yè)。而以“北斗”廣泛應用為推動力的我國衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)，正進入產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展的根本轉折時期。

我國的衛(wèi)星導航定位應用始于20世紀80年代，伴隨著“全球定位系統(tǒng)”（GPS）應用的熱潮，近10年來，我國的衛(wèi)星定位與導航應用得到了飛速的發(fā)展，并已滲透到了國民經(jīng)濟的許多典型應用系統(tǒng)中，如測繪、車輛導航監(jiān)控及海洋漁業(yè)生產(chǎn)等?？梢哉f，從整體而言，我國的衛(wèi)星定位與導航應用已融入到我國現(xiàn)代信息社會建設的進程中。

按照計劃，“北斗”將在2012年發(fā)射6顆衛(wèi)星，并于年底正式提供區(qū)域運行服務。在海洋導航定位領域，“北斗”的突出優(yōu)勢在于：

· 自主衛(wèi)星導航系統(tǒng) 具有自主知識產(chǎn)權，高強度加密設計，系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定，適合涉及國家安全和最大自然災害監(jiān)測預報的關鍵部門應用。通過芯片級多模用戶接收機開發(fā)與傳感器網(wǎng)絡集成，可為海洋用戶提供全天候、高精度、可靠的快速實時定位服務。

· 簡短報文通信 系統(tǒng)用戶終端具有雙向數(shù)字報文通信功能，注冊用戶利用連續(xù)傳送方式可以傳送多達120 個漢字的信息，能全天候服務，沒有通信盲區(qū)；解決了海區(qū)高動態(tài)定位和傳感網(wǎng)信息同步通信技術支持困難問題。

· 獨特的中心節(jié)點式定位處理和指揮型用戶機集成設計 不僅能使用戶知道自己所處的位置，還可以告訴別人自己的位置，特別適用于動態(tài)目標跟蹤監(jiān)控需要定位導航與移動安全數(shù)據(jù)控制場所，如海上交通運輸、海上搜索營救、海上航標調度指揮、智能化的海洋環(huán)境監(jiān)測預報傳感器網(wǎng)絡等。

“北斗”導航試驗衛(wèi)星進行熱真空試驗

· 精密授時，統(tǒng)一海上時間基準 “北斗”具有單向和雙向兩種授時功能，根據(jù)不同的精度要求，共享“北斗”用戶終端授時，可實現(xiàn)海上動態(tài)運載平臺、裝備設施與導航定位之間的時間和頻率同步，可為海洋網(wǎng)提供100ns（單向授時）和20ns（雙向授時）的時間同步精度。

· 具備定位與通信雙重功能 為海洋連續(xù)運行參考站（CORS）的建立提供技術支撐，特別是滿足當前在沿海島嶼建設CORS基礎設施的數(shù)據(jù)通信需求，解決了港口、島礁及海上厘米級高精度實時導航定位技術瓶頸問題。

4 “北斗”數(shù)字航標模型建立

航標系統(tǒng)是海上交通安全保障體系的重要組成部分，對航標的有效監(jiān)控和管理，確保航標信息的準確性和可靠性，具有非常重要的意義。正是為了滿足海事管理部門對航標全息實時測控的需要，航標遙測遙控系統(tǒng)成為數(shù)字航標技術的新熱點。以GPS、數(shù)字移動通信技術、電子海圖信息顯示系統(tǒng)（ECDIS）和計算機網(wǎng)絡技術為主體的航標遙測遙控綜合系統(tǒng)，實現(xiàn)了航標實時監(jiān)控管理和航標信息的發(fā)布，使船舶及涉海部門及時、準確、方便地獲取航標信息，為海上的船舶交通安全保駕護航。

“北斗”數(shù)字航標系統(tǒng)結構

在此基礎上，筆者提出了基于“北斗”的數(shù)字航標模型，將“北斗”多模接收機芯片與航標傳感器網(wǎng)絡集成，構建數(shù)字航標網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡方案設計基于系統(tǒng)的地理特性、使用范圍、操作環(huán)境及業(yè)務需求，采用因特網(wǎng)與“北斗”相結合的方式，數(shù)字航標終端的各種定位信息和狀態(tài)信息，通過AIS/“北斗”網(wǎng)絡傳送到具有AIS應答器或“北斗”芯片的監(jiān)控中心、AIS船舶平臺、航標及各種海上浮標等設備，實現(xiàn)海上物-物互聯(lián)的智慧海洋。

航標監(jiān)控終端系統(tǒng)框圖

“北斗”數(shù)字航標系統(tǒng)是基于“北斗”衛(wèi)星通信協(xié)議建立的航標遙測遙控應用系統(tǒng)，包括海圖基礎平臺、航標遙測遙控和數(shù)據(jù)通信。其中，海圖基礎平臺能向用戶提供完善的電子海圖顯示與控制、導航、數(shù)字航標服務，數(shù)據(jù)通信由“北斗”的通信技術支撐。

該系統(tǒng)的工作原理就是利用“北斗”導航天線和接收模塊獲得航標的經(jīng)緯度定位數(shù)據(jù)，通過傳感器采集航標燈工作狀況和參數(shù)，定位信息和狀態(tài)參數(shù)經(jīng)過單片機處理后，利用“北斗”通信模塊按照設定的方式和時間傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的計算機上。其中心站監(jiān)控采用高性能計算機、收發(fā)設備、差分GNSS 處理技術以及滿足國際海道測量組織（IHO）和國際海事組織（IMO）有關標準的電子海圖,保證了實時數(shù)據(jù)處理分析的及時、可靠。

按照系統(tǒng)設計，航標燈器監(jiān)控終端與AIS中心站聯(lián)網(wǎng)，燈器監(jiān)控終端通過水文、氣象及濕度和溫度傳感器獲取的航標運行環(huán)境參數(shù)，檢測航標工作狀態(tài)，采集、存儲數(shù)據(jù)，并按定時指令，將存儲數(shù)據(jù)通過“北斗”導航衛(wèi)星的通信系統(tǒng)傳給AIS中心站；遇到特殊狀態(tài)或燈標運行到報警值時，將即時采集數(shù)據(jù)傳遞給中心站，實現(xiàn)報警或預報警。航標監(jiān)控終端主要由核心控制模塊、GNSS接收模塊、“北斗”導航衛(wèi)星通信接入模塊、各類傳感器及供電模塊組成，構成一個嵌入式應用系統(tǒng)。

納入AIS中心站管理的航標信息，同樣可以實現(xiàn)類似于“船-船”工作模式的應用，具有船載AIS的全部功能。當來往于AIS 覆蓋區(qū)域內的船只向周圍船只發(fā)出詢問時，各類助航標志也會發(fā)出相應的應答信號。這些助航標志的應答信息也同樣被準確地標繪并顯示在導航電子海圖上，使得船舶及時準確地了解周圍助航標志的情況。配合數(shù)字航標自動航行系統(tǒng)，船舶航行的安全率和避碰率都將得到很大的提高。同時，AIS中心站設立航標監(jiān)控終端，除了實時顯示航標動態(tài)位置和軌跡等信息外，還報告航標燈器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，例如太陽電池組自動切換、光控制航標燈故障應急處理等；實時監(jiān)控管理航標自動工作信息；隨時調閱相關信息，并發(fā)出有關指令。

“北斗”應用于水利水文

對于我國沿海配布的航標，監(jiān)控終端由電子海圖操作和控制終端組成。電子海圖操作部分具有向服務器請求海圖數(shù)據(jù)，顯示和操作海圖，實時顯示船舶、航標的當前位置和軌跡等功能。控制終端的功能是接收中心站送來的航標狀態(tài)及數(shù)據(jù)，進行實時監(jiān)控；隨時調閱中心站各種相關信息，并發(fā)出有關指令。航標燈器監(jiān)控終端與AIS中心站的通信利用“北斗”導航衛(wèi)星的短報文功能傳送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)起來比較簡單，而且通信成本低。

5 結束語

基于“北斗”網(wǎng)絡的航標智能監(jiān)控系統(tǒng)，為航標管理逐步向自動化、綜合化、集中化和智能化發(fā)展提供了一個新方向。由于數(shù)字航標傳感器網(wǎng)絡依托于網(wǎng)絡和通信技術實現(xiàn)感知信息的傳遞和協(xié)同，因此，在航標上安裝“北斗”衛(wèi)星導航無線監(jiān)控終端后，既可迅速確定相關信息位置，又可遠程傳遞各種傳感器采集的數(shù)據(jù)，極大地強化了無線傳感器網(wǎng)絡的大范圍信息獲取能力。

我國對“北斗”擁有完全自主知識產(chǎn)權，且系統(tǒng)本身具有高安全性設計，完全可以滿足海事、氣象、水利、電力、交通等特殊需求行業(yè)的使用。此外，建立在AIS雙向通信基礎上的指揮調度和控制操作功能，進一步滿足了數(shù)字航標傳感器網(wǎng)絡交互的要求。

基于“北斗”的數(shù)字航標傳感器網(wǎng)絡可實現(xiàn)全疆域無縫隙覆蓋。目前，全天候實時工作的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)已初具規(guī)模，在各相關行業(yè)的應用中極大地提高了信息化水平和管理效率，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。■