馬甲林

摘 要：虛擬航標(biāo)是一種重要的導(dǎo)助航設(shè)施，隨著技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通常，虛擬航標(biāo)泛指虛擬AIS航標(biāo)，在我國(guó)沿海和內(nèi)河地區(qū)都有了典型應(yīng)用。近年來(lái)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展日新月異，也為航海保障帶來(lái)了新的發(fā)展方向，基于北斗技術(shù)的航標(biāo)遙測(cè)遙控、水文氣象觀測(cè)、北斗船舶監(jiān)控、北斗應(yīng)急救援等也都取得了驕人的成績(jī)，沿海和內(nèi)河有六千余座導(dǎo)助航設(shè)施使用北斗。在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，研究了基于北斗短報(bào)文技術(shù)的虛擬航標(biāo)，提出一種虛擬北斗航標(biāo)，并與傳統(tǒng)的虛擬AIS航標(biāo)做了比對(duì)，最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了虛擬北斗航標(biāo)提供導(dǎo)助航服務(wù)的可行性。

關(guān)鍵詞：北斗短報(bào)文 虛擬北斗航標(biāo) 導(dǎo)助航服務(wù)

航標(biāo)，是指供船舶定位、導(dǎo)航或者用于其他專(zhuān)用目的的助航設(shè)施，包括視覺(jué)航標(biāo)、無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)施和音響航標(biāo)。虛擬航標(biāo)是一種特別的航標(biāo)類(lèi)型，是隨著AIS、電子海圖等技術(shù)的發(fā)展而應(yīng)用開(kāi)來(lái)的，主要通過(guò)無(wú)線電形式在電子海圖或接收機(jī)上標(biāo)識(shí)水域某點(diǎn)存在具有某種功能的航標(biāo)，以達(dá)到助導(dǎo)航的目的。目前，提起虛擬航標(biāo)大都默認(rèn)是指虛擬AIS航標(biāo)，虛擬航標(biāo)幾乎就等同于是虛擬AIS航標(biāo)。本文在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，提出一種基于北斗短報(bào)文技術(shù)的虛擬航標(biāo)，同時(shí)比較和論述了虛擬北斗航標(biāo)和虛擬AIS航標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了虛擬北斗航標(biāo)的可用性、可靠性和時(shí)效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可以向特定區(qū)域的船舶提供虛擬航標(biāo)服務(wù)。

1.虛擬AIS航標(biāo)

虛擬AIS航標(biāo)：由AIS臺(tái)站通過(guò)21號(hào)電文播發(fā)的不存在實(shí)體航標(biāo)的航標(biāo)信息。根據(jù)定義，虛擬AIS航標(biāo)又分為臨時(shí)虛擬AIS航標(biāo)和永久虛擬AIS航標(biāo)。臨時(shí)虛擬AIS航標(biāo)適用于如下情況：標(biāo)識(shí)航行限制區(qū)域；標(biāo)識(shí)臨時(shí)推薦航路；標(biāo)識(shí)故障航標(biāo)或移位航標(biāo)。

永久虛擬AIS航標(biāo)可在不具備布設(shè)實(shí)體航標(biāo)條件時(shí)使用，宜布設(shè)在深水區(qū)域或惡劣海況環(huán)境，以及隨時(shí)間、洋流或天氣影響而動(dòng)態(tài)變化的區(qū)域，適用于如下情況：標(biāo)識(shí)永久礙航物；標(biāo)識(shí)航道界限；標(biāo)識(shí)安全水域界限；標(biāo)識(shí)特殊區(qū)域（如錨地和遮蔽區(qū)）。

在電子海圖、紙質(zhì)海圖和航海出版物中應(yīng)標(biāo)識(shí)永久虛擬AIS航標(biāo)。

虛擬AIS航標(biāo)具有設(shè)置速度快、位置精確以及不受自然條件限制，適用于因各種原因無(wú)法布設(shè)實(shí)體航標(biāo)的情境，例如標(biāo)識(shí)沉船位置，能在第一時(shí)間起到導(dǎo)助航作用，能有效保障水上航行安全，時(shí)效性強(qiáng)是其顯而易見(jiàn)的特點(diǎn)。

2017年底，交通運(yùn)輸部批復(fù)“長(zhǎng)江口深水航道利用邊坡自然水深提升通航效率總體方案”，為有效標(biāo)示長(zhǎng)江口深水航道界限，共設(shè)置了45座虛擬AIS航標(biāo)，包括左側(cè)標(biāo)、右側(cè)標(biāo)和專(zhuān)用標(biāo)，長(zhǎng)江口深水航道也成為中國(guó)最大規(guī)模應(yīng)用無(wú)線電航標(biāo)標(biāo)示航道界限的電子航道。

虛擬AIS航標(biāo)是實(shí)體航標(biāo)的重要補(bǔ)充，但是也存在一定的局限，因基站作用距離、傳輸路徑信號(hào)衰弱以及電子海圖設(shè)備故障等原因，虛擬AIS航標(biāo)的信息并不會(huì)100%被船舶接收到，一定程度上存在航行安全隱患。

2.虛擬北斗航標(biāo)

2.1北斗短報(bào)文技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它具有定位、導(dǎo)航、授時(shí)等功能，是我國(guó)構(gòu)建綜合PNT系統(tǒng)的關(guān)鍵，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為全球無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)組成部分，獲得了面向海事應(yīng)用的國(guó)際合法地位，而短報(bào)文服務(wù)也是北斗系統(tǒng)區(qū)別于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特色之一。北斗短報(bào)文服務(wù)能實(shí)現(xiàn)雙向通信，它是通過(guò)用戶(hù)應(yīng)答，在定位的同時(shí)完成向外部系統(tǒng)的用戶(hù)位置報(bào)告，實(shí)現(xiàn)定位與通信的集成。北斗短報(bào)文業(yè)務(wù)可以為不同行業(yè)眾多用戶(hù)提供基于位置的信息共享、短報(bào)文信息轉(zhuǎn)發(fā)等服務(wù)。

目前基于北斗短報(bào)文服務(wù)，各個(gè)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了多種應(yīng)用場(chǎng)景，包括諸如北斗海洋漁業(yè)應(yīng)用，基于北斗系統(tǒng)的海洋監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，北斗海上搜救體系，救生信標(biāo)機(jī)，北斗船舶監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)，海上溢油跟蹤浮標(biāo)系統(tǒng)，水文北斗統(tǒng)一指揮平臺(tái)，在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

2.2北斗分理服務(wù)平臺(tái)

通過(guò)申請(qǐng)獲得北斗分理運(yùn)營(yíng)資質(zhì)，建設(shè)北斗分理平臺(tái)，從而利用北斗短報(bào)文業(yè)務(wù)，為不同行業(yè)眾多用戶(hù)提供基于位置的信息共享、短報(bào)文信息轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)傳送、遠(yuǎn)程測(cè)控，并具有用戶(hù)信息管理、查詢(xún)、調(diào)閱、指揮調(diào)度和管理、通播、組播、單播，以及各類(lèi)信息增值服務(wù)。

北斗分理服務(wù)平臺(tái)以北斗數(shù)據(jù)為核心，提供位置服務(wù)和消息轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用。如圖1所示，北斗分理服務(wù)平臺(tái)以北斗數(shù)據(jù)為中心，接入包括AIS、水文氣象等信息，結(jié)合海圖應(yīng)用，提供北斗數(shù)據(jù)服務(wù)。在航海保障領(lǐng)域，北斗分理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)本行業(yè)的協(xié)議、接口的約束和適配，通過(guò)制定統(tǒng)一、完整的框架協(xié)議實(shí)現(xiàn)與其他行業(yè)的互聯(lián)互通，例如通過(guò)北斗指揮機(jī)陣列轉(zhuǎn)發(fā)手機(jī)信息。北斗分理服務(wù)平臺(tái)在航標(biāo)建設(shè)、水上通信、應(yīng)急救援等領(lǐng)域提供保障服務(wù)，以其獨(dú)有的短報(bào)文服務(wù)構(gòu)建面向海事領(lǐng)域的應(yīng)用平臺(tái)。

2.3北斗航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)

航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)的應(yīng)用是航標(biāo)建設(shè)的一大亮點(diǎn)，能動(dòng)態(tài)掌握當(dāng)前航標(biāo)的狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，極大提高了監(jiān)控管理效率。遙測(cè)遙控系統(tǒng)主要采用電信公網(wǎng)和AIS基站鏈路進(jìn)行通信，對(duì)于公網(wǎng)和AIS基站無(wú)法覆蓋的區(qū)域，信號(hào)較弱而無(wú)法正常使用遙測(cè)遙控，給巡檢維護(hù)工作帶來(lái)較大的困難?；诒倍返暮綐?biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)是近年來(lái)航標(biāo)發(fā)展的新方向，北斗集定位與通信功能于一體，它具有監(jiān)控范圍大，數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)采集航標(biāo)燈器的工作電壓、工作電流、位置信息，經(jīng)過(guò)北斗遙測(cè)終端處理后再通過(guò)北斗衛(wèi)星傳送給監(jiān)控中心服務(wù)器，航標(biāo)主管部門(mén)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控航標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)。目前中國(guó)沿海和內(nèi)河安裝有北斗遙測(cè)終端的航標(biāo)已超過(guò)六千座。

2.4基于北斗短報(bào)文技術(shù)的虛擬航標(biāo)

虛擬航標(biāo)的應(yīng)用可以補(bǔ)充實(shí)體航標(biāo)的不足，當(dāng)前的航標(biāo)遙測(cè)系統(tǒng)主要有以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

（1）通信鏈路受不明原因干擾造成數(shù)據(jù)傳輸中斷或者數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；

（2）遙測(cè)終端通信模塊故障，而此時(shí)航標(biāo)的位置和燈光亮滅情況可能是正常的；

（3）燈器故障和浮標(biāo)漂移。

無(wú)論是遙測(cè)模塊故障還是燈器故障，都需要及時(shí)進(jìn)行巡檢和維護(hù)。雖然未來(lái)可通過(guò)高分衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇、過(guò)路船舶或巡邏艇在較小成本和惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)狀況的觀測(cè)和掌握，但是仍不能解決現(xiàn)場(chǎng)更換的問(wèn)題，維護(hù)成本高的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)。通過(guò)設(shè)置虛擬航標(biāo)可以保證航標(biāo)的導(dǎo)助航效能，并在一定程度上減少維護(hù)工作量，提高數(shù)據(jù)精確度和設(shè)置及時(shí)性，對(duì)于不能及時(shí)修復(fù)的漂移或被撞的航標(biāo)，突發(fā)的沉船事件，都可及時(shí)設(shè)置虛擬航標(biāo)，這不僅能有效地保障水上航行安全，而且又避免了實(shí)際航標(biāo)漂移幾十米、幾百米造成的位置不準(zhǔn)確問(wèn)題。綜合應(yīng)用電子海圖、航標(biāo)系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等技術(shù)構(gòu)建數(shù)字航道圖，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)動(dòng)態(tài)、航行警告的實(shí)時(shí)發(fā)布和動(dòng)態(tài)顯示。

目前，虛擬航標(biāo)主要依賴(lài)于AIS系統(tǒng)，通過(guò)AIS基站進(jìn)行信息廣播，它受限于基站覆蓋范圍，在遠(yuǎn)離基站的區(qū)域航行會(huì)接收不到虛擬航標(biāo)信息。本文提出一種基于北斗短報(bào)文服務(wù)的虛擬航標(biāo)，將虛擬航標(biāo)的信息通過(guò)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸?shù)接脩?hù)終端，最終以符號(hào)或文字消息的形式顯示在船舶導(dǎo)航終端電子海圖上，如圖2所示。

虛擬航標(biāo)的調(diào)度、設(shè)置都可通過(guò)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸給北斗船臺(tái)等終端，北斗指揮機(jī)陣列可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)發(fā)送，不受北斗短報(bào)文通信頻度的影響。航標(biāo)主管部門(mén)作為唯一的數(shù)據(jù)源保證航標(biāo)數(shù)據(jù)的一致性，不同廠商生產(chǎn)的終端通過(guò)約定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)互通，最新頒布施行的航道法為航標(biāo)管理提供了法律依據(jù)，航標(biāo)主管部門(mén)將航標(biāo)動(dòng)態(tài)信息推送至用戶(hù)端，保證虛擬航標(biāo)的及時(shí)性、有效性和數(shù)據(jù)一致性，同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)船舶位置查詢(xún)、軌跡跟蹤、歷史軌跡回放、調(diào)度管理、統(tǒng)計(jì)查詢(xún)等。以北斗分理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)調(diào)用自定義北斗TCP接口協(xié)議實(shí)現(xiàn)虛擬航標(biāo)的發(fā)布，船舶端只需要有一臺(tái)接收機(jī)即可。

基于北斗的虛擬航標(biāo)比AIS虛擬航標(biāo)具有更大的覆蓋范圍，而且不受基站限制，在亞太地區(qū)都可利用北斗短報(bào)文進(jìn)行通信，而且隨著北斗三號(hào)的建設(shè)，全球短報(bào)文對(duì)于安全信息的傳輸也提供了途徑。根據(jù)北斗報(bào)文經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，可以確定船舶位置，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和特定區(qū)域通信，從而為特定船舶提供更精準(zhǔn)的導(dǎo)助航服務(wù)，避免了類(lèi)似AIS廣播帶來(lái)的無(wú)線電“污染”。北斗既可以傳輸“明文”短信，又可編碼解析在海圖上以符號(hào)的形式顯示。利用北斗分理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了北斗虛擬航標(biāo)的可行性。

相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)，通過(guò)北斗短報(bào)文技術(shù)對(duì)重點(diǎn)船舶點(diǎn)對(duì)點(diǎn)播發(fā)氣象信息已成為現(xiàn)實(shí)，針對(duì)不同類(lèi)型的船舶，基于船舶北斗位置信息進(jìn)行定制化的消息發(fā)布和訂閱，這在長(zhǎng)江口區(qū)域重點(diǎn)船舶氣象信息播發(fā)中都有了實(shí)際的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用遙感技術(shù)、GIS技術(shù)、NB-IoT等構(gòu)建三維可視航道圖，效果更直觀。

虛擬航標(biāo)發(fā)布管理模式、航標(biāo)動(dòng)態(tài)信息的有效期和虛擬航標(biāo)在船舶終端的可視化顯示則需要下一階段重點(diǎn)研究，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和其他海上通信系統(tǒng)進(jìn)行綜合應(yīng)用。

3.展望

播發(fā)航行警告、搜救信息、水文氣象信息、海上安全信息對(duì)于預(yù)防和減少海上交通事故的發(fā)生有重要的作用。北斗系統(tǒng)將有效提高安全信息播發(fā)覆蓋范圍，拓寬水上通信服務(wù)能力。越來(lái)越多的船舶已經(jīng)安裝有船載北斗終端和應(yīng)急示位終端，終端之間不僅可以互通信息，還能通過(guò)指揮平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通播，達(dá)到7*24小時(shí)不間斷監(jiān)控船舶動(dòng)態(tài)信息、禁航區(qū)自動(dòng)管控、安全信息播發(fā)、船舶避碰、遇險(xiǎn)緊急求救，從而構(gòu)建全方位立體綜合海事監(jiān)控系統(tǒng)。此外，還可以結(jié)合北斗鏈路傳輸AIS船舶信息，實(shí)現(xiàn)北斗AIS一體化應(yīng)用，消除偏遠(yuǎn)水域信息孤島，達(dá)到信息網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，保障船舶安全航行。海上通信手段越來(lái)越豐富，通過(guò)技術(shù)融合可實(shí)現(xiàn)多種位置服務(wù)，而北斗系統(tǒng)自帶定位功能，更是位置服務(wù)的關(guān)鍵，北斗短報(bào)文則錦上添花，可以預(yù)見(jiàn)的是，在虛擬航標(biāo)領(lǐng)域應(yīng)用北斗短報(bào)文技術(shù)是具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)務(wù)院.中華人民共和國(guó)航標(biāo)條例[Z].2011.

[2]JT/T 1193-2018，自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）航標(biāo)應(yīng)用導(dǎo)則[S].北京：人民交通出版社，2018.

[3]黃純.虛擬AIS航標(biāo)在長(zhǎng)江口深水航道的應(yīng)用[J].中國(guó)海事，2018（6）.