摘 ?要：海上定位、導(dǎo)航和授時（PNT）的可靠性是海上船舶安全航行的重要保證，其衛(wèi)星和陸基技術(shù)是國際海事領(lǐng)域內(nèi)各國重要的技術(shù)競爭點。在衛(wèi)星方面，我國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已在PNT體系中開始發(fā)揮作用，而陸基方面的技術(shù)研究還相對匱乏。本文通過對海上數(shù)字廣播（NAVDAT）這一未來海事領(lǐng)域中重要技術(shù)的拓展研究，提出了一種陸基PNT服務(wù)方式，有效優(yōu)化現(xiàn)有PNT系統(tǒng)，同時可憑借我國在NAVDAT技術(shù)研究上的主導(dǎo)性國際地位，有力維護我國海域上的安全和權(quán)益。

關(guān)鍵詞：定位;導(dǎo)航;授時;海上數(shù)字廣播（NAVDAT）

定位、導(dǎo)航和授時（PNT）體系是每一個國家的重點安全戰(zhàn)略，可獲取與播發(fā)時空信息，提供導(dǎo)航服務(wù)。海上數(shù)字廣播（NAVDAT）技術(shù)在國際上還處于研究階段，我國在其技術(shù)、實踐以及標準制定方面都處于優(yōu)勢地位，根據(jù)前期的研究成果，有能力拓展其在PNT服務(wù)方面的應(yīng)用。

1 海上定位導(dǎo)航和授時（PNT）能力現(xiàn)狀

目前，PNT體系主要以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心、多個協(xié)同工作的定位導(dǎo)航授時系統(tǒng)相互增強、補充、備份、融合[1]，共同提高安全保障能力。

1.1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）

海上PNT體系采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）為主要手段，包括美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO和中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等四大GNSS全球系統(tǒng)[2]，以及其他區(qū)域系統(tǒng)和增強系統(tǒng)。GNSS具有精度高、全球覆蓋的優(yōu)點，但由于發(fā)射功率小、收發(fā)設(shè)備距離遠以及高頻段特性的原因，其存在抗干擾能力低、繞射能力差的脆弱性，單獨作為航海定位、導(dǎo)航和授時的支撐系統(tǒng)有著較大的風(fēng)險，需要其他手段作為輔助或備份，以提高整個PNT體系的可靠性。

1.2 陸基遠程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)

由于GNSS的脆弱性，不易受到干擾且繞射能力強的陸基遠程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)得以發(fā)展，其優(yōu)勢恰可彌補GNSS的潛在風(fēng)險點。經(jīng)過多個國家多年來的技術(shù)評估和試驗研究，羅蘭-C系統(tǒng)可完全達到GNSS的性能指標，是GNSS出現(xiàn)故障或被破壞時的最佳備份系統(tǒng)。我國現(xiàn)有3個羅蘭-C臺鏈，基本覆蓋服務(wù)海域，可提供可靠的PNT服務(wù)。但羅蘭技術(shù)發(fā)源于國外，從國家安全和發(fā)展角度考慮，對于我國海上PNT體系的建設(shè)，應(yīng)在大力發(fā)展北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的同時，考慮陸基無線電導(dǎo)航的新手段，以形成更安全、可靠的海上PNT體系。

1.3 海上主要導(dǎo)航及輔助手段

在茫茫大海上，船舶的位置及航向確定對于航行安全至關(guān)重要，岸基部門利用GNSS或陸基系統(tǒng)提供的PNT信息，提供多種導(dǎo)助航手段。比如：電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）主要提供海上導(dǎo)航服務(wù)，類似陸地的導(dǎo)航手段。而船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）、海上安全信息（MSI）服務(wù)、船舶交通服務(wù)（VTS）等主要提供位置、方向、有關(guān)航行安全、航線指導(dǎo)等助航信息。

2 海上數(shù)字廣播（NAVDAT）技術(shù)在定位、導(dǎo)航和授時（PNT）領(lǐng)域的優(yōu)化應(yīng)用

鑒于GNSS的脆弱性以及羅蘭-C技術(shù)的非主導(dǎo)性，我國應(yīng)著力研究具備技術(shù)主導(dǎo)權(quán)的新型陸基無線電定位、導(dǎo)航和授時手段，為服務(wù)海域上的船舶提供更有力的航海保障。

海上數(shù)字廣播（NAVDAT）是國際電信聯(lián)盟（ITU）于2011年提出的一種基于數(shù)字傳輸?shù)暮Ｉ蠌V播技術(shù)手段，由于其具備高速率、高帶寬等優(yōu)點，是GMDSS現(xiàn)代化和e-航海戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)。目前，我國在該技術(shù)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已處于世界領(lǐng)先水平，結(jié)合其技術(shù)特性，NAVDAT系統(tǒng)是我國在定位、導(dǎo)航和授時方面最適合的新型手段，我國也完全具備NAVDAT技術(shù)在PNT領(lǐng)域上拓展功能的研發(fā)水平。

2.1 海上導(dǎo)航方面

NAVDAT技術(shù)具有10 kHz帶寬，這在海事通信領(lǐng)域已屬較高帶寬。我國自2014年開始研制的NAVDAT系統(tǒng)，采用正交頻分復(fù)用（OFDM）中的同步、信道補償、編解碼等技術(shù)，有效實現(xiàn)了10 kHz帶寬信道上數(shù)據(jù)的高速數(shù)字化傳輸，NAVDAT系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)速率可達12～18 kbps，是現(xiàn)有海上廣播系統(tǒng)NAVTEX的360倍，能實現(xiàn)電子海圖改正信息、VTS文件等大信息量導(dǎo)助航數(shù)據(jù)的播發(fā)，為在航人員提供最及時、可靠的航路信息，提高在航船舶的通行能力。同時，利用HTML語言，可實現(xiàn)NAVDAT系統(tǒng)與船舶電子海圖系統(tǒng)（ECS）、導(dǎo)航信息系統(tǒng)（NIS）的無縫連接，將航行警告、水文信息、搜救信息、氣象圖等可視化地發(fā)布在海圖、導(dǎo)航畫面上，與其航線監(jiān)視等功能融為一體，增強了船舶對環(huán)境的感知力，提升了電子海圖系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)助航水平。

2.2 海上定位方面

ITU將495～505 kHz劃分給中頻NAVDAT系統(tǒng)，可實現(xiàn)A2海區(qū)的覆蓋，其傳播速度變化不大，因此可利用穩(wěn)定的傳播特性開拓NAVDAT技術(shù)在定位、授時方面的應(yīng)用。

無線電定位的本質(zhì)就是利用無線電傳播距離確定目標位置。NAVDAT系統(tǒng)通過待測點與已知位置發(fā)射臺的距離差，結(jié)合無線電測距交會原理，確定待測點的位置。如圖1所示的3個發(fā)射臺（其中A、B和C分別為主、副發(fā)射臺），通過船臺接收機接收到主、副發(fā)射臺載波的時差值，計算出距離差，繼而利用A和B、A和C與待測點的兩個距離差構(gòu)建兩條雙曲線，其交點就是定位的位置[4]，同時根據(jù)誤差傳播定律評估可得出NAVDAT系統(tǒng)位置定位精度<100 m。

2.3 海上授時方面

NAVDAT發(fā)射臺可接入北斗衛(wèi)星接收機進行時間同步，具有20～50 ns的高精度授時能力，船臺接收設(shè)備的授時精度主要受發(fā)射臺到接收設(shè)備之間傳播時間的測量精度影響，由于NAVDAT采用的500 kHz中頻在海面?zhèn)鞑ゾ哂休^穩(wěn)定的傳播速度，不易受外界環(huán)境影響，因此可利用傳播距離精準測量傳播時間。假設(shè)T0為發(fā)射臺發(fā)射信號的準確時刻，船舶通過雙時差定位后確定出自己的位置，根據(jù)發(fā)射臺和船舶位置的空間距離可以計算出發(fā)射臺發(fā)射信號到達船舶的時間延遲ΔT，最終便可確定船舶接收發(fā)射臺信號的準確時刻為T=T0+ΔT，也即自身準確的時間信息，這樣就實現(xiàn)了基于NAVDAT技術(shù)的無線電授時功能。通過仿真測試，NAVDAT系統(tǒng)授時精度優(yōu)于1 μs。

3 NAVDAT技術(shù)應(yīng)用于PNT領(lǐng)域的前景

e-航海是國際海事組織（IMO）的一項重要戰(zhàn)略計劃，在其背景下制定的《海上無線電規(guī)劃》指導(dǎo)著海事領(lǐng)域的未來發(fā)展方向，NAVDAT作為其中的重要組成部分，在PNT領(lǐng)域的應(yīng)用不斷地解讀著e-航海的建設(shè)目標：一是，向航海者提供清晰的信息。NAVDAT系統(tǒng)利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)可實現(xiàn)各類海事信息集中化、可視化呈現(xiàn)于電子海圖、船舶導(dǎo)航信息系統(tǒng)上的功能，向航海者提供了更清晰、豐富的導(dǎo)助航信息，提高導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)效能;二是，實現(xiàn)簡捷而有效的船岸之間的通信。NAVDAT系統(tǒng)與NAVTEX系統(tǒng)一樣，采取輪播的工作模式，但由于NAVDAT系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，可大幅縮短輪播間隔，同時，NAVDAT系統(tǒng)引入了單頻網(wǎng)（SFN）技術(shù)，可在不會造成同頻干擾的情況下實現(xiàn)大霧等特殊時段的多臺站同頻聯(lián)播，保證更及時、有效的導(dǎo)助航信息送達服務(wù)目標。另外，由于NAVDAT系統(tǒng)可集中化提供各類導(dǎo)助航信息，避免了眾多接收終端為航海人員造成的不便，便捷了信息服務(wù)方式;三是，提高船舶對環(huán)境的知曉。NAVDAT系統(tǒng)可播發(fā)NAVTEX系統(tǒng)所無法處理的電子海圖更新數(shù)據(jù)、氣象傳真圖、VTS等大信息量、多媒體格式的文件，保證在航船舶及時掌握航行環(huán)境要素，規(guī)避風(fēng)險，安全高效地進行海上活動。

4 結(jié) 語

目前，我國NAVDAT技術(shù)研究已相對成熟，在國際標準的修訂上占據(jù)世界主導(dǎo)地位。利用其高效、穩(wěn)定的技術(shù)特性可提升導(dǎo)助航系統(tǒng)的服務(wù)水平，而日后建設(shè)的覆蓋我國海域的NAVDAT臺鏈系統(tǒng)經(jīng)適當?shù)募夹g(shù)調(diào)整，可具備類似羅蘭系統(tǒng)的定位、授時服務(wù)能力，構(gòu)建出我國技術(shù)主導(dǎo)的海上無線電定位系統(tǒng)，為船舶增加一種新型的、可靠的定位、導(dǎo)航和授時途徑，有效優(yōu)化現(xiàn)有PNT系統(tǒng)，建設(shè)安全高效暢通航運環(huán)境，助力航運經(jīng)濟發(fā)展。

參考文獻

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[4] 姚耀凡.測深船的導(dǎo)航方法[J].港口工程，1986，（04）：33-37.

作者簡介：

高迎，女，工程師，13917984453