北斗全球卫星导航系统及其船舶应用

中国船级社 吴晓明

北斗全球卫星导航系统是我国自主研发、自行建设和管理的全球卫星导航系统，自我国于2012年12月宣布在亚太地区正式提供区域服务后，北斗卫星导航产品已经在交通、渔业、农业等领域大量应用，其导航性能业已被广泛验证。因此，在内河航运和海洋航运领域应用北斗系统提供导航服务的条件日趋成熟。

北斗全球卫星导航系统

我国拥有完全自主知识产权的卫星导航定位系统是全球四大卫星导航系统之一，北斗系统致力于向全球用户提供定位、导航、授时和短报文服务。北斗系统的建设分三个阶段进行：于1994年启动北斗卫星导航试验系统建设，至2000年形成区域有源服务能力（即北斗一号卫星导航系统）；2004年启动北斗二号卫星导航系统建设，至2012年形成区域无源服务能力；2020年北斗卫星导航系统将形成全球无源服务能力。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。

北斗卫星导航系统最大的创新

该系统把导航与通信紧密地结合起来。也就是说，它具有既能知道“我在哪里”也能告知“你在哪里”。以海洋渔业为例：“我在哪里”--渔民通过船载设备实现自主定位；“你在哪里”则使岸上的人通过监控知道渔船在哪里。数十年来，我国导航定位设备市场上的产品都为采用GPS的单模卫星定位终端。由于GPS由美国研发并控制，关键应用安全无法保证，具有不可知的应用风险，出于国家安全和社会稳定方面的考虑，非常有必要采用兼容北斗、GPS、GLONASS多个系统的北斗兼容终端。另外，北斗卫星导航系统RDSS信号提供的广域短报文传输功能，增强了终端的应急反应能力，使得在GPRS/CDMA/3G等移动通信网络无法覆盖的地区仍能通过北斗卫星导航系统实现应急通信。

主机组成框图

北斗用户机原理介绍

北斗卫星导航系统建设分三个阶段进行：1994年启动北斗卫星导航试验系统建设，至2000年形成区域有源服务能力（即北斗一号卫星导航系统）；2004年启动北斗二号卫星导航系统建设，至2012年形成区域无源服务能力；2020年北斗卫星导航系统将形成全球无源服务能力。

北斗用户机包括一号用户机和二号用户机，其中一号用户机只能处理RDSS信号的S、L频段信号，二号用户机可以处理S、L、及B1/B2/B3频点中的一个或多个信号。

对于北斗二号用户机，根据用户机功能要求不同，用户机可以选择部分频点信号进行处理，不处理所有频点信号，因此不同类型的用户机处理的信号频段并不完全相同。

用户机主要由天线、射频前端、主板组成，天线用于无线信号的收发，可以接收S、B1/B2/B3频点信号（可能是其中部分信号）、射频前端包括接收频点信号低噪放、L频点功放，主板是整机的核心部分，下面进行详细说明。

主板主要完成RNSS信号的接收，RDSS信号收发处理工作，由通道、中频信号处理器两部分组成。

通道部分包括接收通道和发射通道，接收通道包括B1/B2/B3、S接收通道，主要进行变频、放大、滤波，将射频信号变换为中频信号，经A/D转换后送基带处理部分进行处理，发射通道将基带电路产生的入站信号调制到1615.68MHz的射频信号，该信号再送到射频前端的功放进行放大。主机组成原理如框图所示。

项目 北斗二号 GPS GLONASS Galileo所属国别 中国 美国 俄罗斯 欧盟星座卫星数 35 24（28） 24（11) 27(30)多址方式 CDMA CDMA FDMA CDMA服务区城 亚太区域(未来全球) 全球 全球 全球(尚未建成)时间系统 中国UTC UTC UTC UTC/TAI坐标系统 BJZ-54 WGS-84 PZ-90.02 GTRF定位方式 无源位(含有源定位) 无源定位 无源定位 无源定位定位精度 10m H/10m V 9m H/15m V 26m H/45m V /授时精度 20ns 20ns 20～30ns* 30ns通信功能 有 无 无 无

北斗系统与其他全球定位系统的主要性能比较

目前世界上已经建成并投入应用的全球定位系统包括美国的GPS和俄罗斯的GLONSS和我国北斗导航系统和21世纪初研发至今，接近应用的欧洲伽利略系统。我国BDS系统于2012年2月向亚太区域提供定位导航授时服务，计划在2020年提供全球服务；欧盟伽利略系统10年前公布，目前还未形成实际服务能力。各系统的技术参数和功能见上表。

美国的GPS全球卫星定位系统以军事应用和民间应用为双重目标，在建成投入使用并进一步开放民用产业模式的30多年间，卫星导航市场从无到有，在全球范围内形成了完整的GPS应用产业链，成为八大无线产业之一，为GPS系统的后续发展注入了强劲的动力。而俄罗斯的GLONASS系统在建设初期以军事应用为目标，缺少拓展民间产业的应用和支撑，缺少广阔的市场应用，导致市场支持和后续建设等资金不足，系统建设曾长期处于停滞状态。

基于俄罗斯GLONASS系统在应用及推广上的教训，我国在2010年前即已开始考虑北斗导航系统在民用领域的推广采用，先后在交通运输、海洋渔业、气象监测预报、防灾减灾等领域成功开展多个示范项目，促进了我国北斗产业的技术进步和应用市场的形成。

北斗导航产品在交通行业及船舶导航、船舶遇险搜救上适用性

交通运输部承担了多个北斗应用示范项目，完成了全国重点运输车辆监控平台建设，至2013年全国共有30余万辆长途客车、旅游包车、危险品运输车等重点运输车辆上安装了北斗兼容终端。2014年1月，交通运输部、公安部、安监总局联合发布《道路运输车辆动态监督管理办法》，要求道路运输车辆安装和使用卫星定位装置，预计未来2年内会有数百万台营运车辆加装北斗兼容终端。

在海洋渔业领域，至2014年上半年北斗船舶入网用户3万余个，伴随手机用户10万余个，为用户提供远海及近海船舶的位置监控和北斗短信服务。2015年，福建省计划为8000多艘海洋渔船安装北斗终端，浙江省舟山市计划为4000多艘海洋渔船安装北斗终端。

采用北斗/GPS获得自身的位置信息，通过北斗系统的通信信道将船舶的位置信息和告警信息等上报给中心控制系统，可实时监控渔民渔船的位置，防止渔民越界打渔；同时利用北斗的通信信道和手机IPN业务，渔民可实现远海作业时与岸上信息的互通。各北斗运营公司采取的北斗的信道的付费方式不同，按信息流量收费或包年收费。

上述领域应用表明，基于北斗系统的导航设备无论是陆地应用还是海上应用均已成熟，在海洋运输行业应用北斗/GPS兼容型导航终端的条件，具备了大规模应用的基础。

1、现有北斗/GPS兼容型导航终端产品和EPIRB适用于航运船舶上

（1）RNSS定位的终端：采用无源定位技术，可以直接替代现有GPS模块。缺点是仅能提供定位、测速等导航功能，不具备短报文传输能力，其定位信息还需要通过移动网络或海事卫星传输回指控中心。

（2）同时具备RNSS/RDSS定位的终端：在提供定位、测速等导航功能的同时，还具备短报文传输能力，尤其在远洋作业时，信息传递可以不再依赖海事卫星等昂贵的通讯手段。该类终端因需要带有发射天线和功放，产品价格要高一些。

因此，综合分析北斗导航系统的性能、产业应用规模、用户终端产品的价格等因素，在航运船舶上应用北斗/GPS兼容型终端产品的条件已经成熟，可以大规模推广应用。

(3) 全球海事界规范化的定型应用；历经数年研发和验证完善，现适用于国内外航海界应用的船用BDS定位导航产品（北斗卫星导航接收机），和用于船舶遇险时及时全天候发出报警、大幅提高船舶和人员获救率的BD-EPIRB（北斗卫星应急示位标）国内产品已经中国船级社检验认可，其技术性能均达到相关船载设备要求，具备批量生产、为船舶行业广泛应用提供了条件。

2、为我国船舶法规提供保障

2013年9月2日至9月6日在英国伦敦召开的国际海事组织(IMO)航行安全分委会第59次会议上主要讨论有关议题——北斗卫星导航系统在国际海事界应用。

2014年5月14日 至23日，在国际海事组织海上安全委员会第93次会议上通过了MSC.379(93)决议-船载北斗卫星（BDS）导航系统接收机设备性能标准，并规定2016年7月1日及以后装船的全球海上船载北斗卫星导航系统设备须符合该标准。为我国北斗卫星导航系统推广率先在国际海运业应用获得成功突破。

2014年11月17日至21日，国际海事组织海上安全委员会第94次会议上通过了对我国北斗卫星导航系统认可的航行安全通函。明确我国BDS成为全球无线电导航系统的组成部分，也标志着BDS正式成为继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)后第三个投入实用的全球卫星导航系统，取得了面向国际海事应用的合法地位。

2016年11月交通运输部颁布了《国内航行海船法定检验技术规范》2016年修改通报，正式明确了北斗导航系统在船舶航海领域的应用要求，意味着船用北斗导航接收机可应用于国内运营的十几万条船舶广阔市场；为北斗系统在水上运输及海上船舶的应用推广、实现社会效益提供崭新的广阔前景。

3、纳入国际海事公约

（1）船舶定位功能，包括船舶管理，如设备管理、航线规划、避碰、智能航行；船队管理，如货物管理、备品配件、财务核算；渔船管理，如渔期控制、渔区管控、渔汛通报、渔船监督。

（2）航路监测，包括港口管理，如锚地监控、进出港调度、环保监督；航标管理，如电子航标、漂移警告；水文搜集，如风、浪、涌、流、潮汐等参数的位置戳、时间戳。

（3）救助救援，如精确定位、救助信息互通、快速传递、VDR定位。

（4）海事安全监管，如AIS应用。