北斗卫星导航系统在渔业船舶上的应用
发表时间:2024/07/03 00:42:54 来源:黑龙江水产 2021年6期 作者:真国建 浏览次数:1148
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中国是海洋渔业大国，海岸线3.2万km，海洋面积300万km2，渔船56万艘，传统渔民550万人。海洋渔业是高风险行业，渔业船舶安全关系到千家万户，船舶导航技术的发展对保障渔船安全生产发挥了至关重要的作用，早期渔船的定位导航主要根据天体的位置进行判定，同时使用罗盘判定航行方向。随着导航技术的发展，卫星定位导航系统已取代了原始的导航方法。中国自主建设的北斗卫星导航系统是联合国卫星导航委员会认定的四大核心供应商之一，虽然起步晚却后来居上，与美国GPS卫星定位系统共同成为世界最先进的卫星导航系统。
1 北斗卫星导航系统简介
北斗卫星定位导航系统分3代：1994年北斗工程立项，2000年，我国自主完成了北斗一号卫星导航系统的建设，共有4颗北斗一号试验卫星，服务中国区域[1];2012年完成了北斗二号导航系统建设，共有25颗北斗二号卫星，服务亚太地区;2020年完成了北斗三号导航系统建设，共有30颗北斗三号卫星，服务全球。可以提供免费定位和授权服务，授权服务包括提供高精度的定位、测速、授时和通信以及系统完整性信息服务。北斗系统具有全天候、精度高、定位快、功能全、运行稳等特点，广泛应用在交通运输、渔业生产、气象预报、通信授时、应急救灾、安全保障等诸多行业领域，取得了显著的经济效益和社会效益。
1.1 北斗卫星导航系统的组成
由空间端、地面端、用户端三部分构成。空间端包括地球静止轨道、同步轨道和中圆轨道三种多个卫星。地面端包括主控站、时间同步/注入站和监测站等多个地面站，以及星间链路运行管理设施[2]。用户端包括卫星导航系统芯片、模块、天线等基础构件，以及终端产品、应用系统与运行软件等。
1.2 北斗卫星导航系统的工作原理
北斗系统最重要功能是定位功能，定位的基本原理是依据 “三球交会”定律完成空间定位目标，也就是以空中三颗已知坐标参数和精确状态的卫星作为圆心，以卫星分别到用户终端设备之间的距离参数作为半径，建立三个球面状空间结构，这三个球面的交点即为用户端地理位置，利用卫星通信技术测定卫星和用户设备的距离通过自动解算实现精准定位。而有地面控制中心参与的定位，依靠两颗卫星就可以实现定位，以空中两颗已知坐标参数和精确状态的卫星作为圆心，以卫星分别到用户终端设备之间的距离参数作为半径，建立两个球面状空间结构，通过测定卫星和用户终端设备的距离为半径的两个球面，这两个球面与用户端所在的地球球面的交点即为用户端地理位置，这种定位需要地面控制中心根据地球电子高程地图库提供地形图，两卫星圆弧线与地球表面地形图的交点，可以得到用户的二维位置。
1.3 北斗卫星导航系统的功能
1.3.1 定位导航 为全球提供全天候、高精度、连续、实时的定位和导航服务。用户终端设备可免费获得定位、授时服务，全球定位精度10m，测速精度0.2m/s，授时精度20ns;亚太地区定位精度5m，测速精度0.1 m/s，授时精度10ns[3]。
1.3.2 短报文通信服务 可提供双向数字（报文）通信，中国及周边地区单次通信能力為1000汉字，全球短报文通信服务单次通信能力为40汉字。
1.3.3 国际搜救服务 与全球其他卫星导航系统一起组成全球范围搜救系统，同时建立用户终端设备的反向链路，大幅度提高了搜救成功率和效率。
2 辽宁海洋渔业船舶动态管理系统简介
辽宁海洋渔业船舶动态管理系统由北斗卫星、地面站、船载终端、运营服务中心、渔业主管部门监控台站等组成。该系统以北斗卫星导航系统为基础，整合移动通信、卫星通信、互联网+、地理信息等技术，构建海洋渔业综合信息服务网络[4]。2012年辽宁省启动辽宁海洋渔业船舶动态管理系统建设，建立船舶动态管理系统监控平台，为较大马力渔船安装北斗船载终端，截至2019年底共为近1万艘渔船安装了北斗终端。渔业管理部门利用该系统实时掌握渔船海上动态，实施监控管理，接收渔船紧急报警，并通过系统的短报文与渔船实现文字通信，船岸之间建立了有效的联络机制，有效提高了海上作业渔船的安全保障。2021年，为了进一步提高海上生产渔船的安全保障能力，辽宁省农业农村厅印发了《辽宁省海洋渔业船舶北斗船载终端设备安装使用管理办法》，规定所有船籍港在辽宁的海洋渔业船舶必须安装北斗船载终端设备，否则不得出海生产作业。同步启动了2021年辽宁省海洋渔业船舶北斗船载终端设备安装项目，对北斗船载终端的功能进行了优化升级，计划年内为全省约4万艘渔业船舶安装新款北斗船载终端设备[5]。
辽宁海洋渔业船舶动态管理系统主要功能：渔业部门利用该系统对辖区渔业船舶进行监控和应急响应。遇有大风恶劣天气，渔业部门利用系统发出预警，实时掌握管辖渔业船舶动态，指挥调动渔船避险。向渔业船舶开通定位导航、各种通告、遇险求救等服务。向渔船船载终端提供船、岸间的数字报文通信服务。向用户提供渔市、物流、天气、海浪、渔场、鱼汛等信息服务。
3 北斗船载终端设备在渔业船舶导航中的应用
北斗导航系统建成以前，卫星定位一直被美国GPS系统垄断，北斗系统打破了GPS一家独大的局面，为世界船舶提供了一个更安全和精确的定位导航途径。在辽宁省，2012年开始在渔业船舶上大规模安装北斗船载终端，为渔业船舶提供安全精准全面的定位导航服务，下面简要介绍一下北斗船载终端在船舶导航中的应用。
3.1 北斗船载终端的组成
主要由射频前端、A/D转换器、基带信号处理和导航解算4个模块构成。射频前端接收卫星信号，前置放大器将卫星信号放大并变为中频信号;A/D转换器将中频模拟信号经标准量化编码转化为数字信号;基带数字信号处理模块的功能是二维捕获卫星信号、跟踪载波相位和码相位，伪距测算;导航解算模块采取一定的算法消除模型误差，解算伪距方程，解析出卫星接收机天线的地理位置，最终实现定位功能[6]。
3.2 北斗船载终端的主要导航功能
主要导航功能有：显示船位和导航数据，纬度、经度、海拔高度，航向、航速，到航路点恒向线或大圆航线方案的航向及距离、预测航行时间。如果电罗经和计程仪数据可以接入，可以显示流向和流速。可以设置参数，定位精度、二维定位、三维定位、坐标系转换。显示卫星数据、编号、仰角、方位、工作状态等。可以存储、设计海上航线及航路点。定位更新时间在1s以内，导航数据更新时间在3s以内。航行警报，偏离航线、锚位监控、到达航路点区域范围、设备故障等报警功能。接口功能，配备输入和输出接口。
3.3 北斗船载终端的航线导航
使用北斗船载终端设备进行航线导航，航线是终端设备中存储的一组包含起点、中点（一个或数个）和终点的坐标点，航线由若干个航路点组成。船舶航行时，依照船舶驾驶员预先输入的航路点顺序的航线航行，实时显示导航参数，按顺序驶过各个航路点，最终到达目的地，这即为航线导航。航线导航有编辑功能，可以随时对航线进行清除、插入、置换等。可以存储数百条航线，设计航线时，可以先在海图上或者现有航路点中选择需要航路点，然后（手动或通过计算机）将航路点输入到北斗终端设备中。航线导航时，显示当前驶往航路点的名称或编号、航向、距离等数据。通常有四种方法进行航线设计：一是用航点库中已存在的航路点设计航线。二是用事先记录在航线菜单上的航路点设计航线。三是直接用游标在终端设备电子海图上标注位置设计航线。四是依据船舶实际航迹设计一条基准航线（按一定时间间隔存储船位设计航线，船舶返航时使用）。
4 结束语
北斗卫星定位导航系统为船舶提供全天候、高精度、高效率的定位和导航服务，使船舶高效安全航行。以北斗卫星定位导航系统为技术支撑建立的辽宁海洋渔业船舶动态管理系统，使渔业部门掌握渔船海上实时动向，及时接收渔船紧急报警，中远海短报文通信，切实保障了渔船海上生产作业安全。
参考文献：
[1]戴连君，唐涛，杨娜.利用北斗单星三频载波数据估算码偏差的方法[J].北京交通大学学报，2012，36（2）：35-39.
[2]《中国北斗卫星导航系统》白皮书[J].卫星应用，2016（7）：72-77.
[3]刘建，李晶，刘法龙.北斗卫星导航系统在交通运输行业的应用及展望[J].卫星应用，2019（3）：28-34.
[4]肖扬.辽宁省渔船管理信息化体系建设研究[D].辽宁：大连海事大学，2015.
[5]于文武.北斗船载终端在辽宁渔业上的应用升级[J].商情，2019（2）：257，265.
[6]许江来，景新攀，崔帅.通信卫星车载模拟测试站快速设置跟踪角度的改进设想[C].第八届中国卫星导航学术年会论文集.2017：1-4.
1 北斗卫星导航系统简介
北斗卫星定位导航系统分3代：1994年北斗工程立项，2000年，我国自主完成了北斗一号卫星导航系统的建设，共有4颗北斗一号试验卫星，服务中国区域[1];2012年完成了北斗二号导航系统建设，共有25颗北斗二号卫星，服务亚太地区;2020年完成了北斗三号导航系统建设，共有30颗北斗三号卫星，服务全球。可以提供免费定位和授权服务，授权服务包括提供高精度的定位、测速、授时和通信以及系统完整性信息服务。北斗系统具有全天候、精度高、定位快、功能全、运行稳等特点，广泛应用在交通运输、渔业生产、气象预报、通信授时、应急救灾、安全保障等诸多行业领域，取得了显著的经济效益和社会效益。
1.1 北斗卫星导航系统的组成
由空间端、地面端、用户端三部分构成。空间端包括地球静止轨道、同步轨道和中圆轨道三种多个卫星。地面端包括主控站、时间同步/注入站和监测站等多个地面站，以及星间链路运行管理设施[2]。用户端包括卫星导航系统芯片、模块、天线等基础构件，以及终端产品、应用系统与运行软件等。
1.2 北斗卫星导航系统的工作原理
北斗系统最重要功能是定位功能，定位的基本原理是依据 “三球交会”定律完成空间定位目标，也就是以空中三颗已知坐标参数和精确状态的卫星作为圆心，以卫星分别到用户终端设备之间的距离参数作为半径，建立三个球面状空间结构，这三个球面的交点即为用户端地理位置，利用卫星通信技术测定卫星和用户设备的距离通过自动解算实现精准定位。而有地面控制中心参与的定位，依靠两颗卫星就可以实现定位，以空中两颗已知坐标参数和精确状态的卫星作为圆心，以卫星分别到用户终端设备之间的距离参数作为半径，建立两个球面状空间结构，通过测定卫星和用户终端设备的距离为半径的两个球面，这两个球面与用户端所在的地球球面的交点即为用户端地理位置，这种定位需要地面控制中心根据地球电子高程地图库提供地形图，两卫星圆弧线与地球表面地形图的交点，可以得到用户的二维位置。
1.3 北斗卫星导航系统的功能
1.3.1 定位导航 为全球提供全天候、高精度、连续、实时的定位和导航服务。用户终端设备可免费获得定位、授时服务，全球定位精度10m，测速精度0.2m/s，授时精度20ns;亚太地区定位精度5m，测速精度0.1 m/s，授时精度10ns[3]。
1.3.2 短报文通信服务 可提供双向数字（报文）通信，中国及周边地区单次通信能力為1000汉字，全球短报文通信服务单次通信能力为40汉字。
1.3.3 国际搜救服务 与全球其他卫星导航系统一起组成全球范围搜救系统，同时建立用户终端设备的反向链路，大幅度提高了搜救成功率和效率。
2 辽宁海洋渔业船舶动态管理系统简介
辽宁海洋渔业船舶动态管理系统由北斗卫星、地面站、船载终端、运营服务中心、渔业主管部门监控台站等组成。该系统以北斗卫星导航系统为基础，整合移动通信、卫星通信、互联网+、地理信息等技术，构建海洋渔业综合信息服务网络[4]。2012年辽宁省启动辽宁海洋渔业船舶动态管理系统建设，建立船舶动态管理系统监控平台，为较大马力渔船安装北斗船载终端，截至2019年底共为近1万艘渔船安装了北斗终端。渔业管理部门利用该系统实时掌握渔船海上动态，实施监控管理，接收渔船紧急报警，并通过系统的短报文与渔船实现文字通信，船岸之间建立了有效的联络机制，有效提高了海上作业渔船的安全保障。2021年，为了进一步提高海上生产渔船的安全保障能力，辽宁省农业农村厅印发了《辽宁省海洋渔业船舶北斗船载终端设备安装使用管理办法》，规定所有船籍港在辽宁的海洋渔业船舶必须安装北斗船载终端设备，否则不得出海生产作业。同步启动了2021年辽宁省海洋渔业船舶北斗船载终端设备安装项目，对北斗船载终端的功能进行了优化升级，计划年内为全省约4万艘渔业船舶安装新款北斗船载终端设备[5]。
辽宁海洋渔业船舶动态管理系统主要功能：渔业部门利用该系统对辖区渔业船舶进行监控和应急响应。遇有大风恶劣天气，渔业部门利用系统发出预警，实时掌握管辖渔业船舶动态，指挥调动渔船避险。向渔业船舶开通定位导航、各种通告、遇险求救等服务。向渔船船载终端提供船、岸间的数字报文通信服务。向用户提供渔市、物流、天气、海浪、渔场、鱼汛等信息服务。
3 北斗船载终端设备在渔业船舶导航中的应用
北斗导航系统建成以前，卫星定位一直被美国GPS系统垄断，北斗系统打破了GPS一家独大的局面，为世界船舶提供了一个更安全和精确的定位导航途径。在辽宁省，2012年开始在渔业船舶上大规模安装北斗船载终端，为渔业船舶提供安全精准全面的定位导航服务，下面简要介绍一下北斗船载终端在船舶导航中的应用。
3.1 北斗船载终端的组成
主要由射频前端、A/D转换器、基带信号处理和导航解算4个模块构成。射频前端接收卫星信号，前置放大器将卫星信号放大并变为中频信号;A/D转换器将中频模拟信号经标准量化编码转化为数字信号;基带数字信号处理模块的功能是二维捕获卫星信号、跟踪载波相位和码相位，伪距测算;导航解算模块采取一定的算法消除模型误差，解算伪距方程，解析出卫星接收机天线的地理位置，最终实现定位功能[6]。
3.2 北斗船载终端的主要导航功能
主要导航功能有：显示船位和导航数据，纬度、经度、海拔高度，航向、航速，到航路点恒向线或大圆航线方案的航向及距离、预测航行时间。如果电罗经和计程仪数据可以接入，可以显示流向和流速。可以设置参数，定位精度、二维定位、三维定位、坐标系转换。显示卫星数据、编号、仰角、方位、工作状态等。可以存储、设计海上航线及航路点。定位更新时间在1s以内，导航数据更新时间在3s以内。航行警报，偏离航线、锚位监控、到达航路点区域范围、设备故障等报警功能。接口功能，配备输入和输出接口。
3.3 北斗船载终端的航线导航
使用北斗船载终端设备进行航线导航，航线是终端设备中存储的一组包含起点、中点（一个或数个）和终点的坐标点，航线由若干个航路点组成。船舶航行时，依照船舶驾驶员预先输入的航路点顺序的航线航行，实时显示导航参数，按顺序驶过各个航路点，最终到达目的地，这即为航线导航。航线导航有编辑功能，可以随时对航线进行清除、插入、置换等。可以存储数百条航线，设计航线时，可以先在海图上或者现有航路点中选择需要航路点，然后（手动或通过计算机）将航路点输入到北斗终端设备中。航线导航时，显示当前驶往航路点的名称或编号、航向、距离等数据。通常有四种方法进行航线设计：一是用航点库中已存在的航路点设计航线。二是用事先记录在航线菜单上的航路点设计航线。三是直接用游标在终端设备电子海图上标注位置设计航线。四是依据船舶实际航迹设计一条基准航线（按一定时间间隔存储船位设计航线，船舶返航时使用）。
4 结束语
北斗卫星定位导航系统为船舶提供全天候、高精度、高效率的定位和导航服务，使船舶高效安全航行。以北斗卫星定位导航系统为技术支撑建立的辽宁海洋渔业船舶动态管理系统，使渔业部门掌握渔船海上实时动向，及时接收渔船紧急报警，中远海短报文通信，切实保障了渔船海上生产作业安全。
参考文献：
[1]戴连君，唐涛，杨娜.利用北斗单星三频载波数据估算码偏差的方法[J].北京交通大学学报，2012，36（2）：35-39.
[2]《中国北斗卫星导航系统》白皮书[J].卫星应用，2016（7）：72-77.
[3]刘建，李晶，刘法龙.北斗卫星导航系统在交通运输行业的应用及展望[J].卫星应用，2019（3）：28-34.
[4]肖扬.辽宁省渔船管理信息化体系建设研究[D].辽宁：大连海事大学，2015.
[5]于文武.北斗船载终端在辽宁渔业上的应用升级[J].商情，2019（2）：257，265.
[6]许江来，景新攀，崔帅.通信卫星车载模拟测试站快速设置跟踪角度的改进设想[C].第八届中国卫星导航学术年会论文集.2017：1-4.
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