浅析北斗卫星导航技术在航标信息化系统中的应用
赵加德
摘要：随着我国北斗卫星导航技术的不断成熟，北斗技术呈现出应用范围扩大、功能不断增多、针对性不断增强的趋势。物联网、E航海、互联网+等新兴技术的兴起为航标信息化加入了新的元素，将北斗卫星导航技术融入到航标新技术中去，成为航标信息化系统发展的大趋势。本文阐述了北斗卫星技术和航标信息化融合的必要性和重要性，并提出了初步的方案。
关键词：信息 北斗 定位 授时 模块
1 北斗卫星导航系统
1.1 北斗卫星导航技术简介
世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统，目前全球有四大卫星定位系统，即美国的全球卫星导航定位系统GPS、俄罗斯的格罗纳斯GLONASS系统、欧洲的“伽利略”系统、中国的北斗卫星导航系统。20世纪80年代中期，在网络、计算机技术蓬勃发展的大背景下，我国开始研究北斗卫星导航技术，历经以下几个阶段：
（1）《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020）》（国发〔2005〕44号）中明确组织实施“中国第二代卫星导航系统科技重大专项”。
（2）经国务院、中央军委批准（ 国办发〔2005〕46号）“重大专项”由总装备部牵头组织实施，科技部、发改委、财政部、工信部、交通运输部、教育部、中科院、总参谋部是重大专项领导小组成员。
（3）2009年11月4日，国务院第86次常务会议提出了“质量、安全、应用、效益”的建设总要求，审议通过《中国第二代卫星导航系统科技重大专项实施方案》，在区域系统基础上，建设覆盖全球的北斗卫星导航系统，提供导航、定位、授时服务及覆盖东半球的短报文服务。
该系统于2011年12月27日开始试运行服务，2012年实现区域服务（5GEO+5IGSO+4MEO），到2020年左右，北斗卫星导航系统将实现全球服务（5GEO+3IGSO+27MEO）。北斗系统在5颗地球静止轨道（GEO）卫星上采用卫星无线电导航（RNSS）和卫星无线电测定（RDSS）的双重体制，不仅能与其他轨道卫星一起提供无源定位服务，还能由这5颗GEO卫星向区域用户提供有源定位、位置报告和短报文通信服务。北斗短报文通信出站信道速率为31.25kbps，入站信道速率为15.625kpbs，一次最大可发送200个字节的数据，可广泛应用于公网信号无覆盖的水域以及应急搜救等领域。
1.2 北斗卫星导航系统应用领域
“北斗一号”卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。较之于陆基导航定位系统，它有更优越的性能。覆盖范围广，其覆盖范围是在北纬50～550，东经700～1400之间的一个心脏形区域，上大下小，基本上覆盖了我国海区；定位精度高，静止水平误差±20m，运动水平误差±100m，经过校标（即相当于差分）可达到±20m，同时还具有数字报文通信以及授时功能。
在船舶导航、海上和空中交通管制、资源勘察、个人旅游、安全呼救等各个方面，双星定位系统的定位导航应用都具有显著的优越性。在渔业方面，由于受气候等因素的影响，使得我国渔业成为高风险行业，北斗卫星导航技术的全天候无通信盲区的特点，为我国渔业部门的安全生产提供了可靠保证。在铁路方面，北斗卫星的精准定位导航功能以及移动列车与调度室之间借助卫星通信进行双向信息传递，提高了行车安全和扩大运输能力。目前我过机动车保有量达到2.19亿辆，其中汽车1亿辆 ，良好的北斗使用体验为北斗卫星导航系统提供了广阔的空间。在客货运输业务方面，可减少空驶量及沉船事故，保证航道畅通，及时紧急营救。在邮电通信事业上，双星定位系统增加了用户的通信距离，节约了时间，提高了办事效率。在地震灾害预测和预报方面，双星系统的通信网络不受地面灾害的影响，定位精度高，为灾害的监测预报提供了强有力的手段和方便的条件。
2 航标信息化系统简介
“信息技术是推进21世纪发展的最强大力量，将为所有的人提供重要的机会。信息社会是通过充分利用知识和设想实现人类希望的社会。”在这一背景下，为顺应交通运输行业发展方式转变，主动融入综合运输体系建设，立足科学发展，以航标信息化建设为支撑，推动航标管理现代化，探索适应现代航海保障体系的新型航标运行管理模式，最终实现航标、船舶、航标管理者三者信息互通、完美融合，从而为社会公众提供优质、高效、安全的航海保障服务，成为每一位航标科技工作者面临的课题。
航标业务信息化系统，是以航标质量管理体系为依托，以日常业务管理和航标信息为核心，以AIS、航标遥测遥控系统、港域环境监测系统、航标数据库、视频监控系统、网络管理系统、VHF单边带等系统为支撑，统一数据内容，统一信息格式、统一接口模式，将分散建设的各个信息系统进行全面整合与集成，通过信息化网络实现信息交换和共享，形成标准的航标“一站式”业务管理平台。该系统基于Oracle数据管理为开发平台、B/S为体系结构的航标信息化管理平台，其核心为航标遥测遥控系统。信息化系统融合了包括全球卫星定位系统、全球移动通信系统、通用分组无线服务和计算机通信网络等先进的科学技术，是有计划的、规范的、科学绿色的新型航标运行模式，实现了信息资源采集、信息编辑管理、信息服务机制的一体化、协同化，建立了数据及时统一、信息资源共享的信息监控平台。平台建设以海上交通信息服务系统一体化建设为指导，集成并以更加精细的方式呈现感知信息、航海保障信息和以动态的方式管理、提炼专业化服务信息为目标。
历经数年的发展，海事航标建设已迈入数字化和信息化时代，未来中国海事将依托不断创新的科技和信息化技术，尤其是北斗卫星导航系统，继续加快“数字海事”建设，用科技信息化支撑和引领航标技术发展，逐步实现海事大国向海事强国的转变。航标信息化有利于增强对航标职能部门履职的支撑服务能力，确保建成的信息资源和技术系统的共享和再利用，探索低成本的建设模式，建立一个信息技术与业务活动高度融合的运行新模式，促进航標业务协同的高效和行政效率的提升，满足信息化条件下更好地为航运安全服务的新要求。
3 航标信息化系统中嵌入北斗卫星报文
北斗卫星已经覆盖中国大陆、台湾、南沙及其他岛礁、中国领海、日本海、太平洋部分海域及周边部分地区，形成区域无源服务能力，并将在2020年建设成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球，且具备形成全球无源服务能力的北斗卫星导航系统，因此完全满足航标信息化系统对远程测控管理需求。同时北斗系统具有良好的网络扩展兼容功能，通过北斗卫星传输的数据可以通过北斗地面控制中心转换成IP方式在互联网传输，数据的接收、整合、处理、存储、应用都十分便利。
将北斗卫星通信系统引入到航标信息化的系统，由航标运行信息监控平台、航标遥测遥控终端组成。终端上安装的信息检测装置可以检测航标灯的工作状况，将采集的终端数据及指令执行结果封装后通过北斗卫星通信模块发送到北斗卫星网络中，网络将数据转发到北斗MQ服务器，北斗MQ服务器解码信息后将数据发送到MQSocket数据代理服务器，经过信息过滤，数据被保存到数据库中，数据处理服务器会定期检测收到的航标终端返回信息，并对数据进行有效性处理再将数据保存到数据库中以供应用服务器调用整合，将最终结果展示给终端用户。用户也可通过基于应用服务器提供的web界面，对指定航标终端发送遥测遥控数据，指令通过数据处理服务器过滤编码后保存于数据库中，MQSocket数据代理服务器实时监控数据库中待发送指令，发现新的指令后MQSocket数据代理服务器将遥测遥控数据重新封装通过指定端口发送到北斗MQ服务器，北斗MQ服务器将信息转发到北斗卫星通信网络中，数据到达航标终端后，航标终端解码并执行相关指令。
利用北斗卫星导航网络与航标终端进行交互，接收航标终端上报数据信息，并依据本系统定义的数据传输通信协议验证信息有效性，并将监控端下发的各种指令实时传递给航标终端。系统在接收针对航标终端的遥测遥控信息时首先将信息缓存在北斗通讯服务器收发缓存队列中，系统提供与应用程序的通信接口，通过该接口将航标终端上传的完整信息传递给后台应用程序，并将遥控的相关信息传递到北斗服务器发送队列中，通过北斗网络发送到相应的航标终端。提供与web程序人机交互界面接口，可以接web程序下发给航标终端的信息，及航标终端的反馈信息选择相应的通道直观地展示给用户。
4 结束语
北斗卫星导航系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第3个拥有自主卫星导航系统的国家。到2020年，北斗卫星导航系统将成为与美国GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo并列的四大卫星导航系统，在全球性无源卫星导航系统中占有举足轻重的地位。随着现代通信技术的不断发展，北斗卫星导航系统必将成为推动我国产业结构升级改造的强大动力。在这个过程中，主动融入，从定位导航、简短报文通信、精密授时等功能为切入点，引入能够为我所用的新技术，从而提升航标信息化系统整体水平。
参考资料：
[1] International Maritime Organization ：” Maritime Policy for a Future Global Navigation Satellite System IMO Rssolution A.915（22）.
[2]王万昭，王惠良，和志强. 基于北斗导航系统的航标遥测遥控单元设计[J].河北工业科技，2014年.
[3] 唐金元，于潞，王思臣.北斗卫星导航定位系统应用現状分析[J].全球定位系统，2008.
摘要：随着我国北斗卫星导航技术的不断成熟，北斗技术呈现出应用范围扩大、功能不断增多、针对性不断增强的趋势。物联网、E航海、互联网+等新兴技术的兴起为航标信息化加入了新的元素，将北斗卫星导航技术融入到航标新技术中去，成为航标信息化系统发展的大趋势。本文阐述了北斗卫星技术和航标信息化融合的必要性和重要性，并提出了初步的方案。
关键词：信息 北斗 定位 授时 模块
1 北斗卫星导航系统
1.1 北斗卫星导航技术简介
世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统，目前全球有四大卫星定位系统，即美国的全球卫星导航定位系统GPS、俄罗斯的格罗纳斯GLONASS系统、欧洲的“伽利略”系统、中国的北斗卫星导航系统。20世纪80年代中期，在网络、计算机技术蓬勃发展的大背景下，我国开始研究北斗卫星导航技术，历经以下几个阶段：
（1）《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020）》（国发〔2005〕44号）中明确组织实施“中国第二代卫星导航系统科技重大专项”。
（2）经国务院、中央军委批准（ 国办发〔2005〕46号）“重大专项”由总装备部牵头组织实施，科技部、发改委、财政部、工信部、交通运输部、教育部、中科院、总参谋部是重大专项领导小组成员。
（3）2009年11月4日，国务院第86次常务会议提出了“质量、安全、应用、效益”的建设总要求，审议通过《中国第二代卫星导航系统科技重大专项实施方案》，在区域系统基础上，建设覆盖全球的北斗卫星导航系统，提供导航、定位、授时服务及覆盖东半球的短报文服务。
该系统于2011年12月27日开始试运行服务，2012年实现区域服务（5GEO+5IGSO+4MEO），到2020年左右，北斗卫星导航系统将实现全球服务（5GEO+3IGSO+27MEO）。北斗系统在5颗地球静止轨道（GEO）卫星上采用卫星无线电导航（RNSS）和卫星无线电测定（RDSS）的双重体制，不仅能与其他轨道卫星一起提供无源定位服务，还能由这5颗GEO卫星向区域用户提供有源定位、位置报告和短报文通信服务。北斗短报文通信出站信道速率为31.25kbps，入站信道速率为15.625kpbs，一次最大可发送200个字节的数据，可广泛应用于公网信号无覆盖的水域以及应急搜救等领域。
1.2 北斗卫星导航系统应用领域
“北斗一号”卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。较之于陆基导航定位系统，它有更优越的性能。覆盖范围广，其覆盖范围是在北纬50～550，东经700～1400之间的一个心脏形区域，上大下小，基本上覆盖了我国海区；定位精度高，静止水平误差±20m，运动水平误差±100m，经过校标（即相当于差分）可达到±20m，同时还具有数字报文通信以及授时功能。
在船舶导航、海上和空中交通管制、资源勘察、个人旅游、安全呼救等各个方面，双星定位系统的定位导航应用都具有显著的优越性。在渔业方面，由于受气候等因素的影响，使得我国渔业成为高风险行业，北斗卫星导航技术的全天候无通信盲区的特点，为我国渔业部门的安全生产提供了可靠保证。在铁路方面，北斗卫星的精准定位导航功能以及移动列车与调度室之间借助卫星通信进行双向信息传递，提高了行车安全和扩大运输能力。目前我过机动车保有量达到2.19亿辆，其中汽车1亿辆 ，良好的北斗使用体验为北斗卫星导航系统提供了广阔的空间。在客货运输业务方面，可减少空驶量及沉船事故，保证航道畅通，及时紧急营救。在邮电通信事业上，双星定位系统增加了用户的通信距离，节约了时间，提高了办事效率。在地震灾害预测和预报方面，双星系统的通信网络不受地面灾害的影响，定位精度高，为灾害的监测预报提供了强有力的手段和方便的条件。
2 航标信息化系统简介
“信息技术是推进21世纪发展的最强大力量，将为所有的人提供重要的机会。信息社会是通过充分利用知识和设想实现人类希望的社会。”在这一背景下，为顺应交通运输行业发展方式转变，主动融入综合运输体系建设，立足科学发展，以航标信息化建设为支撑，推动航标管理现代化，探索适应现代航海保障体系的新型航标运行管理模式，最终实现航标、船舶、航标管理者三者信息互通、完美融合，从而为社会公众提供优质、高效、安全的航海保障服务，成为每一位航标科技工作者面临的课题。
航标业务信息化系统，是以航标质量管理体系为依托，以日常业务管理和航标信息为核心，以AIS、航标遥测遥控系统、港域环境监测系统、航标数据库、视频监控系统、网络管理系统、VHF单边带等系统为支撑，统一数据内容，统一信息格式、统一接口模式，将分散建设的各个信息系统进行全面整合与集成，通过信息化网络实现信息交换和共享，形成标准的航标“一站式”业务管理平台。该系统基于Oracle数据管理为开发平台、B/S为体系结构的航标信息化管理平台，其核心为航标遥测遥控系统。信息化系统融合了包括全球卫星定位系统、全球移动通信系统、通用分组无线服务和计算机通信网络等先进的科学技术，是有计划的、规范的、科学绿色的新型航标运行模式，实现了信息资源采集、信息编辑管理、信息服务机制的一体化、协同化，建立了数据及时统一、信息资源共享的信息监控平台。平台建设以海上交通信息服务系统一体化建设为指导，集成并以更加精细的方式呈现感知信息、航海保障信息和以动态的方式管理、提炼专业化服务信息为目标。
历经数年的发展，海事航标建设已迈入数字化和信息化时代，未来中国海事将依托不断创新的科技和信息化技术，尤其是北斗卫星导航系统，继续加快“数字海事”建设，用科技信息化支撑和引领航标技术发展，逐步实现海事大国向海事强国的转变。航标信息化有利于增强对航标职能部门履职的支撑服务能力，确保建成的信息资源和技术系统的共享和再利用，探索低成本的建设模式，建立一个信息技术与业务活动高度融合的运行新模式，促进航標业务协同的高效和行政效率的提升，满足信息化条件下更好地为航运安全服务的新要求。
3 航标信息化系统中嵌入北斗卫星报文
北斗卫星已经覆盖中国大陆、台湾、南沙及其他岛礁、中国领海、日本海、太平洋部分海域及周边部分地区，形成区域无源服务能力，并将在2020年建设成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球，且具备形成全球无源服务能力的北斗卫星导航系统，因此完全满足航标信息化系统对远程测控管理需求。同时北斗系统具有良好的网络扩展兼容功能，通过北斗卫星传输的数据可以通过北斗地面控制中心转换成IP方式在互联网传输，数据的接收、整合、处理、存储、应用都十分便利。
将北斗卫星通信系统引入到航标信息化的系统，由航标运行信息监控平台、航标遥测遥控终端组成。终端上安装的信息检测装置可以检测航标灯的工作状况，将采集的终端数据及指令执行结果封装后通过北斗卫星通信模块发送到北斗卫星网络中，网络将数据转发到北斗MQ服务器，北斗MQ服务器解码信息后将数据发送到MQSocket数据代理服务器，经过信息过滤，数据被保存到数据库中，数据处理服务器会定期检测收到的航标终端返回信息，并对数据进行有效性处理再将数据保存到数据库中以供应用服务器调用整合，将最终结果展示给终端用户。用户也可通过基于应用服务器提供的web界面，对指定航标终端发送遥测遥控数据，指令通过数据处理服务器过滤编码后保存于数据库中，MQSocket数据代理服务器实时监控数据库中待发送指令，发现新的指令后MQSocket数据代理服务器将遥测遥控数据重新封装通过指定端口发送到北斗MQ服务器，北斗MQ服务器将信息转发到北斗卫星通信网络中，数据到达航标终端后，航标终端解码并执行相关指令。
利用北斗卫星导航网络与航标终端进行交互，接收航标终端上报数据信息，并依据本系统定义的数据传输通信协议验证信息有效性，并将监控端下发的各种指令实时传递给航标终端。系统在接收针对航标终端的遥测遥控信息时首先将信息缓存在北斗通讯服务器收发缓存队列中，系统提供与应用程序的通信接口，通过该接口将航标终端上传的完整信息传递给后台应用程序，并将遥控的相关信息传递到北斗服务器发送队列中，通过北斗网络发送到相应的航标终端。提供与web程序人机交互界面接口，可以接web程序下发给航标终端的信息，及航标终端的反馈信息选择相应的通道直观地展示给用户。
4 结束语
北斗卫星导航系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第3个拥有自主卫星导航系统的国家。到2020年，北斗卫星导航系统将成为与美国GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo并列的四大卫星导航系统，在全球性无源卫星导航系统中占有举足轻重的地位。随着现代通信技术的不断发展，北斗卫星导航系统必将成为推动我国产业结构升级改造的强大动力。在这个过程中，主动融入，从定位导航、简短报文通信、精密授时等功能为切入点，引入能够为我所用的新技术，从而提升航标信息化系统整体水平。
参考资料：
[1] International Maritime Organization ：” Maritime Policy for a Future Global Navigation Satellite System IMO Rssolution A.915（22）.
[2]王万昭，王惠良，和志强. 基于北斗导航系统的航标遥测遥控单元设计[J].河北工业科技，2014年.
[3] 唐金元，于潞，王思臣.北斗卫星导航定位系统应用現状分析[J].全球定位系统，2008.
