北斗导航系统在航海领域中的应用研究.docx

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北斗导航系统在航海领域中的应用研究

北斗导航系统在航海领域中的应用研究

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中国·珠海

二○年月

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日期：

年月1日

北斗导航系统在航海领域中的应用研究

摘要

目前在世界范围内，每个国家对于导航方面的研究都有了一定的看法，而我国经过多年的研发，在北斗这片领域上已经逐步崛起，同时也正式迈进全球时代，并广泛应用于各行业领域当中。

本文主要是以北斗在航海中的应用为研究对象，其在航海领域当中的实际应用有着极为重要的意义，为了能更好地论述在航海领域中应用北斗导航系统这个话题，文中首先介绍导航系统在国外的情况，同时就北斗目前在国内的发展状况作了简要的论述。

然后简要介绍了北斗导航系统的一些相关理论知识和主要技术特点，再结合当前在航海关于海上交通管理、海上搜救、海上通信和海上保障这四个方面的应用状况作了简要的分析，最后对北斗导航系统在未来的发展趋势作出一些简单的看法和对于本次研究的一些体会和收获。

关键词：

北斗导航系统；北斗技术；航海应用；海上搜救；海上通信；海上测绘；

ApplicationResearchofBeidouNavigationSysteminNavigation

Abstract

Atpresent,everycountryintheworldhasacertainviewontheresearchofnavigation,andafteryearsofresearchanddevelopment,ChinahasgraduallyriseninthefieldofBeidou.Ithasalsoofficiallyenteredtheglobaleraandiswidelyusedinvariousindustries.ThisarticlemainlyfocusesontheapplicationofBeidouinnavigation.Itspracticalapplicationinnavigationisofgreatsignificance.InordertobetterdiscussthetopicofapplyingBeidounavigationsysteminnavigation,thearticlefirstintroducesthesituationofthenavigationsystemabroad,andatthesametimegivesabriefdiscussiononthecurrentdevelopmentofBeidouinChina.ThenbrieflyintroducedsomerelatedtheoreticalknowledgeandmaintechnicalcharacteristicsofBeidounavigationsystem,combinedwiththecurrentapplicationsituationofthefouraspectsofmaritimetrafficmanagement,maritimesearchandrescue,maritimecommunicationandmaritimesecurity,andfinallyanalyzedInthefuture,theBeidounavigationsystemmakessomesimpleviewsandsomegainsfromthisresearch.

Keywords:

BeidouNavigationSystem;BeidouTechnology;NauticalApplications;SearchAndRescueAtSea;MaritimeCommunication;MaritimeMapping;

第1章绪论1

1.3研究背景与主要内容2

1.3.1研究背景2

1.3.2研究目的2

1.3.3研究意义3

第4章北斗卫星导航系统在航海领域中的应用7

第5章总结9

第1章绪论

1.1卫星导航系统的国外现状

随着科学技术的蓬勃发展，人们对于全球导航方面的知识也开始有了一定的认知，而导航系统无论是在开发还是制造上，都是一个国家的综合实力的重大反映，同时伴随着全球人们对导航需求的增加，某些国家也渐渐开始运用先进的技术来开发具有更高准确性和稳定性的新型卫星导航系统，竭力为全球导航事业作出自己的贡献。

目前在世界各地，每个国家都对导航系统的开发产生了巨大的兴趣，而我们都知道全球第一个卫星系统就是美国的全球定位系统，这是因为美国在早期的时候就已经对导航系统有了初步的认知，在时间和技术上都领先着各个国家，因此GPS无论是在研发时间或是技术上都已经十分成熟，同时它也是全球使用率最高的系统。

第二个就是俄罗斯的格洛纳斯导航系统，但是这个系统若需要正常运作即使用的设备较多，因此其发展的速度也受到很大的制约。

第三个就是由我国自主研发的北斗卫星导航系统，虽然“北斗”投入的时间较晚，但已拥有其它卫星系统所具备的功能，还自主研发了一些新的功能，例如短报文通信等等，这都大大提升了我国在国际上的地位。

欧洲的伽利略卫星导航系统同样也在其它卫星系统的功能上，再加上许多新的功能等等。

而在其它的国家，例如日本和印度，它们在已经有自主导航系统的国家的技术基础上，对导航系统的研究和开发也开始有了自己的认知和了解。

现在，日本对于准天顶卫星导航系统的开发工作也已经开始运行，而印度也开始对自己的印度区域卫星导航系统正式进入工作状态。

现在来说，最主要的四个卫星导航系统也开始进入运行状态，美国的GPS在全球是处于完全运行状态，也就是说GPS在全球的使用也比较多，而俄罗斯的GLONASS虽然在使用率上没有GPS的高，但它也丝毫不逊于GPS，在全球仍维持着很好的运行状态，欧洲的Galileo虽然还是处于初步运行当中，但它相比于单一系统来说，在定位和服务上都能很好的为其它系统提供更好的能力，而我国的北斗系统则处于。

而由日本和印度所自主研发的区域系统中，日本的准天顶卫星导航系统也正式在2018年11月1日进入服务工作当中，印度虽然通过利用IRNSS-1卫星来替换已经失去运作能力的三颗IRNSS-1A卫星，但还没有正式宣布进入卫星服务的工作中。

1.2卫星导航系统的国内现状

卫星导航系统无论是在国内还是国外，都对每个国家有着无可替代的作用，同样在我国也不例外，由于美国GPS的长期垄断，而且为了国家的军事安全和科学技术的发展，需要减少对GPS的依赖，因此科学家们也开始对导航方面的知识进行了探讨，并在2000年我国的北斗卫星导航实验系统顺利研发成功，并经过多年的技术提高和完善，在2012年我国的北斗系统也开始提供区域定位服务给周边的亚洲国家，这也令我国在北斗系统的建设中取得更进一步的突破，也对美国GPS的依赖开始逐渐减少。

由专业统计指出，在卫星导航系统领域中，我国的总产值已达到100亿以上，而我国在最近的几年里，都对北斗导航系统进行了更进一步的完善和利用，同时也让北斗系统的价值能够更好地运用起来。

2013年，我国在船舶定位的使用中正式投入北斗一代系统，而在一代系统的基础上，北斗二代系统也逐步进入完成状态，同时在军事领域里北斗的优势也得到充分的发挥，并且为军事建设提供强有力的保障。

目前，我国虽然在民用上使用GPS还是比较广泛，短时间里北斗在应用上还是取代不了GPS，当然GPS也有它自身的优势之处。

同时北斗也仅有十几年的历史，起步也比较慢，因此在普及使用方面还是处于起步阶段，个人用户对北斗的使用还没有真正地普及起来，但随着北斗一步一步的崛起，人们对北斗的认识也会慢慢地发生改变，况且现今北斗在技术上已经得到很大的提升，可以在技术层面上与GPS相互切磋一下，在定位的精度上也不比GPS差，我相信在不久的将来北斗能够在更好地应用在民用当中，让更多的移动设备都能兼容我们的北斗。

在2020年，我国也宣布北斗导航系统将会在全球开放定位服务，而随着技术的一步步完善，我国的北斗导航系统无论在定位的精度或速度上，都不逊于美国的GPS，同时伴随着卫星组网的顺利完善，北斗导航系统在各个领域的应用都将会越来越广泛，也为我们的经济和生活上带来更高的效益。

1.3研究背景与主要内容

1.3.1研究背景

卫星导航系统在我国乃至全球所有国家都有着无可替代的作用，作为一个信息传递的基础设施，它反映了一个国家的技术发展水平，更是能体现一个国家的综合实力。

我国北斗导航系统的成功研发，亦标志着我国结束了依靠外国系统的悠久历史。

北斗卫星导航系统的使用对我国具有重要意义，在技术领域方面，我们对某些发达国家的依赖在逐渐减少，同时也提高了我国在全球导航领域的地位，极大地促进了我国的信息交流和基础设施建设，也提高了中国的经济和军事信息化水平。

在国内乃至全球范围内推广北斗导航系统的应用，也将会改变中国“北斗”在全球导航系统应用市场中的局面。

同时，北斗卫星导航系统在许多领域里都已经成功得到广泛的应用，无论是在交通或是航海上等等，同时也成功带动电子业、通信业等行业的发展，在经济上取得了巨大的效益，尤其是在航海领域中的应用，在这大数据的时代中，对北斗系统进行大数据的处理和优化，将会令北斗系统更加精确化和细致化，同样北斗卫星导航系统在各个行业上的应用，将会更加提高生产方面的水平，更能促进社会的和谐发展，同时，它也可以让国家的经济发展的更加蓬勃，并让每一个行业的发展来的更加迅猛有力。

1.3.2研究目的

1、学习北斗导航系统的组成，并了解其工作原理；

2、学习北斗导航系统应用的功能和特点，并了解其重要意义；

3、学习北斗导航系统在航海领域各方面的应用，并提出对其未来发展的见解。

1.3.3研究意义

目前在全球来说，每个卫星导航系统之间的相互合作都已经成为一种发展趋势，而我国的北斗系统也积极提供定位等服务给本国和周边的国家，经过多年的研究建设，北斗系统已是成熟的导航系统，在这几年来，北斗系统都广泛应用于各个领域当中，为我国和世界的发展都提供了极大的方便，也提升我国的国际地位和影响力，同时利用导航系统的技术可以很好地应用在各方面，特别是航海领域，在海上航行，卫星导航系统发挥着至关重要的作用，而北斗导航系统的出现，也正正带动了我国在航海领域的重要发展，因此研究北斗卫星导航系统在航海领域中的应用，有助于更好地了解到在当前情况下该系统在航海领域中的应用特点和条件，为现阶段该如何将北斗卫星导航系统更好地应用于航海领域中奠定坚实的技术基础，让北斗系统更好服务于我国的航海事业。

第2章北斗卫星导航系统的相关理论

2.1北斗卫星导航系统的组成

北斗系统能够在某些特定区域内进行自主定位与通信，并且能清晰地接收各用户所发出的信号。

在卫星构建方面，其一共是有三个部分，分别是空间端、地面端和用户端，每个部分都有着其各自的功能与作用。

各颗卫星的分布最主要还是集中于空间端，在这个范围里，一共包含着35颗卫星，且5颗静止轨道卫星在运行时的位置都是确定下来的，是不会随着时间而发生变化的，剩下的30颗又分成27颗MEO卫星和3颗IGSO卫星，卫星之间的分布都有着一定的空间顺序，就像这27颗MEO卫星，主要是在三个倾斜度为55°的平面上，而且它们轨道之间的高度可达到21,500km；在地面端里则包含着一些地面站，站与站之间的分布也比较靠近，就像一些主控站、注入站等等，而当中的主控站更主要的用途是对系统的管理，系统的流畅性是确定北斗是否能正常工作，而且主控站也其它的工作站也有联系，不仅仅是对从监测站接收的信息进行处理分析，还要执行信息的转化，同时监测站也可以通过接收空间端所传递来的信息，并进行一定的数据分析，再传送给主控站，一并处理后进而传送给用户端；而用户端指的就是信息的接收终端，包括北斗终端和其它的卫星终端，且能够顺利进行信息的发放和接收（如图1）。

在技术层面来说，北斗系统已经可以为本国和世界的一些国家提高成熟的定位、导航和授时等服务，而且在定位技术方面也会更加针对精度这一个点去进行更有效的完善，务求让使用北斗的用户都能够得到更大的好处，同时在全球范围内覆盖北斗系统也将会在2020年左右顺利完成。

2.2北斗卫星导航系统的工作原理

位置的精确定位和对信息的处理，同时还具有全双工传输数据的能力，这无疑是北斗导航系统的优势之处，但其信号可以到达的区域有限，因此其服务范围也是受到限制的。

系统的整体结构包括两部分，一部分是相对于地球静止的两颗卫星（一个在800e，另一个在1400e），其信号也只能到达我国及其周围小部分地区。

其定位精度约为20m，使用双向传输QPSK调制和解调机制（2492.75MHz），可以承载的用户数量约为530,000小时。

由图1可知，假设控制中心经由卫星1与用户进行数据传输的往返延迟为f1，控制中心经由卫星2与用户进行数据传输的往返延迟为f2。

这两个数据传输延迟由图1中的控制中心确定，由系统进行检测和计算。

从图1可以看出，中央控制系统与卫星1和2之间的距离分别为s1和s2，此时，控制中心发送的数据的往返延迟f1和f2可用于计算s1和（s1+s2），两者之间的距离可用于推断s2的值。

从以上分析可以得出，用户的地理位置是两个球体相交的位置，即球体的中心是卫星1，球的半径是s1，另一球体的中心是卫星2，球的半径为s2。

另外用户的地理位置不会那么快发生变化，会仍然停留在椭球面上，并且该椭球面会平行于地球表面，这时候就会呈现两个不同的位置坐标，而出现在北半球的坐标就是我国用户的特定地理位置。

北斗在实行定位的时候，空间中的卫星会接收来自用户的信息，并且进行信息的转发，接着地面控制中心会对转发的信息进行解码等操作，可以确定用户对于定位的需求，并将获取的资料进行深度计算后再将信息返回给空间卫星，卫星会对用户的信息作出响应，从而实现定位的工作。

同时在传输信息的过程中，控制中心会先根据用户的传输要求进行接收和处理，然后通过检测目标IP地址并进行数据匹配，再通过空中卫星系统为所有特定区域的潜在用户传输成功加密的数据，而潜在的用户就可以接收和解密卫星发送的信息。

但如果某些用户在没有得到授权的情况下对信息进行破解，就会容易产生信息紊乱，得到的也仅仅是没用的信息而已。

第3章北斗卫星导航系统的功能及特点

3.1精确定位

每一个导航系统在定位上都有着自己独特的技术，北斗在使用定位的时候，通过地球上的监测设备来发送相关信息指令到卫星网络系统，网络系统对传送过来的命令作出分析和处理，再通过精密的计算来得出定位的准确位置，让用户能在最短的时间内得到自己所需要的定位信息。

北斗导航系统可以利用针对每个用户的需求来提供实时定位服务，并能准确地将位置信息确定下来并发送给用户，全天候的导航服务也能提供给需要的用户。

在定位精度方面，免费的一般为100米，但在一些地区的精度可以达到20米，而随着导航技术的不断发展，北斗二代的成功研发也为周边国家提供实时定位导航，其定位精度也得到更进一步的提升，从10米提升至6米，在我国不仅仅可以提供米级，甚至是更高精度的定位服务；在北斗二代系统的基础上，我国的北斗三代在精度上又再一次得到突破性的发展，定位可以精确到2.5至5米。

当然，要想得到更精确的定位服务，可以通过收费的授权服务，就像广域差分技术那样根据用户的不同等级进行授权，最高可以精确到1米。

目前，各大行业对于导航的应用也渐渐开始流行起来，定位的精确性、缜密性也需要更进一步地提高，而随着人们对精度要求的不断提高，我国已经开始对毫米级的精度发出冲击，但这种毫米级的精度是需要通过借助于其他的导航系统才能更好地实现，通过结合各导航系统的技术要点，实现毫米级的精度也不会遥远，就能更好地为人们的生活和产业的运作提供更准确的精度定位。

3.2精密授时

北斗系统在研究的过程中，对于授时方面的技术十分讲究，为了能让客户对系统能有更全面的了解和使用，这两种授时功能足以令用户在使用北斗时能更快掌握时间的信息。

第一种是单向授时，在使用的时候需要通过计算来确定用户端的位置，但其授时时间快且连续性强；第二种则是双向授时，它与单向的刚好相反，对于用户端的位置要求并不需要很清晰地知道，接收到的一切信息都会统一在中心站的系统内完成，虽然其授时时间也快，但在授时过程中连续性不强，会发生间断授时，所以用户可以根据自身对精度的要求来进行选择。

北斗导航系统会根据用户的要求来作出响应并定时为用户端提供授时信息，在时间和频率的同步上会进一步的精确完善以至达到用户的需求，减少用户在使用北斗系统中时间上的误差。

并且在时间同步方面，要求的是时间上的精确误差范围，而且两种授时精度都有所不同，单向的是100ns，双向的则是20ns，但这只是可提供精度范围内的有理化选择，用户最终还是要根据自身情况来选择所需要的授时功能。

另外，北斗系统在平面精度和高程精度上还具有一定的优势，且GPS与其有着一定的明显差距，通常是为1.5倍到2倍。

3.3短报文通信

北斗系统具有一个特别的功能，同时这种功能也是有效的应急通信手段，它就是短报文通信，也意味着它可以在各个卫星信息站之间直接传输双向信息，而无需通过网络，其操作流程是地面控制中心在用户发送的响应信号中接收通信内容，并对其进行解释，然后将其发送到接收方客户端。

在使用这功能的过程中，普通用户在发送通信信号时可以一次性发送40-60个汉字，但特别用户利用授权的话，则可以传输更多的汉字，最多可达120个，尽管这一功能在传输容量上有一定的限制，但是紧急情况通信是不同于日常通信的，我们更重要的是要传达出必要的信息，而只要安装有北斗终端，即使手机没有信号，同样可以发送信息。

因此，其必将在远洋航行中尤其是搜救应急时发挥重要作用。

而其他卫星导航系统主要功能都是定位和授时，无法提供此数字通信服务，且只能获取自身位置，再通过造价昂贵的海事卫星发送定位信号再进行处理。

同时，短报文通信在应用方面的范围也十分广泛，例如在远程控制方面可以利用语音收发来对较远处来进行指挥，通过语音将信息进行传输，在工作中可以更加灵活简便，并且可以对信息进行加密处理，在传输时就不会被其它的外在因素所干扰，而且因为短报文通信是双向传输的，接收方在收到来自发送方的信息后，同样可以利用此方法进行两者之间的传输交流。

目前，这种功能大多数是应用在海上通信和野外探险等范畴，当然随着技术的发展，相信能够扩展到更多的应用当中。

3.4统一信息处理

主从请求响应模式可以让北斗导航系统在信息处理上能够更有效地实施，且作为北斗系统的主要服务模式，对于用户的各种服务信息申请，可以先将接收到的全部信息申请一同集中在北斗卫星控制中心，再通过系统控制中心来集中处理相关的信息申请，并且可以通过该系统实现以下三个功能：

第一是用户机器管理功能，系统控制中心可以对自己的用户执行动态组管理；第二是系统控制中心可以与地图配合，并以动态监视其自己的用户计算机的位置信息，也可以实现轨迹回放，地理位置查询和状况监视，它可以根据用户监控中心所指定的目标来动态更改监视范围。

第三是交互式命令报告功能。

系统用户中心可以通过数字信息与北斗用户进行通信，以进行相关命令的控制，同时北斗用户可以使用北斗导航系统来与系统用户中心进行数字消息的通信和位置报告。

对于信息的处理，需要注重的地方就是如何提高信息的处理效率，利用主从请求响应模式，在对发送方信息的提取时，根据内容的性质来进行筛选，并通过集中统一处理后，每个用户的信息就不会出现重复，信息的准确性也会提高起来，用户也能更快的接收到已处理好的信息，提高了处理工作的效率。

第4章北斗卫星导航系统在航海领域中的应用

4.1海上交通管理方面的应用

目前在海上管理方面，我国最主要是利用船舶交通管理中心，再结合AIS来进行对海上船舶的检测和监控，但该系统本身就存在着一定的缺陷，首先是该系统的设备是需要和VHF进行通信，但由于移动和无线电两大通信方式的覆盖范围的制约，令其所能传输的距离变得十分有限，因此对传输信息的交换就变得十分困难。

而我们在航海的交通管理上，可以应用船载北斗系统高精度AIS，即是利用北斗系统的数据库反馈给本船和其周围船舶的AIS实时监控信息，从而实现北斗和AIS的一体化，而两者的相互结合，可以令自身船舶及其周围的船舶收到相关的定位信息，并且再加上北斗的短报文通信功能，让AIS的覆盖范围变得更加宽阔，也让海上船舶的安全监管和航行管理上变得更加方便，而船舶交通管理中心就是通过数据收集和数据评估来进行交通管理的，在应用了北斗系统后，VTS就可以利用北斗系统收集船舶位置的动态信息，并通过电子海图显示与信息系统和AIS来对船舶进行实时监控和管理；使用北斗系统，可以为AIS提供北斗的短报文通信功能，通过空间卫星来向航行的船舶传输有关实时动态、能见度条件、其他船舶的位置等有关航行安全的信息，避免了VHF传输距离近的弊端，更能为船舶提供相关的信息服务。

当然，还可以应用船载北斗终端，好处在于利用北斗对船舶的定位反馈，进而确定航行中的船舶的精确位置，进行一系列的追踪和监控，同时为了解决在航海时的安全问题，可通过通播功能来调动相关人力或物资来进行救援。

船载北斗终端会在一定的时间内对船舶交通管理中心发出一系列的状态报告，报告中包含有船舶位置和行驶速度等信息。

对于一些重点的船舶或者是装有不明物体的船舶，例如一些有害物品之类的，管理部门在使用了北斗终端后，就可以对某些可疑的船舶的具体位置进行实时监控和管理，也可以大大提升了海事部门在海上交通管理方面的效率。

4.2海上搜救方面的应用

海上搜救是一项十分有挑战的工作，它具有突发性和紧急性，同时航海事故的发生往往是因为一些恶劣的气象状况和海面上的不确定因素，这也让搜救人员的工作变得更加困难，目前来说，由于我国在搜救系统上的技术还不够完善，采用的办法也是相对比较落后，大多数是采用视觉搜索和无线电定位指导，最重要是这两种方法的搜救效率都普遍较低，一旦发生险情，遇险信息就无法第一时间传送出去，容易耽误援救时间，令生命和财产都受到损失。

因此，如何对海上的遇险人员进行快速搜救一直是世界各国所要研究的重要课题。

在海上搜救中，利用具有定位和通讯功能的北斗系统为基础，进而建立一个完整的海上搜救系统，对于海上搜救来说也将会是非常重要的一步。

北斗海上搜救系统的主要组成有以下部分：

北斗卫星、救生型终端设备、地面指挥控制中心和指挥型用户机。

当遇险人员无法与外界进行沟通的时候，可以使用能够北斗定位的救生型终端设备，并能获取到自己的地理位置信息，地面指挥控制中心会根据监测系统来获取遇险人员的位置相关信息，进而确定遇险人员的位置。

当然，如果是熟悉北斗导航系统的遇险人员，他们可以根据北斗的短报文通信功能来向指挥中心发送出求救的信号等信息。

确定了遇险人员的位置之后，地面指挥控制中心会根据实时的求救信号发送至具有指挥型用户机的船舶上，船舶上的电子地图亦将会显示遇险人员的位置，就能以最快的速度来到营救地点并对遇险人员进行搜救工作，更进一步地缩短营救时间，同时大大提高了搜救的成功率。

4.3海上通信方面的应用

目前，我国在海上通信业务最主要是通过建造位于在沿海地区的海岸电台来完成相关的通信服务。

海岸电台也是保障我国的海上安全通信提供信息的重要建设，其职责就是在