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北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在漁業(yè)船舶上的應(yīng)用

發(fā)表時間:2024/07/03 00:42:54  來源:黑龍江水產(chǎn) 2021年6期  作者:真國建  瀏覽次數(shù):1114  
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中國是海洋漁業(yè)大國,海岸線3.2萬km,海洋面積300萬km2,漁船56萬艘,傳統(tǒng)漁民550萬人。海洋漁業(yè)是高風(fēng)險行業(yè),漁業(yè)船舶安全關(guān)系到千家萬戶,船舶導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展對保障漁船安全生產(chǎn)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用,早期漁船的定位導(dǎo)航主要根據(jù)天體的位置進(jìn)行判定,同時使用羅盤判定航行方向。隨著導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)已取代了原始的導(dǎo)航方法。中國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會認(rèn)定的四大核心供應(yīng)商之一,雖然起步晚卻后來居上,與美國GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)共同成為世界最先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)分3代:1994年北斗工程立項,2000年,我國自主完成了北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè),共有4顆北斗一號試驗衛(wèi)星,服務(wù)中國區(qū)域[1];2012年完成了北斗二號導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè),共有25顆北斗二號衛(wèi)星,服務(wù)亞太地區(qū);2020年完成了北斗三號導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè),共有30顆北斗三號衛(wèi)星,服務(wù)全球??梢蕴峁┟赓M定位和授權(quán)服務(wù),授權(quán)服務(wù)包括提供高精度的定位、測速、授時和通信以及系統(tǒng)完整性信息服務(wù)。北斗系統(tǒng)具有全天候、精度高、定位快、功能全、運(yùn)行穩(wěn)等特點,廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸、漁業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報、通信授時、應(yīng)急救災(zāi)、安全保障等諸多行業(yè)領(lǐng)域,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

由空間端、地面端、用戶端三部分構(gòu)成??臻g端包括地球靜止軌道、同步軌道和中圓軌道三種多個衛(wèi)星。地面端包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等多個地面站,以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施[2]。用戶端包括衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)構(gòu)件,以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)與運(yùn)行軟件等。

1.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理

北斗系統(tǒng)最重要功能是定位功能,定位的基本原理是依據(jù) “三球交會”定律完成空間定位目標(biāo),也就是以空中三顆已知坐標(biāo)參數(shù)和精確狀態(tài)的衛(wèi)星作為圓心,以衛(wèi)星分別到用戶終端設(shè)備之間的距離參數(shù)作為半徑,建立三個球面狀空間結(jié)構(gòu),這三個球面的交點即為用戶端地理位置,利用衛(wèi)星通信技術(shù)測定衛(wèi)星和用戶設(shè)備的距離通過自動解算實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。而有地面控制中心參與的定位,依靠兩顆衛(wèi)星就可以實現(xiàn)定位,以空中兩顆已知坐標(biāo)參數(shù)和精確狀態(tài)的衛(wèi)星作為圓心,以衛(wèi)星分別到用戶終端設(shè)備之間的距離參數(shù)作為半徑,建立兩個球面狀空間結(jié)構(gòu),通過測定衛(wèi)星和用戶終端設(shè)備的距離為半徑的兩個球面,這兩個球面與用戶端所在的地球球面的交點即為用戶端地理位置,這種定位需要地面控制中心根據(jù)地球電子高程地圖庫提供地形圖,兩衛(wèi)星圓弧線與地球表面地形圖的交點,可以得到用戶的二維位置。

1.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功能

1.3.1 定位導(dǎo)航 為全球提供全天候、高精度、連續(xù)、實時的定位和導(dǎo)航服務(wù)。用戶終端設(shè)備可免費獲得定位、授時服務(wù),全球定位精度10m,測速精度0.2m/s,授時精度20ns;亞太地區(qū)定位精度5m,測速精度0.1 m/s,授時精度10ns[3]。

1.3.2 短報文通信服務(wù) 可提供雙向數(shù)字(報文)通信,中國及周邊地區(qū)單次通信能力為1000漢字,全球短報文通信服務(wù)單次通信能力為40漢字。

1.3.3 國際搜救服務(wù) 與全球其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一起組成全球范圍搜救系統(tǒng),同時建立用戶終端設(shè)備的反向鏈路,大幅度提高了搜救成功率和效率。

2 遼寧海洋漁業(yè)船舶動態(tài)管理系統(tǒng)簡介

遼寧海洋漁業(yè)船舶動態(tài)管理系統(tǒng)由北斗衛(wèi)星、地面站、船載終端、運(yùn)營服務(wù)中心、漁業(yè)主管部門監(jiān)控臺站等組成。該系統(tǒng)以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ),整合移動通信、衛(wèi)星通信、互聯(lián)網(wǎng)+、地理信息等技術(shù),構(gòu)建海洋漁業(yè)綜合信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)[4]。2012年遼寧省啟動遼寧海洋漁業(yè)船舶動態(tài)管理系統(tǒng)建設(shè),建立船舶動態(tài)管理系統(tǒng)監(jiān)控平臺,為較大馬力漁船安裝北斗船載終端,截至2019年底共為近1萬艘漁船安裝了北斗終端。漁業(yè)管理部門利用該系統(tǒng)實時掌握漁船海上動態(tài),實施監(jiān)控管理,接收漁船緊急報警,并通過系統(tǒng)的短報文與漁船實現(xiàn)文字通信,船岸之間建立了有效的聯(lián)絡(luò)機(jī)制,有效提高了海上作業(yè)漁船的安全保障。2021年,為了進(jìn)一步提高海上生產(chǎn)漁船的安全保障能力,遼寧省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳印發(fā)了《遼寧省海洋漁業(yè)船舶北斗船載終端設(shè)備安裝使用管理辦法》,規(guī)定所有船籍港在遼寧的海洋漁業(yè)船舶必須安裝北斗船載終端設(shè)備,否則不得出海生產(chǎn)作業(yè)。同步啟動了2021年遼寧省海洋漁業(yè)船舶北斗船載終端設(shè)備安裝項目,對北斗船載終端的功能進(jìn)行了優(yōu)化升級,計劃年內(nèi)為全省約4萬艘漁業(yè)船舶安裝新款北斗船載終端設(shè)備[5]。

遼寧海洋漁業(yè)船舶動態(tài)管理系統(tǒng)主要功能:漁業(yè)部門利用該系統(tǒng)對轄區(qū)漁業(yè)船舶進(jìn)行監(jiān)控和應(yīng)急響應(yīng)。遇有大風(fēng)惡劣天氣,漁業(yè)部門利用系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警,實時掌握管轄漁業(yè)船舶動態(tài),指揮調(diào)動漁船避險。向漁業(yè)船舶開通定位導(dǎo)航、各種通告、遇險求救等服務(wù)。向漁船船載終端提供船、岸間的數(shù)字報文通信服務(wù)。向用戶提供漁市、物流、天氣、海浪、漁場、魚汛等信息服務(wù)。

3 北斗船載終端設(shè)備在漁業(yè)船舶導(dǎo)航中的應(yīng)用

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建成以前,衛(wèi)星定位一直被美國GPS系統(tǒng)壟斷,北斗系統(tǒng)打破了GPS一家獨大的局面,為世界船舶提供了一個更安全和精確的定位導(dǎo)航途徑。在遼寧省,2012年開始在漁業(yè)船舶上大規(guī)模安裝北斗船載終端,為漁業(yè)船舶提供安全精準(zhǔn)全面的定位導(dǎo)航服務(wù),下面簡要介紹一下北斗船載終端在船舶導(dǎo)航中的應(yīng)用。

3.1 北斗船載終端的組成

主要由射頻前端、A/D轉(zhuǎn)換器、基帶信號處理和導(dǎo)航解算4個模塊構(gòu)成。射頻前端接收衛(wèi)星信號,前置放大器將衛(wèi)星信號放大并變?yōu)橹蓄l信號;A/D轉(zhuǎn)換器將中頻模擬信號經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)量化編碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號;基帶數(shù)字信號處理模塊的功能是二維捕獲衛(wèi)星信號、跟蹤載波相位和碼相位,偽距測算;導(dǎo)航解算模塊采取一定的算法消除模型誤差,解算偽距方程,解析出衛(wèi)星接收機(jī)天線的地理位置,最終實現(xiàn)定位功能[6]。

3.2 北斗船載終端的主要導(dǎo)航功能

主要導(dǎo)航功能有:顯示船位和導(dǎo)航數(shù)據(jù),緯度、經(jīng)度、海拔高度,航向、航速,到航路點恒向線或大圓航線方案的航向及距離、預(yù)測航行時間。如果電羅經(jīng)和計程儀數(shù)據(jù)可以接入,可以顯示流向和流速??梢栽O(shè)置參數(shù),定位精度、二維定位、三維定位、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。顯示衛(wèi)星數(shù)據(jù)、編號、仰角、方位、工作狀態(tài)等??梢源鎯?、設(shè)計海上航線及航路點。定位更新時間在1s以內(nèi),導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新時間在3s以內(nèi)。航行警報,偏離航線、錨位監(jiān)控、到達(dá)航路點區(qū)域范圍、設(shè)備故障等報警功能。接口功能,配備輸入和輸出接口。

3.3 北斗船載終端的航線導(dǎo)航

使用北斗船載終端設(shè)備進(jìn)行航線導(dǎo)航,航線是終端設(shè)備中存儲的一組包含起點、中點(一個或數(shù)個)和終點的坐標(biāo)點,航線由若干個航路點組成。船舶航行時,依照船舶駕駛員預(yù)先輸入的航路點順序的航線航行,實時顯示導(dǎo)航參數(shù),按順序駛過各個航路點,最終到達(dá)目的地,這即為航線導(dǎo)航。航線導(dǎo)航有編輯功能,可以隨時對航線進(jìn)行清除、插入、置換等??梢源鎯?shù)百條航線,設(shè)計航線時,可以先在海圖上或者現(xiàn)有航路點中選擇需要航路點,然后(手動或通過計算機(jī))將航路點輸入到北斗終端設(shè)備中。航線導(dǎo)航時,顯示當(dāng)前駛往航路點的名稱或編號、航向、距離等數(shù)據(jù)。通常有四種方法進(jìn)行航線設(shè)計:一是用航點庫中已存在的航路點設(shè)計航線。二是用事先記錄在航線菜單上的航路點設(shè)計航線。三是直接用游標(biāo)在終端設(shè)備電子海圖上標(biāo)注位置設(shè)計航線。四是依據(jù)船舶實際航跡設(shè)計一條基準(zhǔn)航線(按一定時間間隔存儲船位設(shè)計航線,船舶返航時使用)。

4 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)為船舶提供全天候、高精度、高效率的定位和導(dǎo)航服務(wù),使船舶高效安全航行。以北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)為技術(shù)支撐建立的遼寧海洋漁業(yè)船舶動態(tài)管理系統(tǒng),使?jié)O業(yè)部門掌握漁船海上實時動向,及時接收漁船緊急報警,中遠(yuǎn)海短報文通信,切實保障了漁船海上生產(chǎn)作業(yè)安全。

參考文獻(xiàn):

[1]戴連君,唐濤,楊娜.利用北斗單星三頻載波數(shù)據(jù)估算碼偏差的方法[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,2012,36(2):35-39.

[2]《中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)》白皮書[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2016(7):72-77.

[3]劉建,李晶,劉法龍.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用及展望[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2019(3):28-34.

[4]肖揚(yáng).遼寧省漁船管理信息化體系建設(shè)研究[D].遼寧:大連海事大學(xué),2015.

[5]于文武.北斗船載終端在遼寧漁業(yè)上的應(yīng)用升級[J].商情,2019(2):257,265.

[6]許江來,景新攀,崔帥.通信衛(wèi)星車載模擬測試站快速設(shè)置跟蹤角度的改進(jìn)設(shè)想[C].第八屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會論文集.2017:1-4.

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