1 引言
卫星定位与导航系统是为地球表面或近地空间的用户提供时间、空间基准和所有与位置相关的实时动态信息的无线电导航定位系统，具有“时空领域公共基础设施”的性质和特点，是世界各国重要的空间和信息化基础设施。当前，人们比较熟悉的卫星定位与导航系统有美国GPS、中国BDS（北斗）、俄罗斯GLONASS和欧盟GALILEO四大系统。其中，相对成熟和应用前景最为广泛的当属美国的GPS和中国的BDS。毫无疑问，以GPS卫星导航系统为代表的先进通信信息技术业已广泛运用于各行各业，而由我国自主研发的北斗卫星导航系统凭借“自主可控”和政府主导的优势，以其“优势的技术、广阔的前景、完善的产业”后来居上，实现了党的十八大报告“抢占科技发展战略制高点”和“突破重大技术瓶颈”的要求。
国际海事组织海上安全委员会于2014年11月在伦敦召开的第九十四次会议审议通过对北斗卫星定位与导航系统认可的航行安全通函，北斗卫星定位与导航系统取得了面向海事应用的国际合法地位。交通运输部2016年底正式印发了《交通运输部关于在行业推广应用北斗卫星导航系统的指导意见》，提出要“加快推进采用北斗定位、短报文通信等技术的安全设备在船舶上的应用”。2017年11月，交通运输部与中央军委装备发展部联合印发《北斗卫星导航系统交通运输行业应用专项规划（公开版）》（交规划发〔2017〕187号）提出“推动交通运输行业公务执法车辆、执法船舶和执法‘单兵’装备配置北斗终端，制定船载北斗终端配备鼓励政策，推动‘四类重点船舶’安装使用北斗终端，引导商船安装配置北斗终端，扩大使用范围。”
随着国家安全战略要求的提升，同时也为了更好地满足船舶航行安全、水上监管和综合服务需要，北斗卫星定位与导航系统在长江航运领域的应用需求将越来越迫切。
2 卫星定位导航系统在长江航运的应用现状
长江航运业具有点多、线长、面广、移动性的特点，是卫星定位导航系统应用推广的重要领域，长江航运业卫星导航系统的运用是整个交通运输行业应用的一个聚焦点。长期以来，以GPS为代表的卫星定位导航系统被广泛应用于船舶监控、水上救援、地形测量、航道疏浚、靠泊作业、内河航运导航、水运基础设施建设等全行业领域，基本满足了船舶在航行过程中对航道、船闸、水文、气象等信息的需求，对提高内河航运现代化服务水平发挥了重要的作用。
就目前长江航运而言，社会船舶和公务船舶主要安装的定位导航、海事通信、遇险报警等设备均以美国的GPS系统为主，主要的监管及救助通信系统例如VHF系统、AIS系统、VTS系统以及海事卫星电话等设备都采用GPS系统进行定位和授时；长江干线水利枢纽和大型通航基础设施，也都高度依赖GPS技术；各航运管理机构都建设有一套较为完备的、以GPS定位导航等通讯手段为依托的信息监管与服务系统，实现对航道测量、航标管理、航道施工、船舶动态监管、船舶过闸、公安执法等业务管理需要；公安应急指挥系统、航运各单位通信信息系统的时钟同步也都全部采用的GPS授时系统。
换句话说，目前长江航运管理单位、在航船舶、航运企事业单位，为了定位、导航和系统授时需要，基本都以GPS为基础。并且部分单位如测量部门还建有少量GPS连续运行参考站（cors系统）以提高定位精度，部分港口、运输企业还开发了基于GPS位置信息的应用系统。而北斗卫星导航系统在长江上的应用还处于起步阶段，目前只有长江航道部门利用了少量沿江省市已经建设的北斗地基增强系统数据，在航道测量中尝试应用，其他部门的应用几乎是空白。这一现状必然带来以下两个方面的突出问题：
2.1 相关安全性得不到有效保障
从GPS系统的掌控层面看，美国政府为了保障自身利益和安全，对特殊情况下GPS系统的使用采取限制政策。过度依赖GPS系统服务，将使船舶导航、通信系统存在特殊情况下的瘫痪风险；长江航运的相关航道数据、沿江城市敏感建筑物的布局、重要大桥及葛洲坝、三峡大坝等相关数据和信息都有可能被获取；承担重要战略物资和战备物资的紧急运输和运输指挥、应急过闸调度指挥等敏感工作也处在被监测之下，存在较大的安全风险。
2.2 高精度应用服务难以保证
GPS系统在全球范围内的服务标准是有限度的，其精度值也是控制的。长江航道窄而船舶密度高，GPS的定位精度不能满足船舶导航、避碰、锚泊及过闸的需求；而各已建监管系统功能实现依赖GPS定位功能，难以满足事前、事中、事后的全过程监管需要；船舶及人员水上遇险报警自动化程度不高，船岸信息交互能力有待加强，内河船舶普遍配备的AIS船载终端由于通信能力限制，缺乏信息服务能力。而中国的北斗系统恰恰可以弥补GPS的应用局限。
3 北斗卫星定位与导航系统在长江航运的应用方案
随着长江经济带国家战略的推进实施，长江航运将进入发展快车道，对国家经济社会发展的巨大支撑和推动作用日益凸显，建设“交通强国”为长江航运未来发展指明了方向。全面实施国家战略，实现长江航运现代化、全面建成全流域黄金水道，就是要全面推进“一条主线四个长江”发展战略，即以发展现代长江航运为主线，构建“平安长江、数字长江、阳光长江、和谐长江”，就是要全力推进航运基础设施转型升级、优化运输服务，北斗等国家关键基础设施的建设和应用必不可少。
北斗民用在交通，交通应用看水上，水上应用看内河，内河应用看长江。以北斗卫星定位与导航系统为基础，打造“四网两平台”，为长江水上船舶进行定位、调度、监控，为长江航运各类业务信息系统的搭建、组网提供稳定、可靠的时空信息，使长江航运业具备核心竞争力，形成和谐畅通的发展格局，是新形势下北斗系统在长江航运应用的实现途径和现实方案。“四网”：一是北斗地基增强系统，构建长江干线北斗精准服务网专网；二是高精度测量系统，构建长江干线测绘基准网；三是授时系统，构建长江航运时间同步网；四是整合通信专网、无线公网、北斗短报文服务等通信资源，实现无障碍、全方位的航运通信网。“两平台”：一是船舶航行动态监控及应急报警平台；二是航运信息公众服务平台。
3.1 北斗地基增强系统
长江干线的北斗卫星高精度定位主要依托差分北斗，即利用已知精确三维坐标的北斗差分基准台，求得差分修正量，再将这个修正量实时或事后发送给用户，对用户的测量数据进行修正，以提高北斗定位精度。长江干线北斗地基增强网的建设将进一步拓展北斗系统在长江干线上精密定位的应用，提高服务能力。长江干线北斗地基增强系统由基准站网、数据处理中心、数据播发系统、数据总控系统、用户应用系统组成。基准站接收卫星信号，生成伪距、载波相位、对流层、电离层等原始观测值，通过通信链路传输至数据处理中心；数据处理中心接收并对原始数据进行处理，生成差分增强信息，分发至数据播发系统；数据播发系统主要将差分增强信息利用公共网络通信、AIS播发网络、船岸无线通信网络等技术播发给用户；数据总控系统主要负责生成精密定位产品，满足高精度定位的需求并进行跨平台之间的数据交换和共享，将地基增强数据接入交通运输部地基增强网络，实现地基增强数据的综合管理和利用；用户应用系统分为业务信息平台和公共服务平台，业务信息平台根据自身不同的需求完成高精度的定位导航服务，公共服务平台主要针对不同种类的用户，满足用户的不同需求。
3.2 高精度测量系统
高精度测量系统主要是以长江干线北斗地基增强服务系统为基础，建成长江航道测绘基准网，包括水平控制基准网与高程控制基准网。综合利用长江干线航道区域及周边的加密重力资料与地形资料、参考重力场模型、GNSS水准点成果，采用现代地球重力场理论方法确定长江干线高精度似大地水准面模型，建立起长江干线现代测绘基准体系。运用高精度的北斗系统是保障航道测量工作高效开展的基本条件，可以解决移动测量载体的高精度定位问题；有效判定航标位置，确保航标工作的有效性；针对不同水位建立健全航路信息通过电子航道图进行助航服务；提高疏浚船舶的工作效率。实现长江航道的平面控制测量、高程测量、地形碎步测量、水深测量、航道水文观测和专项测量、施工放样以及竣工测量。
3.3 精准授时系统
依靠时间同步网提供统一的精确的定时基准信号，提高网络服务质量和增强网络功能是长江航运通信网运行的一项基本要求。长江航运通信网主要采用主从同步方式，在武汉部署1个1级基准时钟设备，在南京、宜昌各部署1个备用时钟，并配备高性能的卫星授时接收机，以保证全网的定时性能。随着通信技术的发展，长江航运通信网对频率同步、时间同步有着更高的要求。利用北斗系统建立长江航运时间同步网，采用分布式多基准钟的组网方式，以基准钟的同步范围划分同步区，每个区域采取主从同步，区域基准钟的主用基准为北斗定时接收机，备用基准为全网基准钟；区域基准钟以接收北斗定时信号为主，接收全网基准钟为备用，将长江航运所有的通信信息系统时间统一在同一个时间同步网，并与国家授时中心连接，建立长江航运统一的、可信的时间戳服务体系，为长江航运电子政务、公安及行政执法奠定时间参数。
3.4 综合性的航运通信网
长江具有重大的战略意义，利用我国自主开发的北斗卫星导航系统对航运通信专北斗网进行改造，对重点进口、采用GPS标准的设备进行国产化、北斗化改造，提高网络的安全性和保密性；利用AIS系统17号报文向长江干线航运船舶播发北斗差分信息，提高船舶定位导航精度，发挥航运通信网的公益化服务职能，推北斗差分信息播发行业标准化，为北斗标准国际化奠定基础；利用北斗短报文功能，实现船舶与船舶、船舶与岸上控制中心之间的双向报文通信，为船员遇险定位，船舶作业人员提供安全救助保障；改造船台终端，在监控系统网络覆盖盲区，利用北斗位置报告实现船舶的实时监控。
3.5 船舶航行动态监控及应急报警平台
采集基于北斗的航行船舶精确位置信息，融合AIS、GPS等监测监控数据，接入船舶管理、船员管理、船载客货管理等海事业务数据，基于电子航道图，建设船舶航行动态监控平台，实现多源数据融合显示，为海事监管部门提供船舶航行动态显示、监测、预警，统计分析、用户管理服务，提升长江干线水上交通安全动态监测和预警能力。利用北斗短报文应急通信技术，结合12395，VHF等手段，建设应急报警平台，提供统一的遇险报警信息管理与服务，提高位置信息传递的准确性，提高应急响应效率。
3.6 航运信息公众服务平台
建设基于北斗的航运信息公众服务平台，通过网页、微信、手机APP等多种方式，从第三方的角度面向社会公众提供电子航道图、船舶位置、运力运价等信息服务，并建立系统与长江航运物流公共信息平台和长江航运综合信息服务门户网站的数据交换机制和服务协同能力，政企合力提升信息服务效能。基于融合后的船舶位置数据，接入港口、船公司生产作业能力相关信息，面向航行船舶、港口、船公司、货方等，以船舶导航智能终端、手机端、PC端等多种渠道，通过公众服务门户和移动APP应用提供航运公众服务，实现优化航道运力，降低物流成本，保障航运安全，提高流通效率的目的。
4 北斗卫星定位与导航系统在长江航运应用展望
交通运输部高度重视北斗卫星定位与导航系统在长江航运的应用。在广泛深入研究的基础上，2017年5月，交通运输部正式批复了“长江干线北斗卫星地基增强系统工程”可行性研究方案，年底前又批复了该项目的初步设计。根据相关建设规范，该项目将在3年内全面完成建设任务。长江干线北斗卫星地基增强系统建成后，将为北斗系统在长江航运的广泛应用提供更加有效的基础性支撑，必将带来长江航运业新的转型升级。
当然，尽管北斗卫星定位与导航系统较其它卫星导航系统更适应长江航运的需求，也能实现其他系统所不能实现的功能，但在实际的应用中仍然存在一些困难。一是缺乏统一的国际化应用服务标准。现有长江航运各监管服务系统，如VHF系统、AIS系统以及VTS系统标准主要基于GPS系统，我国北斗系统建设和推广应用起步较晚，没有被航运设施广泛使用。虽然通过VTS、AIS以及RBN等系统的国产化可以实现北斗系统的应用，但在国际上未得到认可。二是公益性服务的提供还需要进一步借助其他辅助手段。卫星导航系统的高精度位置服务过于依赖通信网络，缺乏公益化服务手段，是北斗全面应用推广的障碍。利用AIS系统播发差分修正信息，为船舶提供RTD定位服务，利用船岸无线宽带系统为高精度用户提供RTK定位服务，能够最大限度发挥北斗卫星导航系统的应用功能，也能体现政府公益化的服务能力。
5 结语
导航、定位、授时等应用是建立导航卫星系统的出发点，也是其最终的归宿。相比GPS系统，北斗系统的技术水平起点更高，完全能满足长江航运的需求，保障国家信息通信领域的安全，其建设也符合国家北斗卫星导航系统“安全发展、有序发展、加快发展”的大战略。利用北斗卫星导航系统实现长江航运安全管理的信息化、自动化、智能化是发展“智慧长江”的重要方向，从系统覆盖、使用安全等各方面利用北斗高精度导航、定位、授时、短报文通信等特色功能，实现此前GPS系统所不具备的功能和性能，同时需要多方合力解决北斗应用推广所面临的问题才有助于北斗在长江航运更好地应用推广。可以说，北斗卫星导航系统在长江上的应用任重而道远。
参考文献
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收稿日期：2018-04-12
作者简介：周学群（1971-），男，安徽东至人，宜昌海事局通信信息中心通信信息工程师，在职研究生，研究方向：信息通信新技术和人工智能技术等在长江航运中的应用。
