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北斗短报文技术在虚拟航标中的应用
作者：马甲林
来源：《珠江水运》2019年第12期
摘 要：虚拟航标是一种重要的导助航设施，随着技术的发展应用越来越广泛。通常，虚拟航标泛指虚拟AIS航标，在我国沿海和内河地区都有了典型应用。近年来，北斗卫星导航系统的发展日新月异，也为航海保障带来了新的发展方向，基于北斗技术的航标遥测遥控、水文气象观测、北斗船舶监控、北斗应急救援等也都取得了骄人的成绩，沿海和内河有六千余座导助航设施使用北斗。在北斗导航系统发展的基础上，研究了基于北斗短报文技术的虚拟航标，提出一种虚拟北斗航标，并与传统的虚拟AIS航标做了比对，最后，通过实验测试了虚拟北斗航标提供导助航服务的可行性。
关键词：北斗短报文 虚拟北斗航标 导助航服务
航标，是指供船舶定位、导航或者用于其他专用目的的助航设施，包括视觉航标、无线电导航设施和音响航标。虚拟航标是一种特别的航标类型，是随着AIS、电子海图等技术的发展而应用开来的，主要通过无线电形式在电子海图或接收机上标识水域某点存在具有某种功能的航标，以达到助导航的目的。目前，提起虚拟航标大都默认是指虚拟AIS航标，虚拟航标几乎就等同于是虚拟AIS航标。本文在北斗卫星导航系统发展的基础上，提出一种基于北斗短报文技术的虚拟航标，同时比较和论述了虚拟北斗航标和虚拟AIS航标的优缺点，并通过实验测试了虚拟北斗航标的可用性、可靠性和时效性，实验结果表明可以向特定区域的船舶提供虚拟航标服务。
1.虚拟AIS航标
虚拟AIS航标：由AIS台站通过21号电文播发的不存在实体航标的航标信息。根据定义，虚拟AIS航标又分为临时虚拟AIS航标和永久虚拟AIS航标。临时虚拟AIS航标适用于如下情况：标识航行限制区域；标识临时推荐航路；标识故障航标或移位航标。
永久虚拟AIS航标可在不具备布设实体航标条件时使用，宜布设在深水区域或恶劣海况环境，以及随时间、洋流或天气影响而动态变化的区域，适用于如下情况：标识永久碍航物；标识航道界限；标识安全水域界限；标识特殊区域（如锚地和遮蔽区）。 在电子海图、纸质海图和航海出版物中应标识永久虚拟AIS航标。
虚拟AIS航标具有设置速度快、位置精确以及不受自然条件限制，适用于因各种原因无法布设实体航标的情境，例如标识沉船位置，能在第一时间起到导助航作用，能有效保障水上航行安全，时效性强是其显而易见的特点。
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2017年底，交通运输部批复“长江口深水航道利用边坡自然水深提升通航效率总体方案”，为有效标示长江口深水航道界限，共设置了45座虚拟AIS航标，包括左侧标、右侧标和专用标，长江口深水航道也成为中国最大规模应用无线电航标标示航道界限的电子航道。 虚拟AIS航标是实体航标的重要补充，但是也存在一定的局限，因基站作用距离、传输路径信号衰弱以及电子海图设备故障等原因，虚拟AIS航标的信息并不会100%被船舶接收到，一定程度上存在航行安全隐患。 2.虚拟北斗航标 2.1北斗短报文技术
北斗卫星导航系统是我国自主建设的卫星导航定位系统，它具有定位、导航、授时等功能，是我国构建综合PNT系统的关键，北斗卫星导航系统已经成为全球无线电导航系统组成部分，获得了面向海事应用的国际合法地位，而短报文服务也是北斗系统区别于其他卫星导航系统的特色之一。北斗短报文服务能实现双向通信，它是通过用户应答，在定位的同时完成向外部系统的用户位置报告，实现定位与通信的集成。北斗短报文业务可以为不同行业众多用户提供基于位置的信息共享、短报文信息转发等服务。
目前基于北斗短报文服务，各个领域已实现了多种应用场景，包括诸如北斗海洋渔业应用，基于北斗系统的海洋监测信息实时传输系统，北斗海上搜救体系，救生信标机，北斗船舶监控服务系统，海上溢油跟踪浮标系统，水文北斗统一指挥平台，在线水质监测系统等。 2.2北斗分理服务平台
通过申请获得北斗分理运营资质，建设北斗分理平台，从而利用北斗短报文業务，为不同行业众多用户提供基于位置的信息共享、短报文信息转发、数据传送、远程测控，并具有用户信息管理、查询、调阅、指挥调度和管理、通播、组播、单播，以及各类信息增值服务。 北斗分理服务平台以北斗数据为核心，提供位置服务和消息转发应用。如图1所示，北斗分理服务平台以北斗数据为中心，接入包括AIS、水文气象等信息，结合海图应用，提供北斗数据服务。在航海保障领域，北斗分理平台实现本行业的协议、接口的约束和适配，通过制定统一、完整的框架协议实现与其他行业的互联互通，例如通过北斗指挥机阵列转发手机信息。北斗分理服务平台在航标建设、水上通信、应急救援等领域提供保障服务，以其独有的短报文服务构建面向海事领域的应用平台。 2.3北斗航标遥测遥控系统
航标遥测遥控系统的应用是航标建设的一大亮点，能动态掌握当前航标的状态和运行参数，极大提高了监控管理效率。遥测遥控系统主要采用电信公网和AIS基站链路进行通信，对于公网和AIS基站无法覆盖的区域，信号较弱而无法正常使用遥测遥控，给巡检维护工作带来
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较大的困难。基于北斗的航标遥测遥控系统是近年来航标发展的新方向，北斗集定位与通信功能于一体，它具有监控范围大，数据可靠的优势，通过采集航标灯器的工作电压、工作电流、位置信息，经过北斗遥测终端处理后再通过北斗卫星传送给监控中心服务器，航标主管部门可以实时监控航标遥测数据。目前中国沿海和内河安装有北斗遥测终端的航标已超过六千座。 2.4基于北斗短报文技术的虚拟航标
虚拟航标的应用可以补充实体航标的不足，当前的航标遥测系统主要有以下几点问题： （1）通信链路受不明原因干扰造成数据传输中断或者数据不准确；
（2）遥测终端通信模块故障，而此时航标的位置和灯光亮灭情况可能是正常的； （3）灯器故障和浮标漂移。
无论是遥测模块故障还是灯器故障，都需要及时进行巡检和维护。虽然未来可通过高分卫星、无人机、无人艇、过路船舶或巡逻艇在较小成本和恶劣环境下实现现场状况的观测和掌握，但是仍不能解决现场更换的问题，维护成本高的缺点显而易见。通过设置虚拟航标可以保证航标的导助航效能，并在一定程度上减少维护工作量，提高数据精确度和设置及时性，对于不能及时修复的漂移或被撞的航标，突发的沉船事件，都可及时设置虚拟航标，这不仅能有效地保障水上航行安全，而且又避免了实际航标漂移几十米、几百米造成的位置不准确问题。综