基于北斗星间链路及短报文的海上安全信息播发方案设计*

摘要：海上安全信息的快速、准确送达，对于海上航行安全保障至关重要。传统的海上安全信息播发方式存在诸多问题，如传输速度慢、播发范围小、易受干扰等。本文基于北斗星间链路及短报文通信技术，针对海上航警、气象和搜救信息播发三类典型业务场景，开展海上安全信息播发方案设计，为海上用户提供自主可控、低成本、广覆盖的海上安全信息播发通道。

关键词：北斗星间链路；北斗短报文通信；海上安全信息播发

        一、引言

       目前，全球海上遇险和安全系统 ( Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS ) 用于海上安全信息播发的主要方式包括国际航行警告 ( NAVTEX ) 业务和国际增强性群呼 ( Enhanced Group Call，EGC ) 业务^[1]。根据国际海事组织 ( IMO ) 的建议，所有处于NAVTEX覆盖范围之外的船舶，需要具备接收EGC信息的能力，同时建议沿岸国的海事主管机关向没有NAVTEX覆盖的海域提供EGC业务。这些海上安全信息播发手段存在自主可控性差、覆盖范围有限、易受干扰等问题，在实际的海上安全信息播发场景下，具有一定的局限性。

       2020年底，北斗卫星导航系统 ( 以下简称北斗系统 ) 完成全球系统部署，除提供公益性的北斗短报文通信服务外，还具备基于星间链路的北斗国际搜救返向链路功能，可实现近海和远海区域的信息播发。2022年11月，北斗系统加入全球卫星搜救系统 ( COSPAS-SARSAT ) 的技术审核工作全部完成，我国同美、法、俄、加签署合作意向声明，标志着我国成为国际搜救卫星组织空间设备提供国^[2]。2022年11月，IMO海上安全委员会 ( MSC ) 第106届会议认可北斗报文服务系统 ( BDMSS ) 用于GMDSS。北斗三号系统凭借着北斗国际搜救和短报文通信特色服务，进一步提升了全球范围内的人命财产安全保障和救援能力。

       本文通过分析海上安全信息播发业务场景，研究北斗星间链路及短报文通信技术原理，设计海上安全信息播发方案，旨在利用北斗系统可用的通信手段，面向全球海事用户提供新的海上安全信息播发手段，更好地保障船舶航行安全。

        二、海上安全信息播发业务场景分析

       根据经修正的IMO A.705 ( 17 ) 决议，海上安全信息是指向船舶广播的航行警告、气象警告、气象预报和其他与安全有关的紧急信息，搜救相关信息是指向船舶广播的遇险报警中继和其他紧急搜救相关信息。参照GMDSS海上安全信息服务的信息类别，本文重点针对航警信息、气象信息和搜救信息这三类海上安全信息播发业务场景进行分析。

        ( 一 ) 航警信息播发业务

       航警信息是指特定海域内已经或将要发生的可能影响航行和作业安全的信息，通常由海事主管机关或者其授权的机关通过无线电报、无线电话等形式，向特定区域内船舶公开发布。船员收到航警信息后将及时修改海图，以保障船舶航行安全。

       目前，国内已形成相对完善的航警信息播发业务服务体系^[3]，但当船舶处于远海海域时，受限于海岸电台的覆盖范围，不能及时向船舶播发国内航警信息。

        ( 二 ) 气象信息播发业务

       气象信息播发业务是指为从事货物运输、海洋工程和渔业生产等的海上船舶提供气象警告、气象预报和气象观测等信息的一项重要服务，可以帮助船舶和其他海上活动参与者更好地了解海洋天气情况，提前做好防范准备，减少因天气突变而导致的安全事故，支撑海上用户更好地进行生产和经营。

       目前，国内已经形成了较为完善的气象信息播发业务服务体系，覆盖全国海域，并且可采用卫星通信、无线电通信、互联网等多种方式进行播发。不足之处是在一些海外地区，国内的气象信息播发业务服务覆盖范围有限，难以保障中国远洋船舶及时获取国内播发的气象信息。

        ( 三 ) 搜救信息播发业务

       搜救信息播发业务是指搜救机构接收到船舶发出的遇险报警后，通过可用的海上通信手段，将遇险船舶信息或搜救协调通信信息及时播发至指定海域或船舶，协调遇险位置附近的船舶注意避让，或组织附近搜救力量开展现场搜寻救助，在保障海上航行安全的同时提高海上遇险搜救效率。

       搜救信息播发除了要求播发时效性高、播发范围广外，还需要保证信息的准确性和及时性，因此需要建立完善的搜救信息采集、处理和播发体系，以确保信息能够及时、准确播发。

        三、北斗星间链路及短报文通信技术

       相较于其他海上安全信息播发手段，北斗系统的国际搜救返向链路和短报文通信技术有覆盖范围广、传输速度快和使用成本低等优点，应用于海上安全信息播发的优势明显。

        ( 一 ) 北斗三号系统服务简介

       北斗三号系统空间星座包括3颗地球静止轨道 ( GEO ) 卫星、3颗倾斜地球同步轨道 ( IGSO ) 卫星和24颗中圆地球轨道 ( MEO ) 卫星，与地面段处理系统和用户段终端设备共同向用户提供服务。

        1.GEO卫星

       GEO卫星相对地球静止，单星覆盖区域较大，3颗卫星可覆盖亚太大部分地区，主要面向区域用户提供卫星无线电测定 ( Radio Determination Satellite System，RDSS )、卫星无线电导航 ( Radio Navigation Satellite System，RNSS )、星基增强、区域短报文通信和星基精密单点定位五项服务，主要负责区域短报文通信信息的收发。

        2.MEO卫星

       MEO卫星绕地球旋转运行，通过多颗卫星组网实现全球覆盖，运动速度较快，主要面向全球用户提供RNSS、全球短报文通信和国际搜救三项服务，负责北斗全球短报文通信信息的收发。

        3.IGSO卫星

       IGSO卫星和GEO卫星处于同一高度，主要面向区域用户提供定位导航授时、全球短报文通信和国际搜救三项服务，负责信息的播发。

        ( 二 ) 北斗星间链路通信技术

       北斗星间链路是指北斗卫星之间的无线链路，可用于北斗卫星的信息传输、测距和测控等，为北斗三号系统自主运行起到重要支撑作用。北斗星间链路是北斗三号系统的特色功能服务，有诸多优点，包括降低对地面运控系统的依赖性、实现远距离信息传输、提升系统可靠性等。

       国际搜救卫星组织于2016年12月发布第二代406 MHz搜救信标标准，要求信标支持报警确认及报警取消功能，即通过返向链路处理系统，以导航电文方式向信标提供返向链路消息 ( Return Link Message，RLM ) 播发服务，为遇险人员提供双向报警确认和位置服务，如营救正在进行的确认，甚至可以通过返向链路发送自定义消息^[4]。北斗系统已经具备返向链路的播发能力，面向全球用户提供符合国际搜救卫星组织相关标准要求的遇险搜救请求确认服务，并可以额外播发自定义文本信息。

       北斗国际搜救返向链路通信服务主要由空间段的北斗MEO卫星、地面段的现有地面网络、北斗中轨搜救地面支持系统和北斗三号运控系统及用户段的支持返向链路的406 MHz遇险信标组成^[5]。具体的通信流程如图1所示，北斗中轨搜救地面支持系统通过接收中国搜救卫星系统任务控制中心发来的带有返向链路请求的报警信息，处理后生成实际的返向链路信息，然后通过北斗运控中心上注北斗卫星，并通过星间链路将消息传递至目标上空的24颗MEO、3颗IGSO卫星，再利用卫星的导航电文播发返向链路信息，告知遇险者报警确认信息和自定义信息，形成基于北斗系统的双向搜救信息交互，为海事用户提供远海区域通信手段，可有效提高搜救效率和成功率。

图1  北斗国际搜救返向链路通信流程

        ( 三 ) 北斗短报文通信技术

       自2003年北斗一号系统建成以来，北斗系统就基于RDSS体制为用户提供短报文通信服务，之后北斗二号系统继承了这一体制和服务，将其和RNSS功能相结合，实现了双向信息通信。北斗三号短报文在兼容RDSS体制的基础上，精化了服务类型设计，优化了运行模式设计，极大提升了系统性能和用户体验。北斗三号短报文通信模式除了一对一的点播服务，还有一对多的组播、通播和广播服务^[6][7]，北斗三号短报文一对多通信流程如图2所示。

图2  北斗三号短报文一对多通信流程

        1.组播通信模式

       组播又称多目标广播、多播，北斗用户可通过发送建组请求获得临时组播号，并向该组播号发送短报文，北斗系统自动将短报文发送给这个组播号下绑定的所有终端，在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接。

        2.通播通信模式

       通播是指用户向指定通播号发送短报文，北斗系统将短报文播发到与通播号绑定的北斗卡号对应的用户终端的过程。通播通信的特点是信息传输范围广泛，但由于需要播发到所有用户终端，因此传输速度相对较慢。相比组播的可临时建组，通播需通过指挥型终端或具有权限的系统播发，且网段内可绑定的终端数量更大。

        3.广播通信模式

       广播是指用户向北斗系统发送短报文，北斗系统自动将短报文广播到指定区域内的所有终端，无须指定接收方。广播和通播的相同之处是信息传输范围广泛、速度较慢，不同之处在于单次播发长度较短。

        四、基于北斗星间链路及短报文的海上安全信息播发方案设计

       本文采用基于星间链路的北斗国际搜救返向链路及短报文通信技术，围绕海上安全信息播发业务，研究设计自主可控、低成本、广覆盖的海上安全信息播发方案。

        ( 一 ) 总体架构设计

       依托已有的北斗中轨搜救地面支持系统和北斗报文服务系统建设海上安全信息播发系统，可融合北斗国际搜救返向链路及北斗短报文通信技术，实现近海和远海区域海上安全信息播发。当播发区域为近海时，应将北斗短报文作为主用链路，将北斗国际搜救返向链路作为备用链路；当播发区域为远海时，应将北斗国际搜救返向链路作为主用链路。具体播发总体架构如图3所示。

图3  海上安全信息播发方案架构

        ( 二 ) 播发参数设计

       播发参数包括服务类型、信息类型、播发优先级、播发区域、播发计划和播发途径，海上安全信息提供方可根据需要配置参数，完成海上安全信息播发。其中，除播发计划由海上安全信息提供方根据实际业务自主选择外，本文针对不同服务类型设计了可对应匹配的其他播发参数。

        1.服务类型

       分析海上安全信息播发业务场景，可将海上安全信息播发业务的服务类型分为航警信息播发、气象信息播发和搜救信息播发三类。

        2.信息类型

       根据业务需求，海上安全信息播发业务的信息类型通常可分为航行警告、气象警告/预报、沿岸航行警告和全域播发等。

        3.播发优先级

       海上安全信息播发的优先级由高到低可划分为遇险、紧急和安全3个等级，等级高的信息将优先抢占信息通道被播发。

        4.播发区域

       海上安全信息提供方选择指定的服务类型和信息类型后，只能选择相应的播发区域，包括矩形区域、圆形区域、航行警告区域 ( NAVAREA )、气象警告区域 ( METAREA ) 和沿岸警告区域。

        5.播发计划

       播发计划参数包括计划类型 ( 计划或非计划播发 )、播发开始时间、播发间隔、重复播发次数、回声等。

        6.播发途径

       播发途径参数包括北斗国际搜救返向链路和北斗短报文，其中北斗短报文包括组播、通播和广播3种模式。

        ( 三 ) 播发方案设计

       分析航警信息、气象信息和搜救信息播发业务场景，不同类型的播发服务需匹配相应的信息类型、播发优先级和可选的播发区域，具体播发方案见表1。根据业务需要，播发方需自主选择相应的播发计划，为了强化船舶对于非计划性播发的接收效果，非计划性播发一般在首次播发6 min后安排重播，根据需要还可以在首次播发后按照设定的周期进行重复播发，直至信息播发方取消报文的播发为止。系统将根据播发方选择的播发区域自动匹配播发途径，完成指定的海上安全信息播发任务。

表1  海上安全信息播发方案匹配表

        1.航警信息播发

       航警信息播发服务的信息类型主要包括航行警告、沿岸航行警告和其他航行信息。考虑到海上环境复杂多变，存在许多不确定性的因素，容易导致航行事故，包括碰撞、搁浅和触礁等。通过向矩形区域、圆形区域、NAVAREA或沿岸警告区域的船载终端播发航行警告和其他航行信息，可以辅助船舶合理规划航线，从而保障航行安全。考虑到航警信息的播发主要以预防为主，因此优先级默认为安全，可由信息提供方酌情选择紧急优先级。

        2.气象信息播发

       气象信息播发服务的信息类型主要包括气象警告/预报、沿岸气象警告/预报、飓风警告 ( 蒲福风力达到12级以上 ) 和其他气象信息。根据不同类型信息对于航行安全的威胁程度需默认匹配播发优先级，根据不同信息类型的播发特点需匹配对应的播发区域类型，便于将气象信息及时、有效地播发至特定区域的船舶，以便船舶根据接收到的气象信息及时采取相应的措施，避免船舶在恶劣的天气条件下发生意外事故。

        3.搜救信息播发

       搜救信息播发服务的信息类型主要包括遇险报警转发、搜救协调信息、岸到船紧急与安全信息和全域播发。岸上搜救机构收到遇险报警信息时，可以向指定区域内的船载终端发送遇险报警转发、搜救协调信息和其他紧急与安全信息，以指导附近船舶进行避让或开展搜救行动。考虑到实际的搜救行动中，需要尽可能实现搜救人员和遇险者双方的通信畅通，因此需匹配更高的遇险或紧急优先级，同时可以选择圆形和矩形等播发区域。

        五、结束语

       总体而言，海上安全信息播发的实现，需要建立完善的信息采集、处理和播发体系，并针对不同的业务场景采用不同的播发方案。在实际应用中，应根据业务场景需求和紧迫程度，选用对应合理的服务类型、播发手段和符合匹配机制的播发参数，完成海上安全信息播发，从而保障海上航行安全和搜救工作的有效性和及时性。未来，随着在海上航行、气象和搜救信息播发等领域的广泛应用，北斗系统将为海上安全和经济发展提供更加全面和可靠的支持。

参考文献：

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[2] 中华人民共和国交通运输部海事局.北斗搜救载荷正式通过国际搜救卫星组织技术审核[J].中国海事,2022(4):2.

[3] 于树海,夏启兵,李巍,等.北斗播发海上安全信息系统研究和实践[C]//中国卫星导航定位协会.卫星导航定位技术文集(2021).北京:测绘出版社,2021:124-128.

[4] 高雅,何泽骅.BDS中轨卫星搜救系统返向链路技术与应用[J].全球定位系统,2019(6):14-19.

[5] 卢红洋,翁艳云,高雅,等.北斗国际搜救服务应用展望[J].卫星应用,2021(11):13-19.

[6] 杨元喜,刘利,李金龙,等.北斗特色服务及性能分析[J].Science Bulletin,2021(20):2135-2143.

[7] 宋溱,庞波波,翁艳云,等.北斗短报文在全球海上遇险与安全通信领域的应用与展望[J].中国航海,2022(4):65-69.

作者简介：

杨淙喜，交信北斗科技有限公司，助理工程师。

翁艳云，交信北斗科技有限公司，助理研究员。

高   雅，中国交通通信信息中心，工程师。

朱佳荣，北京卫星导航中心，助理工程师。

粟   清，北京卫星导航中心，助理工程师。

刘金丹，交信北斗科技有限公司，助理工程师。

*基于通导融合的星基海上目标实时定位与信息收发技术课题资助，课题编号：2021YFB3901503。