北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)與終端接口設(shè)計

李晨浩，寧 蓓，楊淙喜，何澤驊, 3*

應(yīng)用研究

北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)與終端接口設(shè)計

李晨浩1，寧 蓓2，楊淙喜2，何澤驊2, 3*

（1. 中國船級社上海分社，上海 200135；2. 中國交通通信信息中心，北京 100011；3. 中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司，寧波 315040）

北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)決定申請成為符合全球海上遇險與安全系統(tǒng)（GMDSS）要求的衛(wèi)星通信服務(wù)提供方。本文在不較多改變現(xiàn)有北斗短報文體制的大框架之下，設(shè)計出一種兼容北斗GMDSS短報文服務(wù)系統(tǒng)與終端之間短報文接口，并通過“報警”、“位置報告”、“一般通信”、“廣播”四個類型分別描述。接口滿足國際海事組織（IMO）和國際電工委員會（IEC）的相關(guān)要求，而無需變更北斗短報文空間接口和終端模塊設(shè)計，降低了終端的研發(fā)成本和北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)加入GMDSS的改造難度。

GMDSS 北斗短報文 終端 接口設(shè)計

0 引言

自2013年開通以來，北斗短報文在生命安全救助、海上漁船位置報告方面起到了非常大的作用[1]。為了在生命安全領(lǐng)域有更大的用武之地，同時使北斗系統(tǒng)應(yīng)用走出去，提升我國在海事和航天國際事務(wù)的話語權(quán)，北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)決定申請成為符合全球海上遇險與安全系統(tǒng)（GMDSS）要求的衛(wèi)星通信服務(wù)提供方[2]。

目前，國際海事組織（IMO）已經(jīng)批準(zhǔn)北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)加入GMDSS的申請，后續(xù)的評估工作正在進(jìn)行過程中。研制符合IMO MSC.434(98) 決議《GMDSS系統(tǒng)中使用的船舶地球站性能標(biāo)準(zhǔn)》[3]要求的終端也是評估工作的重要部分。終端除了滿足MSC.434(98)決議要求之外，還應(yīng)符合IEC60945《海上通導(dǎo)設(shè)備-系統(tǒng)基本要求》[4]，并對標(biāo)滿足IEC61097-16《認(rèn)可的GMDSS衛(wèi)星系統(tǒng)船舶地球站操作及性能要求、測試方法和要求的測試結(jié)果》[5]。

由于北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)在設(shè)計空間接口時未考慮應(yīng)用于GMDSS業(yè)務(wù)的特殊性，因此，在北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)擴充GMDSS業(yè)務(wù)時，新建的北斗GMDSS短報文服務(wù)系統(tǒng)與終端之間的接口需要重新設(shè)計與改造。

1 設(shè)計考慮

根據(jù)IMO A.1001(25)[6]決議關(guān)于GMDSS衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求，通信系統(tǒng)需要支持遇險、緊急、安全、常規(guī)（一般通信）的優(yōu)先級分級功能要求，支持以下功能的實現(xiàn)：

1）船到岸、岸到船遇險警戒／呼叫；

2）船到岸、岸到船和船到船搜救協(xié)調(diào)通信；

3）船到岸的海上安全信息傳輸；

4）岸到船的海上安全信息廣播；

5）船到岸、岸到船和船到船的一般通信

在船只遇險時，告警通過北斗短報文傳輸。傳輸內(nèi)容包含了有關(guān)船舶身份的信息（北斗短報文用戶識別號或海上移動通信業(yè)務(wù)標(biāo)識（MMSI）號）、船舶位置（經(jīng)度和緯度）、船舶的航向和航速、遇險性質(zhì)、告警發(fā)送時的日期/時間以及船舶位置上次更新的日期/時間。

遇險告警發(fā)出后，終端應(yīng)按照一定的距離尺度，繼續(xù)向北斗GMDSS短報文服務(wù)系統(tǒng)發(fā)送船舶身份信息（北斗短報文用戶識別號或MMSI號）、船舶的位置（經(jīng)度和緯度）、船舶的航向和航速。

現(xiàn)有空間接口可以分成雙向點對點通信和廣播通信業(yè)務(wù)。其中，雙向點對點通信業(yè)務(wù)的短報文頭中只包含信息發(fā)出者，信息接收者，當(dāng)前位置等信息，而沒有GMDSS規(guī)定的目標(biāo)航向、速度、優(yōu)先級等信息。廣播業(yè)務(wù)，也未定義相應(yīng)的安全信息廣播通信接口的具體內(nèi)容。同時，目前業(yè)務(wù)端的內(nèi)容的編碼方式只有代碼，英文和國標(biāo)編碼的漢字。因此，現(xiàn)有接口不適合GMDSS業(yè)務(wù)，需要對相應(yīng)接口進(jìn)行設(shè)計改造。

而由于北斗地面運控系統(tǒng)的狀態(tài)已經(jīng)固化，大多基于現(xiàn)有系統(tǒng)狀態(tài)研發(fā)的北斗短報文模塊也已投產(chǎn)，針對GMDSS業(yè)務(wù)對空間接口進(jìn)行重大變更并不現(xiàn)實。因此，在符合國際標(biāo)準(zhǔn)要求并根據(jù)最大化利用現(xiàn)有接口和現(xiàn)有硬件的原則下，按照下列原則對接口進(jìn)行設(shè)計改造：

1）約定終端控制單元與北斗GMDSS短報文服務(wù)系統(tǒng)之間的接口。終端控制單元與北斗海事短報文服務(wù)系統(tǒng)需要識別GMDSS類型的業(yè)務(wù)段消息，并按約定的接口協(xié)議消息頭和交互用的業(yè)務(wù)段文本信息。

2）只修改現(xiàn)有短報文及其廣播消息接口的業(yè)務(wù)段（即現(xiàn)有搜救業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)、廣播信息等內(nèi)容），將現(xiàn)有接口不具備的信息組裝成GMDSS消息頭，并與業(yè)務(wù)需傳輸?shù)恼鎸嵨谋拘畔⒔M合后封裝在現(xiàn)有的短報文業(yè)務(wù)段內(nèi)。

3）GMDSS消息頭使用二進(jìn)制編碼，提高消息利用率，而不直接傳遞文本信息。

4）文本信息需要按照UTF-8進(jìn)行編碼，以便兼容多國語言。

5）短報文業(yè)務(wù)段需要按照二進(jìn)制格式進(jìn)行傳遞，允許壓縮，并統(tǒng)一交給短報文模塊處理。

6）在原有的短報文頭內(nèi)加入GMDSS業(yè)務(wù)類型標(biāo)識，或新增消息類型，以便北斗地面運控系統(tǒng)能夠分級處理，并與北斗GMDSS短報文服務(wù)系統(tǒng)開展交互。

7）北斗地面運控按照標(biāo)準(zhǔn)短報文操作流程，與北斗GMDSS短報文服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換短報文業(yè)務(wù)段內(nèi)容、短報文頭和短報文配置信息。

下圖描述了信息組織的嵌套關(guān)系及各層次之間的傳遞內(nèi)容，其中“GMDSS消息頭”和“文本信息”為新設(shè)計的北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)與終端之間的接口。

圖1 新定義接口與原有接口的信息組織的嵌套關(guān)系

可見，在這種設(shè)計考慮下，新的接口定義對于現(xiàn)有北斗地面運控系統(tǒng)及現(xiàn)有北斗短報文模塊的影響最小。

2 業(yè)務(wù)段設(shè)計細(xì)節(jié)

北斗短報文本身根據(jù)業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)類型的不同，點對點通信可以分成“應(yīng)急搜救”、“位置報告”、“報文通信”三種[1]類型，以及一種廣播通信。根據(jù)GMDSS業(yè)務(wù)的需求，遇險、緊急、安全類信息可以放入“應(yīng)急搜救”類短報文封裝中；遇險后的位置報告和正常航行時的位置報告類數(shù)據(jù)可以放入“位置報告”類短報文封裝中；一般通信類和安全等級的救援協(xié)調(diào)信息可以放入“報文通信”類短報文封裝中。由于現(xiàn)有北斗短報文廣播類信息沒有類型封裝，需要新建消息類型。

2.1 遇險、緊急與安全類報警信息

北斗區(qū)域短報文和全球短報文“應(yīng)急搜救類”短報文頭中，已預(yù)留業(yè)務(wù)子類型區(qū)段。為了滿足GMDSS業(yè)務(wù)的需求，需要新增3種業(yè)務(wù)子類型，方便地面運控系統(tǒng)對所發(fā)消息進(jìn)行識別，以便確定本條消息將與GMDSS短報文服務(wù)系統(tǒng)傳遞。同時，在該類短報文業(yè)務(wù)段中，將按照業(yè)務(wù)子類型的不同分別定義不同的模式。

表1 對短報文頭新增業(yè)務(wù)子類型的定義

2.1.1報警申請

當(dāng)業(yè)務(wù)子類型為1000b時，定義為報警申請模式。短報文業(yè)務(wù)段中，船只朝向、船只速度、船舶MMSI、優(yōu)先級等信息組成GMDSS消息頭，隨后附上文本信息。短報文業(yè)務(wù)段的設(shè)計如表2。

2.1.2報警取消

當(dāng)業(yè)務(wù)子類型為1001b時，定義為報警取消模式。該模式下業(yè)務(wù)段中可以不放入任何信息。因為北斗短報文頭已經(jīng)傳遞了北斗短報文用戶識別號。

2.1.3測試報警

當(dāng)業(yè)務(wù)子類型為1011b時，定義為測試報警模式。搜救業(yè)務(wù)段中仍舊需要放入由船舶MMSI和優(yōu)先級等信息組成的GMDSS消息頭，并附上文本信息。短報文業(yè)務(wù)段的設(shè)計表3。

在條件允許的情況下，終端應(yīng)盡量使用上報自帶GNSS位置信息的方式進(jìn)行位置報告，節(jié)省北斗地面運控系統(tǒng)的資源。

2.2 位置報告類

當(dāng)主要控制中心（MCC）收到由GMDSS短報文服務(wù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的遇險信息并反饋至終端后，終端可以使用“位置報告類”的短報文進(jìn)行遇險后的位置報告。同時，正常行駛的船舶也可以通過“位置報告類”短報文的方式進(jìn)行自身位置的上報，但優(yōu)先級不同。

短報文業(yè)務(wù)段中，船只朝向、船只速度、船舶MMSI、優(yōu)先級等信息組成GMDSS消息頭，隨后附上文本信息。“位置報告”的短報文業(yè)務(wù)段的設(shè)計如表4。

表2 對報警申請模式下，短報文業(yè)務(wù)段的設(shè)計

表3 對測試報警模式下，短報文業(yè)務(wù)段的設(shè)計

表4 “位置報告類”短報文業(yè)務(wù)段的設(shè)計

2.3 一般通信類、救援協(xié)調(diào)信息

一般通信類信息中，MMSI號、優(yōu)先級、消息收方類型、消息收方號碼等信息組成GMDSS消息頭，隨后附上消息內(nèi)容。“報文通信類”短報文業(yè)務(wù)段的設(shè)計如表5。

特別的，由于全球短報文的普通通信類數(shù)據(jù)約為560 比特/條。根據(jù)容量計算，單顆衛(wèi)星的每小時上行容量約為2.8萬條/每小時，整個系統(tǒng)下行容量約為21萬條/每小時[1]，一般通信類的通信頻度將會被嚴(yán)格約束。

2.4 廣播類

廣播類消息一般用于承載海上安全信息播發(fā)。消息業(yè)務(wù)段中也需要約定GMDSS消息頭，包括消息來源、消息優(yōu)先級、生效時間、消息有效范圍的區(qū)域信息等。終端應(yīng)根據(jù)自身GNSS定位數(shù)據(jù)判斷是否處于這條廣播的有效范圍之內(nèi)再做出相應(yīng)解析。由于北斗廣播類消息沒有短報文頭，而區(qū)域短報文、全球短報文對廣播消息的處理方式略微不同，為統(tǒng)一設(shè)計，應(yīng)先將整條廣播消息組裝成一個虛擬長幀，隨后按照區(qū)域短報文和全球短報文不同的技術(shù)路線分開處理。

表5 “報文通信類”短報文業(yè)務(wù)段的設(shè)計

隨后按照區(qū)域短報文和全球短報文不同的技術(shù)路線分開處理。

2.4.1區(qū)域短報文

區(qū)域短報文需要新建一個消息類型（MsgType），用于廣播消息的播發(fā)。根據(jù)現(xiàn)有空間接口定義，區(qū)域廣播電文每幀電文用于放置業(yè)務(wù)信息的容量有限，而表6所述的虛擬長幀的容量極大概率會超過該限度。因此針對本業(yè)務(wù)，在接口設(shè)計上需要對虛擬長幀進(jìn)行切分，再依次排入?yún)^(qū)域廣播電文幀。

2.4.2全球短報文

全球短報文也需要新建消息類型。全球短報文的廣播電文由B2b導(dǎo)航電文播發(fā)[7]，目前B2b電文中對該類廣播信息已經(jīng)有預(yù)留。為了播發(fā)GMDSS消息，需要新增一個子消息類型。B2b導(dǎo)航電文每幀的電文長度為436比特[8]，用于放置業(yè)務(wù)信息。因此，同樣需要對虛擬長幀按404 比特進(jìn)行切分，再依次排入全球短報文的廣播電文幀。幀的設(shè)計如表7所示。

表6 基于區(qū)域短報文的GMDSS廣播幀設(shè)計

表7 基于全球短報文的GMDSS廣播幀設(shè)計

終端收到相應(yīng)信息后應(yīng)自行通過切片拼裝出虛擬長幀。由于區(qū)域短報文和全球短報文廣播幀容量有限，廣播信息可能無法在短時間內(nèi)送達(dá)，因此終端需要設(shè)置一個較長的幀超時時間，以便完全接收信息。

3 討論與總結(jié)

本文在較多改變現(xiàn)有北斗短報文體制的大框架之下，設(shè)計出一種兼容北斗GMDSS短報文服務(wù)系統(tǒng)與終端之間短報文接口。經(jīng)相關(guān)測試表明，接口滿足IMO和IEC的相關(guān)要求，而無需變更北斗短報文空間接口和終端模塊設(shè)計，降低了終端的研發(fā)成本和北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)加入GMDSS的改造難度。然而本接口設(shè)計未考慮相應(yīng)細(xì)節(jié)，部分功能也不成熟，只期望能起到拋磚引玉的作用。在后續(xù)工作中，研究團(tuán)隊將細(xì)化完善相應(yīng)接口，積極推動北斗短報文服務(wù)系統(tǒng)加入GMDSS，讓系統(tǒng)更好地服務(wù)于海上通信與海上交通安全事業(yè)。

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Interface design of beidou short message service system and its terminal

Li Chenhao1, Ning Bei2, Yang Congxi2, He Zehua2, 3*

(1. China Classification Society Shanghai branch, Shanghai 200135, China；2. China Transport Telecommunications and Information Center, Beijing 100011, China；3. CETC Maritime Electronics Research Institute (Ningbo) Co., Ltd, Ningbo 315040, Zhejiang, China)

TN87, U665.26

A

1003-4862（2023）02-0009-05

2022-06-29

李晨浩（1972-），男，高級工程師。研究方向：船載終端設(shè)備。E-mail: chli@ccs.org.cn

何澤驊（1990-），男，工程師。研究方向：無線電通信，衛(wèi)星導(dǎo)航，衛(wèi)星通信。E-mail: projecteurs@gmail.com