基于北斗星間鏈路及短報文的海上安全信息播發(fā)方案設(shè)計*

楊淙喜 翁艷云 高 雅 朱佳榮 粟 清 劉金丹

一、引言

目前，全球海上遇險和安全系統(tǒng)（Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS）用于海上安全信息播發(fā)的主要方式包括國際航行警告（NAVTEX）業(yè)務(wù)和國際增強性群呼（Enhanced Group Call，EGC）業(yè)務(wù)[1]。根據(jù)國際海事組織（IMO）的建議，所有處于NAVTEX覆蓋范圍之外的船舶，需要具備接收EGC信息的能力，同時建議沿岸國的海事主管機關(guān)向沒有NAVTEX覆蓋的海域提供EGC業(yè)務(wù)。這些海上安全信息播發(fā)手段存在自主可控性差、覆蓋范圍有限、易受干擾等問題，在實際的海上安全信息播發(fā)場景下，具有一定的局限性。

2020年底，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）完成全球系統(tǒng)部署，除提供公益性的北斗短報文通信服務(wù)外，還具備基于星間鏈路的北斗國際搜救返向鏈路功能，可實現(xiàn)近海和遠海區(qū)域的信息播發(fā)。2022年11月，北斗系統(tǒng)加入全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COSPAS-SARSAT）的技術(shù)審核工作全部完成，我國同美、法、俄、加簽署合作意向聲明，標志著我國成為國際搜救衛(wèi)星組織空間設(shè)備提供國[2]。2022年11月，IMO海上安全委員會（MSC）第106屆會議認可北斗報文服務(wù)系統(tǒng)（BDMSS）用于GMDSS。北斗三號系統(tǒng)憑借著北斗國際搜救和短報文通信特色服務(wù)，進一步提升了全球范圍內(nèi)的人命財產(chǎn)安全保障和救援能力。

本文通過分析海上安全信息播發(fā)業(yè)務(wù)場景，研究北斗星間鏈路及短報文通信技術(shù)原理，設(shè)計海上安全信息播發(fā)方案，旨在利用北斗系統(tǒng)可用的通信手段，面向全球海事用戶提供新的海上安全信息播發(fā)手段，更好地保障船舶航行安全。

二、海上安全信息播發(fā)業(yè)務(wù)場景分析

根據(jù)經(jīng)修正的IMO A.705（17）決議，海上安全信息是指向船舶廣播的航行警告、氣象警告、氣象預(yù)報和其他與安全有關(guān)的緊急信息，搜救相關(guān)信息是指向船舶廣播的遇險報警中繼和其他緊急搜救相關(guān)信息。參照GMDSS海上安全信息服務(wù)的信息類別，本文重點針對航警信息、氣象信息和搜救信息這三類海上安全信息播發(fā)業(yè)務(wù)場景進行分析。

（一）航警信息播發(fā)業(yè)務(wù)

航警信息是指特定海域內(nèi)已經(jīng)或?qū)⒁l(fā)生的可能影響航行和作業(yè)安全的信息，通常由海事主管機關(guān)或者其授權(quán)的機關(guān)通過無線電報、無線電話等形式，向特定區(qū)域內(nèi)船舶公開發(fā)布。船員收到航警信息后將及時修改海圖，以保障船舶航行安全。

目前，國內(nèi)已形成相對完善的航警信息播發(fā)業(yè)務(wù)服務(wù)體系[3]，但當船舶處于遠海海域時，受限于海岸電臺的覆蓋范圍，不能及時向船舶播發(fā)國內(nèi)航警信息。

（二）氣象信息播發(fā)業(yè)務(wù)

氣象信息播發(fā)業(yè)務(wù)是指為從事貨物運輸、海洋工程和漁業(yè)生產(chǎn)等的海上船舶提供氣象警告、氣象預(yù)報和氣象觀測等信息的一項重要服務(wù)，可以幫助船舶和其他海上活動參與者更好地了解海洋天氣情況，提前做好防范準備，減少因天氣突變而導(dǎo)致的安全事故，支撐海上用戶更好地進行生產(chǎn)和經(jīng)營。

目前，國內(nèi)已經(jīng)形成了較為完善的氣象信息播發(fā)業(yè)務(wù)服務(wù)體系，覆蓋全國海域，并且可采用衛(wèi)星通信、無線電通信、互聯(lián)網(wǎng)等多種方式進行播發(fā)。不足之處是在一些海外地區(qū)，國內(nèi)的氣象信息播發(fā)業(yè)務(wù)服務(wù)覆蓋范圍有限，難以保障中國遠洋船舶及時獲取國內(nèi)播發(fā)的氣象信息。

（三）搜救信息播發(fā)業(yè)務(wù)

搜救信息播發(fā)業(yè)務(wù)是指搜救機構(gòu)接收到船舶發(fā)出的遇險報警后，通過可用的海上通信手段，將遇險船舶信息或搜救協(xié)調(diào)通信信息及時播發(fā)至指定海域或船舶，協(xié)調(diào)遇險位置附近的船舶注意避讓，或組織附近搜救力量開展現(xiàn)場搜尋救助，在保障海上航行安全的同時提高海上遇險搜救效率。

搜救信息播發(fā)除了要求播發(fā)時效性高、播發(fā)范圍廣外，還需要保證信息的準確性和及時性，因此需要建立完善的搜救信息采集、處理和播發(fā)體系，以確保信息能夠及時、準確播發(fā)。

三、北斗星間鏈路及短報文通信技術(shù)

相較于其他海上安全信息播發(fā)手段，北斗系統(tǒng)的國際搜救返向鏈路和短報文通信技術(shù)有覆蓋范圍廣、傳輸速度快和使用成本低等優(yōu)點，應(yīng)用于海上安全信息播發(fā)的優(yōu)勢明顯。

（一）北斗三號系統(tǒng)服務(wù)簡介

北斗三號系統(tǒng)空間星座包括3顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和24顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星，與地面段處理系統(tǒng)和用戶段終端設(shè)備共同向用戶提供服務(wù)。

1.GEO衛(wèi)星

GEO衛(wèi)星相對地球靜止，單星覆蓋區(qū)域較大，3顆衛(wèi)星可覆蓋亞太大部分地區(qū)，主要面向區(qū)域用戶提供衛(wèi)星無線電測定（Radio Determination Satellite System，RDSS）、衛(wèi)星無線電導(dǎo)航（Radio Navigation Satellite System，RNSS）、星基增強、區(qū)域短報文通信和星基精密單點定位五項服務(wù)，主要負責(zé)區(qū)域短報文通信信息的收發(fā)。

2.MEO衛(wèi)星

MEO衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)運行，通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)實現(xiàn)全球覆蓋，運動速度較快，主要面向全球用戶提供RNSS、全球短報文通信和國際搜救三項服務(wù)，負責(zé)北斗全球短報文通信信息的收發(fā)。

3.IGSO衛(wèi)星

IGSO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星處于同一高度，主要面向區(qū)域用戶提供定位導(dǎo)航授時、全球短報文通信和國際搜救三項服務(wù)，負責(zé)信息的播發(fā)。

（二）北斗星間鏈路通信技術(shù)

北斗星間鏈路是指北斗衛(wèi)星之間的無線鏈路，可用于北斗衛(wèi)星的信息傳輸、測距和測控等，為北斗三號系統(tǒng)自主運行起到重要支撐作用。北斗星間鏈路是北斗三號系統(tǒng)的特色功能服務(wù)，有諸多優(yōu)點，包括降低對地面運控系統(tǒng)的依賴性、實現(xiàn)遠距離信息傳輸、提升系統(tǒng)可靠性等。

國際搜救衛(wèi)星組織于2016年12月發(fā)布第二代406 MHz搜救信標標準，要求信標支持報警確認及報警取消功能，即通過返向鏈路處理系統(tǒng)，以導(dǎo)航電文方式向信標提供返向鏈路消息（Return Link Message，RLM）播發(fā)服務(wù)，為遇險人員提供雙向報警確認和位置服務(wù)，如營救正在進行的確認，甚至可以通過返向鏈路發(fā)送自定義消息[4]。北斗系統(tǒng)已經(jīng)具備返向鏈路的播發(fā)能力，面向全球用戶提供符合國際搜救衛(wèi)星組織相關(guān)標準要求的遇險搜救請求確認服務(wù)，并可以額外播發(fā)自定義文本信息。

北斗國際搜救返向鏈路通信服務(wù)主要由空間段的北斗MEO衛(wèi)星、地面段的現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)、北斗中軌搜救地面支持系統(tǒng)和北斗三號運控系統(tǒng)及用戶段的支持返向鏈路的406 MHz遇險信標組成[5]。具體的通信流程如圖1所示，北斗中軌搜救地面支持系統(tǒng)通過接收中國搜救衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)控制中心發(fā)來的帶有返向鏈路請求的報警信息，處理后生成實際的返向鏈路信息，然后通過北斗運控中心上注北斗衛(wèi)星，并通過星間鏈路將消息傳遞至目標上空的24顆MEO、3顆IGSO衛(wèi)星，再利用衛(wèi)星的導(dǎo)航電文播發(fā)返向鏈路信息，告知遇險者報警確認信息和自定義信息，形成基于北斗系統(tǒng)的雙向搜救信息交互，為海事用戶提供遠海區(qū)域通信手段，可有效提高搜救效率和成功率。

圖1 北斗國際搜救返向鏈路通信流程

（三）北斗短報文通信技術(shù)

自2003年北斗一號系統(tǒng)建成以來，北斗系統(tǒng)就基于RDSS體制為用戶提供短報文通信服務(wù)，之后北斗二號系統(tǒng)繼承了這一體制和服務(wù)，將其和RNSS功能相結(jié)合，實現(xiàn)了雙向信息通信。北斗三號短報文在兼容RDSS體制的基礎(chǔ)上，精化了服務(wù)類型設(shè)計，優(yōu)化了運行模式設(shè)計，極大提升了系統(tǒng)性能和用戶體驗。北斗三號短報文通信模式除了一對一的點播服務(wù)，還有一對多的組播、通播和廣播服務(wù)[6][7]，北斗三號短報文一對多通信流程如圖2所示。

圖2 北斗三號短報文一對多通信流程

1.組播通信模式

組播又稱多目標廣播、多播，北斗用戶可通過發(fā)送建組請求獲得臨時組播號，并向該組播號發(fā)送短報文，北斗系統(tǒng)自動將短報文發(fā)送給這個組播號下綁定的所有終端，在發(fā)送者和每一接收者之間實現(xiàn)點對多點網(wǎng)絡(luò)連接。

2.通播通信模式

通播是指用戶向指定通播號發(fā)送短報文，北斗系統(tǒng)將短報文播發(fā)到與通播號綁定的北斗卡號對應(yīng)的用戶終端的過程。通播通信的特點是信息傳輸范圍廣泛，但由于需要播發(fā)到所有用戶終端，因此傳輸速度相對較慢。相比組播的可臨時建組，通播需通過指揮型終端或具有權(quán)限的系統(tǒng)播發(fā)，且網(wǎng)段內(nèi)可綁定的終端數(shù)量更大。

3.廣播通信模式

廣播是指用戶向北斗系統(tǒng)發(fā)送短報文，北斗系統(tǒng)自動將短報文廣播到指定區(qū)域內(nèi)的所有終端，無須指定接收方。廣播和通播的相同之處是信息傳輸范圍廣泛、速度較慢，不同之處在于單次播發(fā)長度較短。

四、基于北斗星間鏈路及短報文的海上安全信息播發(fā)方案設(shè)計

本文采用基于星間鏈路的北斗國際搜救返向鏈路及短報文通信技術(shù)，圍繞海上安全信息播發(fā)業(yè)務(wù)，研究設(shè)計自主可控、低成本、廣覆蓋的海上安全信息播發(fā)方案。

（一）總體架構(gòu)設(shè)計

依托已有的北斗中軌搜救地面支持系統(tǒng)和北斗報文服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)海上安全信息播發(fā)系統(tǒng)，可融合北斗國際搜救返向鏈路及北斗短報文通信技術(shù)，實現(xiàn)近海和遠海區(qū)域海上安全信息播發(fā)。當播發(fā)區(qū)域為近海時，應(yīng)將北斗短報文作為主用鏈路，將北斗國際搜救返向鏈路作為備用鏈路；當播發(fā)區(qū)域為遠海時，應(yīng)將北斗國際搜救返向鏈路作為主用鏈路。具體播發(fā)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 海上安全信息播發(fā)方案架構(gòu)

（二）播發(fā)參數(shù)設(shè)計

播發(fā)參數(shù)包括服務(wù)類型、信息類型、播發(fā)優(yōu)先級、播發(fā)區(qū)域、播發(fā)計劃和播發(fā)途徑，海上安全信息提供方可根據(jù)需要配置參數(shù)，完成海上安全信息播發(fā)。其中，除播發(fā)計劃由海上安全信息提供方根據(jù)實際業(yè)務(wù)自主選擇外，本文針對不同服務(wù)類型設(shè)計了可對應(yīng)匹配的其他播發(fā)參數(shù)。

1.服務(wù)類型

分析海上安全信息播發(fā)業(yè)務(wù)場景，可將海上安全信息播發(fā)業(yè)務(wù)的服務(wù)類型分為航警信息播發(fā)、氣象信息播發(fā)和搜救信息播發(fā)三類。

2.信息類型

根據(jù)業(yè)務(wù)需求，海上安全信息播發(fā)業(yè)務(wù)的信息類型通常可分為航行警告、氣象警告/預(yù)報、沿岸航行警告和全域播發(fā)等。

3.播發(fā)優(yōu)先級

海上安全信息播發(fā)的優(yōu)先級由高到低可劃分為遇險、緊急和安全3個等級，等級高的信息將優(yōu)先搶占信息通道被播發(fā)。

4.播發(fā)區(qū)域

海上安全信息提供方選擇指定的服務(wù)類型和信息類型后，只能選擇相應(yīng)的播發(fā)區(qū)域，包括矩形區(qū)域、圓形區(qū)域、航行警告區(qū)域（NAVAREA）、氣象警告區(qū)域（METAREA）和沿岸警告區(qū)域。

5.播發(fā)計劃

播發(fā)計劃參數(shù)包括計劃類型（計劃或非計劃播發(fā)）、播發(fā)開始時間、播發(fā)間隔、重復(fù)播發(fā)次數(shù)、回聲等。

6.播發(fā)途徑

播發(fā)途徑參數(shù)包括北斗國際搜救返向鏈路和北斗短報文，其中北斗短報文包括組播、通播和廣播3種模式。

（三）播發(fā)方案設(shè)計

分析航警信息、氣象信息和搜救信息播發(fā)業(yè)務(wù)場景，不同類型的播發(fā)服務(wù)需匹配相應(yīng)的信息類型、播發(fā)優(yōu)先級和可選的播發(fā)區(qū)域，具體播發(fā)方案見表1。根據(jù)業(yè)務(wù)需要，播發(fā)方需自主選擇相應(yīng)的播發(fā)計劃，為了強化船舶對于非計劃性播發(fā)的接收效果，非計劃性播發(fā)一般在首次播發(fā)6 min后安排重播，根據(jù)需要還可以在首次播發(fā)后按照設(shè)定的周期進行重復(fù)播發(fā)，直至信息播發(fā)方取消報文的播發(fā)為止。系統(tǒng)將根據(jù)播發(fā)方選擇的播發(fā)區(qū)域自動匹配播發(fā)途徑，完成指定的海上安全信息播發(fā)任務(wù)。

表1 海上安全信息播發(fā)方案匹配表

1.航警信息播發(fā)

航警信息播發(fā)服務(wù)的信息類型主要包括航行警告、沿岸航行警告和其他航行信息。考慮到海上環(huán)境復(fù)雜多變，存在許多不確定性的因素，容易導(dǎo)致航行事故，包括碰撞、擱淺和觸礁等。通過向矩形區(qū)域、圓形區(qū)域、NAVAREA或沿岸警告區(qū)域的船載終端播發(fā)航行警告和其他航行信息，可以輔助船舶合理規(guī)劃航線，從而保障航行安全。考慮到航警信息的播發(fā)主要以預(yù)防為主，因此優(yōu)先級默認為安全，可由信息提供方酌情選擇緊急優(yōu)先級。

2.氣象信息播發(fā)

氣象信息播發(fā)服務(wù)的信息類型主要包括氣象警告/預(yù)報、沿岸氣象警告/預(yù)報、颶風(fēng)警告（蒲福風(fēng)力達到12級以上）和其他氣象信息。根據(jù)不同類型信息對于航行安全的威脅程度需默認匹配播發(fā)優(yōu)先級，根據(jù)不同信息類型的播發(fā)特點需匹配對應(yīng)的播發(fā)區(qū)域類型，便于將氣象信息及時、有效地播發(fā)至特定區(qū)域的船舶，以便船舶根據(jù)接收到的氣象信息及時采取相應(yīng)的措施，避免船舶在惡劣的天氣條件下發(fā)生意外事故。

3.搜救信息播發(fā)

搜救信息播發(fā)服務(wù)的信息類型主要包括遇險報警轉(zhuǎn)發(fā)、搜救協(xié)調(diào)信息、岸到船緊急與安全信息和全域播發(fā)。岸上搜救機構(gòu)收到遇險報警信息時，可以向指定區(qū)域內(nèi)的船載終端發(fā)送遇險報警轉(zhuǎn)發(fā)、搜救協(xié)調(diào)信息和其他緊急與安全信息，以指導(dǎo)附近船舶進行避讓或開展搜救行動。考慮到實際的搜救行動中，需要盡可能實現(xiàn)搜救人員和遇險者雙方的通信暢通，因此需匹配更高的遇險或緊急優(yōu)先級，同時可以選擇圓形和矩形等播發(fā)區(qū)域。

五、結(jié)束語

總體而言，海上安全信息播發(fā)的實現(xiàn)，需要建立完善的信息采集、處理和播發(fā)體系，并針對不同的業(yè)務(wù)場景采用不同的播發(fā)方案。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)場景需求和緊迫程度，選用對應(yīng)合理的服務(wù)類型、播發(fā)手段和符合匹配機制的播發(fā)參數(shù)，完成海上安全信息播發(fā)，從而保障海上航行安全和搜救工作的有效性和及時性。未來，隨著在海上航行、氣象和搜救信息播發(fā)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，北斗系統(tǒng)將為海上安全和經(jīng)濟發(fā)展提供更加全面和可靠的支持。