北斗三號短報文通信在上海海洋監測中的應用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.06.006

中圖分類號：TN967.1 文獻標志碼：B 文章編碼：1672-7274（2025）06-0016-03

Application of Beidou-3 Short Message Communication in Shanghai Marine Monitoring

PANYujia1，SUI Zeping2，CAODanxu1 （1.Shanghai Marine Monitoring and Forecasting Center， Shanghai 2ooo62， China; 2.State Grid Electric Power Research Institute/Nanjing NARI Group Co.，Ltd.，Nanjing 210o03， China）

Abstract： This article developed the Beidou-3 short messge communication protocol and communication equipment integration method based on the communication requirements of Shanghai's marine monitoring data，and conducted experimental applications at five buoy stations.According to the analysis of the operation situation， the average smoothness rate of the 5 stations has been improved by 22.37% ，achieving the expected effect.

Keywords： ocean monitoring; Beidou-3 short message; communication smoothness rate

上海地處東海之濱，長江口南岸，南部為杭州灣，海域面積10754.6平方千米[1]。上海市海洋觀測網建設以“統籌兼顧、突出重點、合理布局”為原則，在重點海域、岸段和海島觀測建設基礎設施，形成以海洋站、浮標與海床基為主體的海洋觀測體系2。目前，海洋監測站采用4G和北斗二號雙通道，受限于北斗二號短報文長度不足以及離岸站4G信號不穩定等因素，部分監測站暢通率不足以滿足監測需求。

近年來，我國北斗三號衛星系統完成組網，其短報文通信與北斗二號相比，在覆蓋范圍、通信容量、實時性、可靠性等方面有較大提升，因此在多個行業得到推廣應用。本文梳理上海海洋監測數據類型，分析其通信需求，制定了適配北斗三號短報文通信傳輸規約。基于本文設計，在部分浮標站開展試驗應用，并取得預期效果。

1上海海洋監測情況分析

1.1監測內容

上海市海洋監測預報中心在全市海域建有海洋浮標站、邊界海洋站、地波雷達站、海創基站等多種監測站類型，主要觀測包含水文、氣象、波浪、海流和水質等海洋相關要素。

當前海洋各類監測站采集數據量已達約1億條，監測站按照要素類型和觀測規范進行采集頻率約定。

1.2特性分析

相對于陸地監測，海洋監測更加復雜，所需采集監測要素更加繁多，同時面對的場景要求更加嚴格，受到環境高濕度、高鹽度、高腐蝕性[3]，以及風浪等影響，監測要素多樣、范圍廣、復雜、時空變化、技術綜合、具有要求高等特性。

海洋監測的上述特性，要求通信方式具備長期、穩定、實時、可靠工作能力并具備一定的遠程技術支持能力[4，面對海洋環境，4G網絡無法得到地面基站穩定支持，尤其面對海洋天氣多變、位置偏遠等因素，4G通信手段短缺導致海洋監測過程中數據存在缺測漏采等情況，制約了海洋監測能力提升。同時，海洋要素類型多、樣本大，數據報文長，現有北斗二號常需多包發送，時效性及穩定性均受到影響。采用北斗三號短報文通信方式能大大提高單次傳輸數據量，信號穩定性和覆蓋范圍也得以增強，同時不再受限于中心站接收端，可更好地為海洋監測助力。

1.3通信情況分析

（1）流量通道：DTU模塊通過4G網絡，將報文傳輸至平臺對應互聯網固定IP地址端口，平臺接收解析入庫。

（2）北斗二號通道：通過北斗二號將報文傳輸至地面基站，指揮機接收基站信息再轉發至平臺互聯網固定IP地址端口，平臺接收解析入庫。

1.3.1常規通信規約

常規通信報文幀的基本構成單元為字節，每一幀報文由若干字節構成，每個字節由1位起始位，8位數據位、1位停止位組成，無校驗位。

報文幀結構由5部分組成，對其傳輸流程、幀結構、控制域結構、數據域、功能碼等本文不做深入描述。該通信規約在4G信號穩定的岸基站和長江口內站運行穩定，滿足數據通信需求。

1.3.2北斗二號通信規約

上海海洋監測通信規約中因北斗二號數據傳輸短報文長度最大為36個漢字無法單報文完整傳輸，故進行了分包機制發送，規約采用無應答的方式，且不支持重發，同時要保證每包數據的完整性。

北斗二號信道運行基本穩定，但是在通信過程中也出現了一些異常情況：一是分包傳輸耗時較長，在信號異常中斷情況下，報文發送中心接收信號不完整；二是通信鏈路中由指揮機統一接收報文后再轉發至平臺接收解析，當指揮機出現異常后無法正常轉發導致丟包情況；三是采集平臺斗二號信道出現時間異常后，無法進行校時，導致數據時間錯位。

2 北斗三號短報文通信能力分析

北斗衛星導航系統覆蓋全球，使得北斗三號短報文終端可在全球范圍內通信[5]，不受地域限制，在偏遠地區、海洋、沙漠等無地面網絡覆蓋區域優勢明顯。北斗三號主要有通信獨立性、覆蓋范圍廣、實時性強、具備雙向通信能力、高可靠性、定位與通信結合、信息容量提升、應用場景豐富等特點。北斗三號相較于北斗二號，通信能力提升明顯，主要表現為覆蓋范圍更廣、定位精度更高、時鐘精度更高、信號質量更強、短報文容量更大等提升。

3 北斗三號通信方式的擴充

3.1增加北斗三號通信后的整體架構

北斗三號通信通過互聯網接入采集平臺，中心站無須再增加物理接收終端。監測站數據采集后，通過衛星鏈路將報文傳輸至北斗三號衛星，通過衛星接收平臺轉發至網絡環境，利用網絡將報文傳輸至平臺IP及端口，報文傳輸采用定制HTTPS信道。如圖1所示。

3.2基于北斗三號短報文的通信規約優化

（1）本次使用的北斗三號通信卡為等級3，單次發送報文上限為277漢字（即485字節），為保證監測站數據報文能單包發送，減少報文分包可能出現丟報情況。海洋監測規約中完善北斗三號通信協議，對規約進行補充。北斗三號卡傳輸報文長度如表1所示。

（2）北斗三號規約部分將報文中設備型號、傳感量類型部分簡化，取消詳細描述改為序號對應區分，單包報文傳輸包含更多監測站信息，經精簡后報文均可一包完成發送。

報文幀結構由5部分組成，如表2所示。

3.3北三通信的設備安裝

3.3.1設備選型與準備

選擇適合海洋環境的北斗三號通信設備，如具備防水、耐腐蝕、抗干擾等特性的北斗三號數傳終端，采用串口有線方式與數據采集器進行連接，信號傳遞更加穩定。天線安裝位置應確保信號接收不受影響。

3.3.2浮標測站結構改造

北斗三號通信終端模塊，安裝在浮標測站的控制箱內；北斗天線端固定在標體安裝支架上，并確保天線的安裝角度和方向能夠良好地接收衛星信號，線路應采取防護措施，避免受到海水侵蝕和機械損傷。

3.3.3設備連接與調試

串口調試信號接收正常后將串口接入數據采集設備，確保連接牢固、可靠，信號傳輸穩定。同時，進行軟件配置，將浮標傳感器數據格式與北斗三號通信要求進行匹配，以便正確采集和傳輸。配置完成后，需進行調試測試。確保通信傳輸正常。

3.3.4數據傳輸與監控

接入完成后中心站查看短報文傳輸情況，確保數據的實時性和可靠性。并通過平臺檢查監測數據、設備運行狀態等，以便及時發現和解決問題。

4 北斗三號通信系統運行情況分析

海洋統一采集平臺當前采用4G流量、北斗二號及北斗三號信道三路同步運行，其中4G流量信道與北斗二號信道為互備（即流量為主，流量無法發送時切換為北斗二號），北斗三號為單路信道長期值守發送數據。

本次北斗三號信道已布設至浮標9號、浮標10號、浮標11號、長興海上觀測站、陳行海上觀測站共5個監測站。并在平臺配置對應5個北三監測站。

北斗三號通信采用互聯網網絡傳輸，無須增加物理接收終端。海洋監測站采集數據后，通過北斗三號衛星系統及上研平臺，利用互聯網將數據報文傳輸至平臺互聯網固定IP的端口，報文傳輸采用定制HTTPS接口協議。

將平臺4G流量、北斗二號與北斗三號數據來數情況對應寫庫，并對2024年9月1日—2024年10月30日實到數據情況進行統計，計算出各信道來數通信暢通率如表3所示。

通過兩月暢通率對比分析，北斗三號通道相比于4G流量、北斗二號通道來數完整情況有明顯提升，5個監測站來報暢通率平均提升 22.37% 。

5 總結與展望

5.1北三在海洋監測應用的總體成果

通過本次北斗三號短報文海洋通信研究，平臺數據的完整性大大提高，明確了北斗三號有更好的通信穩定性，數據傳輸時延較原有北斗二號大大提升，增強了數據實時性。為海洋監測數據采集提供了更好的通信傳輸鏈路選擇。在本次研究中，北斗三號通信在海洋監測方面提供了有效的科研依據，為后續北斗三號應用逐步推廣、海洋站點通信強化提供了數據支撐。

5.2不足與展望

海洋監測站數據傳輸報文因各類儀器采集間隔部分存在不一致頻率，數據傳輸仍存在分包情況，后續將繼續完善海洋監測規約，考慮數據統一編報方式，減少分包情況產生。

北斗三號具備更強的定位、遠控性能，后續應深化研究充分利用北斗三號的各項功能。本次北斗三號卡科研過程中僅為單向卡，未對遠控功能進行測試，后續雙向卡辦理開通后，可對遠控功能進行研究拓展，實現遠程采集、校參等功能。另外，本次研究方向為短報文通信傳輸研究，對定位功能沒有進行應用嘗試，后續可將定位信息作為參數一并傳輸，平臺接收解析并展示，加強海洋監測站位置動態展示和便于運維尋點。

參考文獻

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