基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文服務(wù)的水上安全通信

馬甲林

【摘 要】 為實(shí)現(xiàn)海區(qū)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)全覆蓋，討論北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文服務(wù)在水上安全通信領(lǐng)域的應(yīng)用，通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文功能和北斗衛(wèi)星無線電測定（RDSS）業(yè)務(wù)為水上領(lǐng)域不同行業(yè)眾多用戶提供基于位置的信息共享、短報(bào)文信息轉(zhuǎn)發(fā)等服務(wù)。分析基于北斗短報(bào)文服務(wù)的航標(biāo)建設(shè)、虛擬航標(biāo)、水上安全信息播發(fā)、應(yīng)急救援等具體應(yīng)用，以北斗分理服務(wù)平臺(tái)為例，闡述其作為統(tǒng)一平臺(tái)的功能和優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)救援及其他服務(wù)提供便捷的途徑。

【關(guān)鍵詞】 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù);北斗分理服務(wù)平臺(tái);北斗衛(wèi)星無線電測定（RDSS）

0 引 言

為確保航行安全，在全球海域行駛的船舶需要全天候全天時(shí)的導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗系統(tǒng)”）已經(jīng)成為全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)組成部分，并獲得了面向海事應(yīng)用的國際合法地位。北斗系統(tǒng)具有短報(bào)文功能，在無公網(wǎng)覆蓋的區(qū)域更能凸顯優(yōu)勢。同時(shí)，北斗系統(tǒng)在應(yīng)急救援、港口管理、引航、海洋漁業(yè)、測繪等海上安全領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。本文重點(diǎn)討論北斗系統(tǒng)短報(bào)文服務(wù)在航標(biāo)建設(shè)、虛擬航標(biāo)、水上安全信息播發(fā)和應(yīng)急救援等水上安全通信領(lǐng)域的應(yīng)用，以北斗系統(tǒng)服務(wù)為主體，綜合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、海圖等技術(shù)，構(gòu)建規(guī)范、開放、統(tǒng)一的航海保障系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型、接口和協(xié)議，實(shí)現(xiàn)不同行業(yè)與部門之間的數(shù)據(jù)服務(wù)和共享。

1 北斗系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 衛(wèi)星無線電導(dǎo)航（RNSS）業(yè)務(wù)應(yīng)用

RNSS系統(tǒng)具有導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能。該服務(wù)可實(shí)現(xiàn)由用戶機(jī)接收衛(wèi)星無線電導(dǎo)航信號(hào)，計(jì)算用戶位置、速度及航行參數(shù)等，自主完成至少到4顆衛(wèi)星的距離測量。北斗系統(tǒng)的定位精度在亞太地區(qū)已達(dá)到5 m左右，而北斗連續(xù)運(yùn)行服務(wù)參考站（BD-CORS）系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)厘米級(jí)、事后毫米級(jí)定位，目前，大部分省、市、自治區(qū)都建設(shè)了北斗地面基站系統(tǒng)，在多個(gè)民用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如高精度約車、電子圍欄、高精度導(dǎo)航及建筑工程需要的高精度定位等。

北斗系統(tǒng)在海事領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。我國沿海幾十座無線電指向標(biāo)―差分全球定位系統(tǒng)（RBN-DGPS）臺(tái)站已升級(jí)改造為RBN-（DBDS+DGPS）播發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)與GPS雙模工作;在渤海灣、長江口及珠江口等區(qū)域建設(shè)了沿海北斗連續(xù)運(yùn)行服務(wù)參考站系統(tǒng)，從而為覆蓋區(qū)域內(nèi)的終端用戶提供高精度定位、導(dǎo)航服務(wù)，同時(shí)為海上鉆井平臺(tái)站樁定位和大流量、大密度的船舶導(dǎo)航提供有力的支持，使船舶夜航、霧航更有安全保障。

1.2 衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（RDSS）應(yīng)用

RDSS服務(wù)是通過用戶應(yīng)答，在定位的同時(shí)向外部系統(tǒng)用戶報(bào)告位置，實(shí)現(xiàn)定位功能與通信功能的集成。這也是北斗系統(tǒng)區(qū)別于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一大特色，實(shí)現(xiàn)了短報(bào)文雙向通信，以及終端之間主動(dòng)上報(bào)位置信息等功能。北斗分理服務(wù)平臺(tái)的北斗RDSS業(yè)務(wù)為不同行業(yè)眾多用戶提供基于位置的信息共享、短報(bào)文信息轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)傳送、遠(yuǎn)程測控，并提供用戶信息管理、查詢、調(diào)閱，以及指揮調(diào)度、管理、通播、組播、單播等信息增值服務(wù)。隨著北斗系統(tǒng)的深入發(fā)展和應(yīng)用，車（船）載設(shè)備、手持設(shè)備將大規(guī)模進(jìn)入民用領(lǐng)域，貼近日常生活，逐步實(shí)現(xiàn)船岸互通、手機(jī)互通。目前，各個(gè)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了基于北斗RDSS服務(wù)的多種應(yīng)用場景，包括北斗海洋漁業(yè)應(yīng)用、基于北斗系統(tǒng)的海洋監(jiān)測信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)、北斗海上搜救體系、救生信標(biāo)機(jī)、北斗船舶監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)、海上溢油跟蹤浮標(biāo)系統(tǒng)、水文北斗統(tǒng)一指揮平臺(tái)、在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)等。北斗系統(tǒng)特別適用于未被公網(wǎng)覆蓋的區(qū)域浮標(biāo)的海洋監(jiān)測、水文氣象信息采集和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等，解決了遠(yuǎn)離海岸線和島礁區(qū)域水文信息采集的難題。

2 北斗分理服務(wù)平臺(tái)應(yīng)用

北斗分理服務(wù)平臺(tái)以北斗數(shù)據(jù)為核心，接入包括船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、水文氣象等信息，結(jié)合海圖應(yīng)用，提供基于RDSS的位置服務(wù)和消息轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用。北斗分理服務(wù)平臺(tái)框架見圖1。在航海保障領(lǐng)域，北斗分理服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)本行業(yè)的協(xié)議、接口的約束和適配，通過制定統(tǒng)一、完整的框架協(xié)議實(shí)現(xiàn)與其他行業(yè)間信息的互聯(lián)互通，例如通過北斗指揮機(jī)陣列轉(zhuǎn)發(fā)手機(jī)信息等。北斗分理服務(wù)平臺(tái)在航標(biāo)建設(shè)、水上通信、應(yīng)急救援等領(lǐng)域以其獨(dú)有的短報(bào)文服務(wù)構(gòu)建面向海事領(lǐng)域的應(yīng)用平臺(tái)提供保障服務(wù)。

2.1 海事航標(biāo)建設(shè)

2.1.1 北斗航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)

航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)的應(yīng)用是航標(biāo)建設(shè)的一大亮點(diǎn)。工作人員通過遙測遙控系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)掌握當(dāng)前航標(biāo)的狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，極大提高了監(jiān)控管理效率。遙測遙控系統(tǒng)通過電信公網(wǎng)和AIS基站鏈路進(jìn)行通信，但對(duì)于公網(wǎng)和AIS基站無法覆蓋或信號(hào)較弱的區(qū)域無法正常使用遙測遙控系統(tǒng)，給航標(biāo)巡檢維護(hù)工作帶來較大的困難。北斗航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)是近年來航標(biāo)發(fā)展的新方向，具有監(jiān)控范圍大、數(shù)據(jù)可靠的優(yōu)勢，采集的航標(biāo)燈器工作電壓、工作電流、位置等信息經(jīng)過航標(biāo)上北斗遙測終端設(shè)備處理后再通過北斗系統(tǒng)傳送給監(jiān)控中心服務(wù)器。航標(biāo)主管部門通過計(jì)算機(jī)或手機(jī)客戶端可以實(shí)時(shí)監(jiān)控航標(biāo)遙測數(shù)據(jù)，航標(biāo)信息可通過電子海圖直觀顯示（見圖2）。目前我國沿海安裝有北斗遙測終端設(shè)備的航標(biāo)已有2 000多座。

2.1.2 基于北斗系統(tǒng)的虛擬航標(biāo)

目前的航標(biāo)遙測主要有以下3個(gè)問題：（1）通信鏈路受不明原因干擾造成數(shù)據(jù)傳輸中斷或者數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確;（2）通信模塊故障，而此時(shí)的航標(biāo)正常工作;（3）燈器故障和浮標(biāo)漂移。這些問題都需要及時(shí)進(jìn)行巡檢和維護(hù)。雖然未來可通過高分辨率衛(wèi)星、無人機(jī)、無人艇、過路船舶或巡邏艇以較小成本實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場狀況的觀測和掌握，但仍不能解決現(xiàn)場在惡劣環(huán)境下更換航標(biāo)難度大且維護(hù)成本高的問題。設(shè)置虛擬航標(biāo)可以在確保航標(biāo)的導(dǎo)助航效能的前提下減少航標(biāo)維護(hù)工作量，提高數(shù)據(jù)的精確度和設(shè)置的及時(shí)性，對(duì)于不能及時(shí)修復(fù)或滅失的航標(biāo)及沉船均可及時(shí)設(shè)置虛擬航標(biāo)。這不僅能有效地保障水上航行安全，而且避免了實(shí)物航標(biāo)因漂移造成位置不準(zhǔn)確的問題。綜合應(yīng)用電子海圖、航標(biāo)系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)等技術(shù)手段構(gòu)建電子航道（航線）圖，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)動(dòng)態(tài)、航行警告的實(shí)時(shí)發(fā)布和動(dòng)態(tài)顯示。

目前，虛擬航標(biāo)主要依賴于AIS系統(tǒng)，通過AIS基站進(jìn)行信息廣播，但其受限于基站覆蓋范圍，船舶在遠(yuǎn)離基站的區(qū)域航行會(huì)無法接收到虛擬航標(biāo)信息。本文提出一種基于北斗系統(tǒng)短報(bào)文服務(wù)的虛擬航標(biāo)，將虛擬航標(biāo)的信息通過北斗系統(tǒng)傳輸?shù)接脩艚K端，最終以圖形或文字消息的形式顯示在船舶導(dǎo)航終端電子海圖上。見圖3。

航標(biāo)主管部門作為唯一的數(shù)據(jù)源，虛擬航標(biāo)的調(diào)度、設(shè)置都可通過北斗系統(tǒng)傳輸給北斗船臺(tái)等終端。為保證數(shù)據(jù)的一致性，不同廠商生產(chǎn)的終端通過約定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)互通，最新頒布施行的《中華人民共和國航道法》為航標(biāo)管理提供法律依據(jù)，航標(biāo)主管部門將動(dòng)態(tài)信息推送至用戶端，保證虛擬航標(biāo)的及時(shí)性、有效性和數(shù)據(jù)一致性，實(shí)現(xiàn)船舶位置查詢、軌跡跟蹤、歷史軌跡回放、調(diào)度管理、統(tǒng)計(jì)查詢等。北斗分理服務(wù)平臺(tái)通過調(diào)用北斗系統(tǒng)TCP接口協(xié)議實(shí)現(xiàn)虛擬航標(biāo)的發(fā)布，船舶端只需要有一臺(tái)接收機(jī)即可?；诒倍废到y(tǒng)的虛擬航標(biāo)比AIS虛擬航標(biāo)具有更大的覆蓋范圍，而且不受基站限制。此外，應(yīng)用遙感技術(shù)、GIS技術(shù)、NB-IoT（基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)）等構(gòu)建三維可視航道或航線圖，效果更直觀。

2.2 水上安全信息播發(fā)

播發(fā)航行警告、搜救信息、水文氣象信息、海上安全信息對(duì)于預(yù)防和減少海上交通事故的發(fā)生有著重要的作用。北斗系統(tǒng)將有效拓寬安全信息播發(fā)覆蓋范圍和水上通信服務(wù)范圍。例如基于500 kHz的NAVDAT（海上數(shù)字廣播）數(shù)字通信系統(tǒng)，可融合相關(guān)北斗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和通道，在海上數(shù)字通信技術(shù)上開展新應(yīng)用。

越來越多的船舶已安裝有船載北斗終端和應(yīng)急示位終端，終端之間不僅可以互通信息，還能通過指揮平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通播，達(dá)到全天候不間斷監(jiān)控船舶動(dòng)態(tài)信息、禁航區(qū)自動(dòng)管控、安全信息播發(fā)，以及船舶避碰和遇險(xiǎn)緊急求救，從而構(gòu)建全方位立體綜合海事監(jiān)控系統(tǒng)。此外，還可以結(jié)合北斗系統(tǒng)鏈路傳輸AIS信息，實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)與AIS一體化應(yīng)用，消除偏遠(yuǎn)水域信息孤島，達(dá)到信息網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，保障船舶安全航行。以水文氣象、航行通（警）告等作為信息源，北斗分理服務(wù)平臺(tái)指揮機(jī)陣列作為傳輸鏈路，實(shí)現(xiàn)了借助北斗系統(tǒng)短報(bào)文通信鏈路進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)。針對(duì)不同類型的船舶，北斗分理服務(wù)平臺(tái)可以通過北斗系統(tǒng)傳輸鏈路進(jìn)行定制化的消息發(fā)布和訂閱，已實(shí)際應(yīng)用于長江口區(qū)域重點(diǎn)船舶氣象信息播發(fā)。

2.3 應(yīng)急救援

我國政府高度重視北斗系統(tǒng)在交通運(yùn)輸行業(yè)的推廣，北斗系統(tǒng)短報(bào)文功能在水上搜救領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，民用船舶配備北斗應(yīng)急遇險(xiǎn)報(bào)警設(shè)備也是交通運(yùn)輸部重點(diǎn)推進(jìn)的工作。2016年11月，《北斗應(yīng)急無線電示位標(biāo)（BD-EPIRB）性能標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)》編制完成并納入《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》。目前，北斗應(yīng)急示位標(biāo)都要經(jīng)中國船級(jí)社認(rèn)證，支持121.5 MHz波段應(yīng)急信號(hào)發(fā)送。北斗應(yīng)急示位標(biāo)通過北斗衛(wèi)星將報(bào)警信息發(fā)送給搜救中心，具有自動(dòng)釋放、可靠穩(wěn)定的優(yōu)勢。配備北斗應(yīng)急示位標(biāo)的船舶在遇險(xiǎn)時(shí)能在較短時(shí)間內(nèi)向北斗衛(wèi)星發(fā)送包含本船標(biāo)識(shí)、位置、時(shí)間等信息的報(bào)告電文，再通過北斗系統(tǒng)轉(zhuǎn)送分發(fā)至各海事局、漁政局、船舶交通管理中心（VTS）、搜救協(xié)調(diào)中心（RCC）等各級(jí)系統(tǒng)。同時(shí)，利用北斗系統(tǒng)的雙向通信功能，也可將信息反饋給北斗應(yīng)急示位標(biāo)和參與救援的船舶。北斗分理服務(wù)平臺(tái)將北斗應(yīng)急示位標(biāo)的回報(bào)地址設(shè)置為對(duì)應(yīng)的ID就可自動(dòng)接收報(bào)警和救援信息，其再將信息轉(zhuǎn)發(fā)給救援部門。這個(gè)過程既可以實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星與北斗衛(wèi)星之間的通信，也可實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星與手機(jī)間的通信。

北斗系統(tǒng)及北斗系統(tǒng)搭載遇險(xiǎn)搜救載荷已經(jīng)寫入國際搜救衛(wèi)星組織中軌搜救衛(wèi)星系統(tǒng)框架文件，這標(biāo)志著北斗系統(tǒng)向加入國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)邁出了第一步。2018年9月，第十三、第十四顆“北斗三號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射成功。這兩顆衛(wèi)星搭載了救援載荷，實(shí)現(xiàn)了救援報(bào)警信息的反向鏈路，提高了搜救遇險(xiǎn)人員的成功率。北斗系統(tǒng)位置報(bào)告業(yè)務(wù)和國際MEOSAR（中地球軌道搜救）業(yè)務(wù)在定位精度、響應(yīng)時(shí)間和服務(wù)容量等方面都具備很大的優(yōu)勢。

3 結(jié) 語

本文論述了基于北斗系統(tǒng)短報(bào)文服務(wù)的水上安全通信的應(yīng)用場景，首次提出了基于北斗系統(tǒng)的虛擬航標(biāo)概念，并介紹了北斗分理服務(wù)平臺(tái)作為統(tǒng)一平臺(tái)的功能和優(yōu)勢。該平臺(tái)是基于電子海圖（地圖）的GIS平臺(tái)，一方面具有強(qiáng)大的信息處理能力和應(yīng)用展示功能，另一方面連接北斗系統(tǒng)指揮機(jī)陣列進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)。北斗分理服務(wù)平臺(tái)作為信息的匯聚點(diǎn)和調(diào)度的發(fā)送點(diǎn)，連接了各個(gè)終端和用戶，為實(shí)現(xiàn)救援及其他服務(wù)提供了準(zhǔn)確、及時(shí)的信息來源。

北斗系統(tǒng)的RDSS功能在水上交通領(lǐng)域能夠發(fā)揮巨大作用，在海事航保、海洋漁業(yè)、遠(yuǎn)洋航行等方面都有廣泛的應(yīng)用。我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)具有廣闊的市場空間，但也面臨系統(tǒng)建設(shè)滯后、終端普及不足等問題。今后，基于短報(bào)文通信等特色優(yōu)勢的北斗系統(tǒng)應(yīng)用將得到極大發(fā)展。在航海保障領(lǐng)域，通過北斗系統(tǒng)的“服務(wù)+平臺(tái)”著力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，釋放出更加廣闊的應(yīng)用空間，融合移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海區(qū)北斗系統(tǒng)服務(wù)全覆蓋。