基于北斗星間鏈路及短報文的海上安全信息播發方案設計*

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（Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS）用于海上安全信息播發的主要方式包括國際航行警告（NAVTEX）業務和國際增強性群呼（Enhanced Group Call，EGC）業務[1]。根據國際海事組織（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向沒有NAVTEX覆蓋的海域提供EGC業務。這些海上安全信息播發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場景下，具有一定的局限性。

2020年底，北斗衛星導航系統（以下簡稱北斗系統）完成全球系統部署，除提供公益性的北斗短報文通信服務外，還具備基于星間鏈路的北斗國際搜救返向鏈路功能，可實現近海和遠海區域的信息播發。2022年11月，北斗系統加入全球衛星搜救系統（COSPAS-SARSAT）的技術審核工作全部完成，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星組織空間設備提供國[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系統（BDMSS）用于GMDSS。北斗三號系統憑借著北斗國際搜救和短報文通信特色服務，進一步提升了全球范圍內的人命財產安全保障和救援能力。

本文通過分析海上安全信息播發業務場景，研究北斗星間鏈路及短報文通信技術原理，設計海上安全信息播發方案，旨在利用北斗系統可用的通信手段，面向全球海事用戶提供新的海上安全信息播發手段，更好地保障船舶航行安全。

二、海上安全信息播發業務場景分析

根據經修正的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、氣象預報和其他與安全有關的緊急信息，搜救相關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信息。參照GMDSS海上安全信息服務的信息類別，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業務場景進行分析。

（一）航警信息播發業務

航警信息是指特定海域內已經或將要發生的可能影響航行和作業安全的信息，通常由海事主管機關或者其授權的機關通過無線電報、無線電話等形式，向特定區域內船舶公開發布。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，國內已形成相對完善的航警信息播發業務服務體系[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國內航警信息。

（二）氣象信息播發業務

氣象信息播發業務是指為從事貨物運輸、海洋工程和漁業生產等的海上船舶提供氣象警告、氣象預報和氣象觀測等信息的一項重要服務，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致的安全事故，支撐海上用戶更好地進行生產和經營。

目前，國內已經形成了較為完善的氣象信息播發業務服務體系，覆蓋全國海域，并且可采用衛星通信、無線電通信、互聯網等多種方式進行播發。不足之處是在一些海外地區，國內的氣象信息播發業務服務覆蓋范圍有限，難以保障中國遠洋船舶及時獲取國內播發的氣象信息。

（三）搜救信息播發業務

搜救信息播發業務是指搜救機構接收到船舶發出的遇險報警后，通過可用的海上通信手段，將遇險船舶信息或搜救協調通信信息及時播發至指定海域或船舶，協調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。

搜救信息播發除了要求播發時效性高、播發范圍廣外，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、處理和播發體系，以確保信息能夠及時、準確播發。

三、北斗星間鏈路及短報文通信技術

相較于其他海上安全信息播發手段，北斗系統的國際搜救返向鏈路和短報文通信技術有覆蓋范圍廣、傳輸速度快和使用成本低等優點，應用于海上安全信息播發的優勢明顯。

（一）北斗三號系統服務簡介

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

1.GEO衛星

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

2.MEO衛星

MEO衛星繞地球旋轉運行，通過多顆衛星組網實現全球覆蓋，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，負責北斗全球短報文通信信息的收發。

3.IGSO衛星

IGSO衛星和GEO衛星處于同一高度，主要面向區域用戶提供定位導航授時、全球短報文通信和國際搜救三項服務，負責信息的播發。

（二）北斗星間鏈路通信技術

北斗星間鏈路是指北斗衛星之間的無線鏈路，可用于北斗衛星的信息傳輸、測距和測控等，為北斗三號系統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的特色功能服務，有諸多優點，包括降低對地面運控系統的依賴性、實現遠距離信息傳輸、提升系統可靠性等。

國際搜救衛星組織于2016年12月發布第二代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，以導航電文方式向信標提供返向鏈路消息（Return Link Message，RLM）播發服務，為遇險人員提供雙向報警確認和位置服務，如營救正在進行的確認，甚至可以通過返向鏈路發送自定義消息[4]。北斗系統已經具備返向鏈路的播發能力，面向全球用戶提供符合國際搜救衛星組織相關標準要求的遇險搜救請求確認服務，并可以額外播發自定義文本信息。

北斗國際搜救返向鏈路通信服務主要由空間段的北斗MEO衛星、地面段的現有地面網絡、北斗中軌搜救地面支持系統和北斗三號運控系統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通過接收中國搜救衛星系統任務控制中心發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衛星，再利用衛星的導航電文播發返向鏈路信息，告知遇險者報警確認信息和自定義信息，形成基于北斗系統的雙向搜救信息交互，為海事用戶提供遠海區域通信手段，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

自2003年北斗一號系統建成以來，北斗系統就基于RDSS體制為用戶提供短報文通信服務，之后北斗二號系統繼承了這一體制和服務，將其和RNSS功能相結合，實現了雙向信息通信。北斗三號短報文在兼容RDSS體制的基礎上，精化了服務類型設計，優化了運行模式設計，極大提升了系統性能和用戶體驗。北斗三號短報文通信模式除了一對一的點播服務，還有一對多的組播、通播和廣播服務[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，北斗用戶可通過發送建組請求獲得臨時組播號，并向該組播號發送短報文，北斗系統自動將短報文發送給這個組播號下綁定的所有終端，在發送者和每一接收者之間實現點對多點網絡連接。

2.通播通信模式

通播是指用戶向指定通播號發送短報文，北斗系統將短報文播發到與通播號綁定的北斗卡號對應的用戶終端的過程。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限的系統播發，且網段內可綁定的終端數量更大。

3.廣播通信模式

廣播是指用戶向北斗系統發送短報文，北斗系統自動將短報文廣播到指定區域內的所有終端，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方案設計

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，圍繞海上安全信息播發業務，研究設計自主可控、低成本、廣覆蓋的海上安全信息播發方案。

（一）總體架構設計

依托已有的北斗中軌搜救地面支持系統和北斗報文服務系統建設海上安全信息播發系統，可融合北斗國際搜救返向鏈路及北斗短報文通信技術，實現近海和遠海區域海上安全信息播發。當播發區域為近海時，應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；當播發區域為遠海時，應將北斗國際搜救返向鏈路作為主用鏈路。具體播發總體架構如圖3所示。

圖3 海上安全信息播發方案架構

（二）播發參數設計

播發參數包括服務類型、信息類型、播發優先級、播發區域、播發計劃和播發途徑，海上安全信息提供方可根據需要配置參數，完成海上安全信息播發。其中，除播發計劃由海上安全信息提供方根據實際業務自主選擇外，本文針對不同服務類型設計了可對應匹配的其他播發參數。

1.服務類型

分析海上安全信息播發業務場景，可將海上安全信息播發業務的服務類型分為航警信息播發、氣象信息播發和搜救信息播發三類。

2.信息類型

根據業務需求，海上安全信息播發業務的信息類型通常可分為航行警告、氣象警告/預報、沿岸航行警告和全域播發等。

3.播發優先級

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

4.播發區域

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

5.播發計劃

播發計劃參數包括計劃類型（計劃或非計劃播發）、播發開始時間、播發間隔、重復播發次數、回聲等。

6.播發途徑

播發途徑參數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）播發方案設計

分析航警信息、氣象信息和搜救信息播發業務場景，不同類型的播發服務需匹配相應的信息類型、播發優先級和可選的播發區域，具體播發方案見表1。根據業務需要，播發方需自主選擇相應的播發計劃，為了強化船舶對于非計劃性播發的接收效果，非計劃性播發一般在首次播發6 min后安排重播，根據需要還可以在首次播發后按照設定的周期進行重復播發，直至信息播發方取消報文的播發為止。系統將根據播發方選擇的播發區域自動匹配播發途徑，完成指定的海上安全信息播發任務。

表1 海上安全信息播發方案匹配表

1.航警信息播發

航警信息播發服務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。考慮到海上環境復雜多變，存在許多不確定性的因素，容易導致航行事故，包括碰撞、擱淺和觸礁等。通過向矩形區域、圓形區域、NAVAREA或沿岸警告區域的船載終端播發航行警告和其他航行信息，可以輔助船舶合理規劃航線，從而保障航行安全。考慮到航警信息的播發主要以預防為主，因此優先級默認為安全，可由信息提供方酌情選擇緊急優先級。

2.氣象信息播發

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

3.搜救信息播發

搜救信息播發服務的信息類型主要包括遇險報警轉發、搜救協調信息、岸到船緊急與安全信息和全域播發。岸上搜救機構收到遇險報警信息時，可以向指定區域內的船載終端發送遇險報警轉發、搜救協調信息和其他緊急與安全信息，以指導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先級，同時可以選擇圓形和矩形等播發區域。

五、結束語

總體而言，海上安全信息播發的實現，需要建立完善的信息采集、處理和播發體系，并針對不同的業務場景采用不同的播發方案。在實際應用中，應根據業務場景需求和緊迫程度，選用對應合理的服務類型、播發手段和符合匹配機制的播發參數，完成海上安全信息播發，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等領域的廣泛應用，北斗系統將為海上安全和經濟發展提供更加全面和可靠的支持。