北斗三號(hào)短報(bào)文通信在上海海洋監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.06.006

中圖分類號(hào)：TN967.1 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhǎng)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(cè)網(wǎng)建設(shè)以“統(tǒng)籌兼顧、突出重點(diǎn)、合理布局”為原則，在重點(diǎn)海域、岸段和海島觀測(cè)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，形成以海洋站、浮標(biāo)與海床基為主體的海洋觀測(cè)體系2。目前，海洋監(jiān)測(cè)站采用4G和北斗二號(hào)雙通道，受限于北斗二號(hào)短報(bào)文長(zhǎng)度不足以及離岸站4G信號(hào)不穩(wěn)定等因素，部分監(jiān)測(cè)站暢通率不足以滿足監(jiān)測(cè)需求。

近年來(lái)，我國(guó)北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)完成組網(wǎng)，其短報(bào)文通信與北斗二號(hào)相比，在覆蓋范圍、通信容量、實(shí)時(shí)性、可靠性等方面有較大提升，因此在多個(gè)行業(yè)得到推廣應(yīng)用。本文梳理上海海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型，分析其通信需求，制定了適配北斗三號(hào)短報(bào)文通信傳輸規(guī)約。基于本文設(shè)計(jì)，在部分浮標(biāo)站開(kāi)展試驗(yàn)應(yīng)用，并取得預(yù)期效果。

1上海海洋監(jiān)測(cè)情況分析

1.1監(jiān)測(cè)內(nèi)容

上海市海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心在全市海域建有海洋浮標(biāo)站、邊界海洋站、地波雷達(dá)站、海創(chuàng)基站等多種監(jiān)測(cè)站類型，主要觀測(cè)包含水文、氣象、波浪、海流和水質(zhì)等海洋相關(guān)要素。

當(dāng)前海洋各類監(jiān)測(cè)站采集數(shù)據(jù)量已達(dá)約1億條，監(jiān)測(cè)站按照要素類型和觀測(cè)規(guī)范進(jìn)行采集頻率約定。

1.2特性分析

相對(duì)于陸地監(jiān)測(cè)，海洋監(jiān)測(cè)更加復(fù)雜，所需采集監(jiān)測(cè)要素更加繁多，同時(shí)面對(duì)的場(chǎng)景要求更加嚴(yán)格，受到環(huán)境高濕度、高鹽度、高腐蝕性[3]，以及風(fēng)浪等影響，監(jiān)測(cè)要素多樣、范圍廣、復(fù)雜、時(shí)空變化、技術(shù)綜合、具有要求高等特性。

海洋監(jiān)測(cè)的上述特性，要求通信方式具備長(zhǎng)期、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、可靠工作能力并具備一定的遠(yuǎn)程技術(shù)支持能力[4，面對(duì)海洋環(huán)境，4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)法得到地面基站穩(wěn)定支持，尤其面對(duì)海洋天氣多變、位置偏遠(yuǎn)等因素，4G通信手段短缺導(dǎo)致海洋監(jiān)測(cè)過(guò)程中數(shù)據(jù)存在缺測(cè)漏采等情況，制約了海洋監(jiān)測(cè)能力提升。同時(shí)，海洋要素類型多、樣本大，數(shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)，現(xiàn)有北斗二號(hào)常需多包發(fā)送，時(shí)效性及穩(wěn)定性均受到影響。采用北斗三號(hào)短報(bào)文通信方式能大大提高單次傳輸數(shù)據(jù)量，信號(hào)穩(wěn)定性和覆蓋范圍也得以增強(qiáng)，同時(shí)不再受限于中心站接收端，可更好地為海洋監(jiān)測(cè)助力。

1.3通信情況分析

（1）流量通道：DTU模塊通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)，將報(bào)文傳輸至平臺(tái)對(duì)應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)固定IP地址端口，平臺(tái)接收解析入庫(kù)。

（2）北斗二號(hào)通道：通過(guò)北斗二號(hào)將報(bào)文傳輸至地面基站，指揮機(jī)接收基站信息再轉(zhuǎn)發(fā)至平臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)固定IP地址端口，平臺(tái)接收解析入庫(kù)。

1.3.1常規(guī)通信規(guī)約

常規(guī)通信報(bào)文幀的基本構(gòu)成單元為字節(jié)，每一幀報(bào)文由若干字節(jié)構(gòu)成，每個(gè)字節(jié)由1位起始位，8位數(shù)據(jù)位、1位停止位組成，無(wú)校驗(yàn)位。

報(bào)文幀結(jié)構(gòu)由5部分組成，對(duì)其傳輸流程、幀結(jié)構(gòu)、控制域結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)域、功能碼等本文不做深入描述。該通信規(guī)約在4G信號(hào)穩(wěn)定的岸基站和長(zhǎng)江口內(nèi)站運(yùn)行穩(wěn)定，滿足數(shù)據(jù)通信需求。

1.3.2北斗二號(hào)通信規(guī)約

上海海洋監(jiān)測(cè)通信規(guī)約中因北斗二號(hào)數(shù)據(jù)傳輸短報(bào)文長(zhǎng)度最大為36個(gè)漢字無(wú)法單報(bào)文完整傳輸，故進(jìn)行了分包機(jī)制發(fā)送，規(guī)約采用無(wú)應(yīng)答的方式，且不支持重發(fā)，同時(shí)要保證每包數(shù)據(jù)的完整性。

北斗二號(hào)信道運(yùn)行基本穩(wěn)定，但是在通信過(guò)程中也出現(xiàn)了一些異常情況：一是分包傳輸耗時(shí)較長(zhǎng)，在信號(hào)異常中斷情況下，報(bào)文發(fā)送中心接收信號(hào)不完整；二是通信鏈路中由指揮機(jī)統(tǒng)一接收?qǐng)?bào)文后再轉(zhuǎn)發(fā)至平臺(tái)接收解析，當(dāng)指揮機(jī)出現(xiàn)異常后無(wú)法正常轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)致丟包情況；三是采集平臺(tái)斗二號(hào)信道出現(xiàn)時(shí)間異常后，無(wú)法進(jìn)行校時(shí)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)時(shí)間錯(cuò)位。

2 北斗三號(hào)短報(bào)文通信能力分析

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋全球，使得北斗三號(hào)短報(bào)文終端可在全球范圍內(nèi)通信[5]，不受地域限制，在偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋、沙漠等無(wú)地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域優(yōu)勢(shì)明顯。北斗三號(hào)主要有通信獨(dú)立性、覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、具備雙向通信能力、高可靠性、定位與通信結(jié)合、信息容量提升、應(yīng)用場(chǎng)景豐富等特點(diǎn)。北斗三號(hào)相較于北斗二號(hào)，通信能力提升明顯，主要表現(xiàn)為覆蓋范圍更廣、定位精度更高、時(shí)鐘精度更高、信號(hào)質(zhì)量更強(qiáng)、短報(bào)文容量更大等提升。

3 北斗三號(hào)通信方式的擴(kuò)充

3.1增加北斗三號(hào)通信后的整體架構(gòu)

北斗三號(hào)通信通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入采集平臺(tái)，中心站無(wú)須再增加物理接收終端。監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)采集后，通過(guò)衛(wèi)星鏈路將報(bào)文傳輸至北斗三號(hào)衛(wèi)星，通過(guò)衛(wèi)星接收平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，利用網(wǎng)絡(luò)將報(bào)文傳輸至平臺(tái)IP及端口，報(bào)文傳輸采用定制HTTPS信道。如圖1所示。

3.2基于北斗三號(hào)短報(bào)文的通信規(guī)約優(yōu)化

（1）本次使用的北斗三號(hào)通信卡為等級(jí)3，單次發(fā)送報(bào)文上限為277漢字（即485字節(jié)），為保證監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)報(bào)文能單包發(fā)送，減少報(bào)文分包可能出現(xiàn)丟報(bào)情況。海洋監(jiān)測(cè)規(guī)約中完善北斗三號(hào)通信協(xié)議，對(duì)規(guī)約進(jìn)行補(bǔ)充。北斗三號(hào)卡傳輸報(bào)文長(zhǎng)度如表1所示。

（2）北斗三號(hào)規(guī)約部分將報(bào)文中設(shè)備型號(hào)、傳感量類型部分簡(jiǎn)化，取消詳細(xì)描述改為序號(hào)對(duì)應(yīng)區(qū)分，單包報(bào)文傳輸包含更多監(jiān)測(cè)站信息，經(jīng)精簡(jiǎn)后報(bào)文均可一包完成發(fā)送。

報(bào)文幀結(jié)構(gòu)由5部分組成，如表2所示。

3.3北三通信的設(shè)備安裝

3.3.1設(shè)備選型與準(zhǔn)備

選擇適合海洋環(huán)境的北斗三號(hào)通信設(shè)備，如具備防水、耐腐蝕、抗干擾等特性的北斗三號(hào)數(shù)傳終端，采用串口有線方式與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行連接，信號(hào)傳遞更加穩(wěn)定。天線安裝位置應(yīng)確保信號(hào)接收不受影響。

3.3.2浮標(biāo)測(cè)站結(jié)構(gòu)改造

北斗三號(hào)通信終端模塊，安裝在浮標(biāo)測(cè)站的控制箱內(nèi)；北斗天線端固定在標(biāo)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(wèi)星信號(hào)，線路應(yīng)采取防護(hù)措施，避免受到海水侵蝕和機(jī)械損傷。

3.3.3設(shè)備連接與調(diào)試

串口調(diào)試信號(hào)接收正常后將串口接入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，確保連接牢固、可靠，信號(hào)傳輸穩(wěn)定。同時(shí)，進(jìn)行軟件配置，將浮標(biāo)傳感器數(shù)據(jù)格式與北斗三號(hào)通信要求進(jìn)行匹配，以便正確采集和傳輸。配置完成后，需進(jìn)行調(diào)試測(cè)試。確保通信傳輸正常。

3.3.4數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控

接入完成后中心站查看短報(bào)文傳輸情況，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。并通過(guò)平臺(tái)檢查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。

4 北斗三號(hào)通信系統(tǒng)運(yùn)行情況分析

海洋統(tǒng)一采集平臺(tái)當(dāng)前采用4G流量、北斗二號(hào)及北斗三號(hào)信道三路同步運(yùn)行，其中4G流量信道與北斗二號(hào)信道為互備（即流量為主，流量無(wú)法發(fā)送時(shí)切換為北斗二號(hào)），北斗三號(hào)為單路信道長(zhǎng)期值守發(fā)送數(shù)據(jù)。

本次北斗三號(hào)信道已布設(shè)至浮標(biāo)9號(hào)、浮標(biāo)10號(hào)、浮標(biāo)11號(hào)、長(zhǎng)興海上觀測(cè)站、陳行海上觀測(cè)站共5個(gè)監(jiān)測(cè)站。并在平臺(tái)配置對(duì)應(yīng)5個(gè)北三監(jiān)測(cè)站。

北斗三號(hào)通信采用互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，無(wú)須增加物理接收終端。海洋監(jiān)測(cè)站采集數(shù)據(jù)后，通過(guò)北斗三號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)及上研平臺(tái)，利用互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸至平臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)固定IP的端口，報(bào)文傳輸采用定制HTTPS接口協(xié)議。

將平臺(tái)4G流量、北斗二號(hào)與北斗三號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)數(shù)情況對(duì)應(yīng)寫庫(kù)，并對(duì)2024年9月1日—2024年10月30日實(shí)到數(shù)據(jù)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出各信道來(lái)數(shù)通信暢通率如表3所示。

通過(guò)兩月暢通率對(duì)比分析，北斗三號(hào)通道相比于4G流量、北斗二號(hào)通道來(lái)數(shù)完整情況有明顯提升，5個(gè)監(jiān)測(cè)站來(lái)報(bào)暢通率平均提升 22.37% 。

5 總結(jié)與展望

5.1北三在海洋監(jiān)測(cè)應(yīng)用的總體成果

通過(guò)本次北斗三號(hào)短報(bào)文海洋通信研究，平臺(tái)數(shù)據(jù)的完整性大大提高，明確了北斗三號(hào)有更好的通信穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延較原有北斗二號(hào)大大提升，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。為海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(hào)通信在海洋監(jiān)測(cè)方面提供了有效的科研依據(jù)，為后續(xù)北斗三號(hào)應(yīng)用逐步推廣、海洋站點(diǎn)通信強(qiáng)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

5.2不足與展望

海洋監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)傳輸報(bào)文因各類儀器采集間隔部分存在不一致頻率，數(shù)據(jù)傳輸仍存在分包情況，后續(xù)將繼續(xù)完善海洋監(jiān)測(cè)規(guī)約，考慮數(shù)據(jù)統(tǒng)一編報(bào)方式，減少分包情況產(chǎn)生。

北斗三號(hào)具備更強(qiáng)的定位、遠(yuǎn)控性能，后續(xù)應(yīng)深化研究充分利用北斗三號(hào)的各項(xiàng)功能。本次北斗三號(hào)卡科研過(guò)程中僅為單向卡，未對(duì)遠(yuǎn)控功能進(jìn)行測(cè)試，后續(xù)雙向卡辦理開(kāi)通后，可對(duì)遠(yuǎn)控功能進(jìn)行研究拓展，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集、校參等功能。另外，本次研究方向?yàn)槎虉?bào)文通信傳輸研究，對(duì)定位功能沒(méi)有進(jìn)行應(yīng)用嘗試，后續(xù)可將定位信息作為參數(shù)一并傳輸，平臺(tái)接收解析并展示，加強(qiáng)海洋監(jiān)測(cè)站位置動(dòng)態(tài)展示和便于運(yùn)維尋點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]伊國(guó)杰.上海市海洋災(zāi)害及其預(yù)防對(duì)策的思考[J].中國(guó)防汛抗旱，2024（1）：1-6.

[2]王軍，張呈，貝竹園.關(guān)于上海海洋防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)的思考[J].海洋開(kāi)發(fā)與管理，2020，37（4）：23-28.

[3]武永鋒，何曉勇，陳勇軍.浮式平臺(tái)一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案集成[J].船舶與海洋工程，2023，39（1）：71-75.

[4]孫杰，胡建平.海洋監(jiān)測(cè)自主通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[C].第十六屆衛(wèi)星通信學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2020.

[5]李平，王璐，聶欣，等.“北斗”短報(bào)文通信現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國(guó)航天，2024（5）：44-49.

[6]郭廣濤，熊啟龍.北斗三號(hào)短報(bào)文在水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].水利信息化，2024（4）：66-70.