北斗短报文

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北斗短报文

2024-07-17 18:01| 来源: 网络整理| 查看: 265

背景 由于北斗三号系统继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制,既能进行高精度定位测速授时,又能通过用户机与卫星之间的双向通信发送北斗短报文。北斗卫星导航系统独有的通导一体的设计,特别适用于应急搜救和海上通信等领域,北斗三号组网完成后,还具备了全球短报文通信服务和全球搜救服务,更加凸显了北斗系统在应急搜救领域的优势。随着我国北斗报文服务系统(BDMSS)加入全球海上遇险与安全系统(GMDSS)预评估的提案通过NCSR审议,再加上北斗系统通导一体的设计在遇险救援、海上通信领域上的优势,北斗短报文服务在GMDSS系统中的应用能弥补现在GMDSS系统中许多不足。在此背景下,研究北斗海上遇险通信值守及安全信息播发报文格式,可推动北斗短报文服务在GMDSS系统中应用,具有重要意义。 发展历程 北斗系统采用了RNSS和RDSS双模结构体制,不但具有GPS的导航、定位和授时功能,同时还提供RDSS双向短报文信息服务,也就是卫星通信的功能,是全球首个在定位、授时之外集报文通信为一体的卫星导航系统。 北斗短报文通信是北斗系统相较于其他三大卫星导航系统最大的区别,也是最突出的优势。由于北斗一号卫星系统在建立时,采用了有源定位的方式,需要用户发送定位请求才能进行定位。用户端与卫星之间采用的是双向通信的方式,因此用户可以通过卫星和地面站的中转向其他用户发送信息也就是北斗短报文。其主要通信流程为: (1)短报文发送方首先将包含接收方ID号和通讯内容的通讯申请信号加密后通过卫星转发入站; (2)地面中心站接收到通讯申请信号后,经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中,经卫星广播给用户; (3)接收方用户机接收出站信号,解调解密出站电文,完成一次通讯。 在2000年,最初的北斗一号卫星导航系统建成时,仅由2颗地球同步轨道卫星(GEO)提供短报文通信服务。由于卫星数量很少,加上北斗系统本身建立的目的是为了进行导航定位,用于通信的信道资源很少,仅能用来传输数据量很小的文本。加上在进行短报文通信时,要对通信内容进行包装加密处理,实际可编辑的内容只有1680bit(120个汉字)。再加上北斗一号覆盖范围小,可用北斗短报文的范围受限,北斗短报文一度被误认为是无用的功能。 2012年北斗二号系统投入使用后,由5颗地球同步轨道卫星提供区域短报文通信服务,北斗系统的覆盖范围有了很大的提高,在亚太地区都可以使用短报文进行通信。由于北斗二号系统是在兼容一号系统的同时,使用无源定位来提高定位、测速、授时的精度,因此在北斗短报文的通信容量上并没有多大的提升。但是由于北斗系统通导一体的设计十分适合应急搜救,并在几次救灾行动中表现出了其不可替代的独特优势,北斗短报文的发展应用逐渐得到了重视和关注。 随着北斗三号卫星导航系统的组网完成,北斗系统完成了全球覆盖,再加上采用了星间链路的方式进行了组网,在卫星间可以不通过地面站的中转就直接进行通信,因此在全球范围内,即使是没法建立地面站的地方,也都可以通过星间链路传至地面站来使用北斗短报文。因此,在北斗三号系统的功能中,多出了一个全球短报文的服务,可以为全球范围内的用户提供最多40个汉字、延迟1分钟的短报文通信服务。但是这只是北斗短报文发展的一个方面,北斗三号系统的建成给北斗短报文带来的最大的影响,就是容量的提升。北斗三号组网完成后,北斗区域短报文的容量扩大到了原来的8倍多,从最多可以传120个汉字变成了最多可以传1000个汉字。这一变化给北斗短报文带来了质的提升,让北斗短报文在亚太地区可传输的信息量大幅提升,更让北斗短报文在应用层面的发展道路得到了很大的拓宽。 北斗短报文用于遇险报警业务的使用方案

遇险报警业务的主要流程是:

(1)遇险船由船长批准后发送遇险报警,收到通过数字选择呼叫(Digital Selective Calling,DSC)发来的报警信号的所有电台,应立即停止可能干扰遇险呼叫的任何发射,并应继续值守直至呼叫被确认收妥。

(2)由海岸电台或救助协调中心(Rescue Coordination Center,RCC)(特殊情况可以由附近的船只与海岸电台和救助协调中心沟通确认后)遇险收妥,然后根据遇险类型和具体情况,制度救援方案,包括救援指挥、救援单位和救援通信的方式。

(3)在执行救援行动时,该海区的其他船舶,如果不被要求参加救助,应该在有关遇险安全通信频率的信道上守听,便于及时提供各种可能的帮助,在收到表示可以恢复正常工作的通知前,所有未参与遇险通信的电台均应禁止在正进行遇险通信的频率上发送。如果可以确保随时根据需要和指挥进行救援行动的,可在不干扰通信的情况下进行本船通信。

(4)救援行动结束后,由海岸电台、救助协调中心、救援单位或者遇险船在用于遇险通信的无线电话和窄带直接印字电报上发送遇险通信结束通告,恢复正常的通信。

(5)若有船舶因为仪器故障、操作不当等原因造成误报警,应在第一时间关闭无线电设备并重新打开,在对应误报警通信频率的遇险安全通信频率上发送误报警说明。 北斗加入GMDSS系统能给遇险报警业务带来很多便利。由于一个北斗短报文的用户机可以由多个指挥机进行控制,所以可以在管理不同区域的救助协调中心和海岸电台都放入指挥机,在船上放入用户机并加入救助协调中心和海岸电台的指挥机的管辖范围,这样船舶无论行驶到哪个区域,都能通过救助协调中心和海岸电台对该区域的遇险呼叫、遇险收妥和误报警信息进行发送和接收,并且在亚太地区,还能利用指挥机的群播功能建立遇险通信。

在遇险船进行遇险呼叫时,可以在原有的基础上添加北斗短报文的遇险呼叫方式,北斗系统通导一体的设计能让遇险船在进行呼叫时导入比较准确的定位,通过北斗短报文将遇险性质、遇险位置、后续通信方式发送到救助协调中心的指挥机上。由于指挥机能够查询下属用户机的位置,救助协调中心在收到遇险呼叫类型的短报文后,确认具有有效信息并核实遇险情况,如果均属实可以根据遇险情况和各船舶位置将短报文选择性的转发给遇险船附近的船舶和海岸电台。如果当遇险船舶自己不能发送遇险报警时,非遇险船舶可以主动代发遇险报警短报文给救助协调中心。遇险船使用北斗短报文发送遇险呼叫时一次重复发送5个遇险呼叫短报文,防止短报文丢包误码无法正确发送,如果发送遇险呼叫短报文5分钟内没有收到遇险收妥,可以再次使用北斗短报文重复发送遇险呼叫。

海岸电台在收到由救助协调中心转发的遇险报警短报文后,应立即与有关的海上搜救中心进行核对,双方应确认收到了相同内容的遇险报警信息,根据遇险情况和各船舶位置选择性的用短报文向遇险船以及附近船舶发出遇险收妥,并确定后续通信的手段(后续通信方式由收到的北斗短报文遇险呼叫中的后续通信方案决定)。非遇险船舶在收到由救援协调中心转发的遇险呼叫短报文后,等待海岸电台发送遇险收妥,并在北斗终端和对应的遇险通信频率上关注后续的遇险通信信息,及时停止一切干扰遇险通信的行为并建立遇险通信,为救援行动提供支援。

在海岸电台发送遇险收妥后,就根据决定的后续通信方式建立遇险通信。后续遇险通信的方式可以选择北斗短报文(仅限亚太地区)、窄带直接印字电报或无线电话。如果后续遇险通信使用北斗短报文,则遇险通信过程中所有的短报文都应该带有遇险通信性质的标识(后定义为DISTRESS),所有船舶都将短报文发送至海岸电台由海岸电台根据需要进行单独转发或群体转发,进行现场通信时,船舶将短报文发送给海岸电台,海岸电台应转发给现场通信的所有船舶。在遇险通信结束后由海岸电台向所有相关船舶发送遇险通信结束通知。如果后续遇险通信使用窄带直接印字电报,所有电报前应至少有一个回车、一个换行信号和遇险信号“MAYDAY”。由遇险船舶建立遇险通信,并应以前向纠错(FEC)方式进行,如用自动请求重复(ARQ)方式有利时,随后可以用自动请求重复(ARQ)方式进行,现场通信应使用前向纠错(FEC)方式。遇险结束后用窄带直接印字电报发送遇险通信结束通知。如果后续通信使用无线电话,则所有相关船舶转到对应的VHF频道进行遇险通信。遇险通信结束后使用无线电话在当前频道发送遇险通信结束通知。

如果由于操作不当或者仪器故障用短报文发送了误报警信息,则应第一时间使用短报文向救援协调中心发送对误报警的说明(一次重复发送5个误报警说明短报文),避免不必要的搜救行动。同时也要用误报警上写的后续通信方式对误报警进行说明。如果有附近船舶、救援协调中心或海岸电台收到遇险呼叫后进行通信,也应立刻说明是进行了误报警,避免让其他船舶进行不必要的等待和通信限制。

在遇险报警业务中,海岸电台要负责对遇险通信全过程进行记录(包括误报警),而北斗设备能对接收的报文进行保存,并且遇险通信中的所有短报文都经由海岸电台的指挥机进行转发,因此能很便捷的对遇险通信信息进行存储,而且能对遇险情况报告和救援行动方案进行详细备案。既方便了遇险信息的记录,更能留下各种遇险情况的救援流程,便于后续的检讨和分析,在遇到类似情况后能更快更好的执行救援行动。

北斗短报文用于海上安全信息播发业务的使用方案

海上安全信息播发业务的主要流程:由信息获取机构对海上安全信息进行收集,并将信息传给各地的海事主管机构。各地的海事主管机构对海上安全信息进行收集、分类并编辑后,发送到上级海事主管机构,再由上级海事主管机构转发至各海区的信息播发部门,由信息播发部门根据信息的分类和内容进行不同方式的播发。海上安全信息的播发主要包含航行警告、气象警告、冰况报告、搜救信息、气象预报、引水业务(不包含美国)以及各类电航信息系统的更正信息等。其中航行警告、气象警告和搜救信息是不可拒收的。

海上安全信息从收集一直到转发至各海区的信息播发部门,这中间的过程基本都是在陆地上进行信息传递,虽然也可以使用北斗短报文进行传输,但由于北斗短报文的数据长度和数据类型的限制,在陆地上进行传输时还是使用网络的方式传播更为方便。因此,北斗系统加入GMDSS后,主要的应用方向应该是将海上安全信息从信息播发部门向各船舶进行播发。

北斗短报文用于海上安全信息播发业务的使用方案

考虑到北斗区域短报文和全球短报文的差异,全球短报文只能发送40个汉字容量的短报文,难以进行安全信息的发送。因此,只能用区域短报文进行海上安全信息的播发,播发范围为北斗区域短报文所覆盖的亚太地区。在亚太地区内的区域划分,采用和现有GMDSS系统一样的A1、A2、A3、A4海区标准进行划分(A1海区指至少由一个具有连续DSC报警能力的甚高频(VHF)海岸电台的无线电话所覆盖的区域;A2海区指除A1海区以外,至少有一个具有连续报警能力的中频(MF)海岸电台的无线电话所覆盖的区域;A3海区指除了A1、A2海区以外,有具有连续报警的INMARSAT静止卫星所覆盖的区域;A4海区为A1、A2、A3海区以外的区域),各信息播发部门播发范围和现在GMDSS系统的播发范围保持一致。北斗系统与GMDSS融合后,海上安全信息的播发通信模式沿用现有的通信模式,避免信息播发时出现不必要的重复播发或是存在遗漏。

A1、A2、A3海区的MSI根据区域和影响范围分别由本港区、本区NAVAREA发射台、NAVAREA协调台通过北斗短报文和NAVTEX系统(A1、A2海区)或EGC系统(A3海区)发送,A4海区的船舶自行通过HF/NBDP或北斗短报文要求有关海岸电台提供需要的MSI。具体规则为:

(1)本地的海上安全信息(MSI),只对本港区有影响的,这种海上安全信息(MSI)只在本港区内使用北斗区域短报文和VHF进行播发;

(2)沿岸的海上安全信息(MSI),只对本港区周围海域有影响,需要汇总到本区AREA所属的NAVTEX发射台通过北斗区域短报文和规定的频率(通常为518kHz)进行发布;

(3)远距离的海上安全信息(MSI),对公海有影响的海上安全信息(MSI),要汇总到NAVAREA协调国,由协调台使用北斗区域短报文和INMARSAT EGC系统定时发布。

(4)A4海区内的船舶自行通过北斗区域短报文或HF/NBDP要求有关海岸电台提供需要的海上安全信息(MSI)。

将北斗短报文播发安全信息的体系和现有的GMDSS安全信息播发体系进行融合后,使用NAVTEX系统或EGC系统发送安全信息时,发送的时间和规则依旧按照现有的方式进行。使用北斗短报文播发安全信息时,普通安全信息的发布时间也按照4小时的时间间隔进行播发,气象预告、海况预报一天两次,和NAVTEX系统的播发时间一致,带有VITAL(非常紧急的信息)和IMPORTANT(紧急的信息)标识的安全信息则在电台收到后第一时间播发。气象预报、冰况报告、气象警告、搜救信息等与船舶所在区域相关性较大的海上安全信息在发送时,根据信息的影响范围对特定区域内的船舶进行发送。NAVAREA发射台在接收到船舶发来的安全信息重发申请短报文后,根据船舶所在的位置,回复船舶所要求的安全信息。 相比较于遇险报警业务,北斗系统加入GMDSS后可以在海上安全信息播发业务中的应用虽然要少一些,但是对现有的GMDSS的海上安全信息播发业务也有一定的改善。

由于现在安全信息基本都是采用518kHz的频率进行播发,信息播发部门进行播发时需要采用分时播发的方式避免相互之间产生干扰,一般每台每隔4小时播发一次信息,每次不超过10min。这就导致,一旦在规定的播发时间内,有电台需要播发非常紧急的信息,就要中断这次播发避免对紧急信息的播发造成干扰,等到4小时后下一次广播时间才能播发安全信息。所以现在船舶如果要出航,就要在出航前8个小时打开无线电设备确保接收到所有最新的安全信息。如果使用北斗短报文进行安全信息的播发,一方面能避免像无线电那样相互之间产生干扰,不会因特殊原因终止信息的发送,仅需在出航前4小时接收北斗短报文安全信息就能获取到海上安全信息。另一方面,由于北斗设备能存储信息,所以在信息播发部门接收到海上安全信息时,可以将进行播发的信息按分类存储起来,如果有船舶未接收到上一次播发的安全信息,可以向播发部门发送短报文让播发部门将想要的安全信息单独回复。

另外,像航行警告、气象警告、搜救信息这类比较紧急、不可拒收的信息,一般要在第一时间进行播发,如果使用无线电播发,在接收到紧急的海上安全信息时,需要立即根据时间表要求正在进行播发的电台中断正在播发的内容,然后播发紧急的安全信息,避免对紧急信息造成干扰。而如果使用短报文进行播发,就不用担心同时播发其他信息带来影响。还有像气象预报、冰况报告、气象警告、搜救信息等与船舶所在区域相关性较大的海上安全信息,可以通过北斗指挥机读取各船舶的位置,向不同区域的船舶发送不同、与各船舶相关的海上安全信息,使得海上安全信息的播发更加精确有效,而不是每个船舶都会接收到大量与自身无关的信息,大大减少了因混入大量无关信息而忽视了与自身相关的安全信息的可能性。

北斗加入GMDSS后还有个最显著的优势,那就是北斗设备相比较现在GMDSS系统的设备要简单便宜很多,在我国沿海的大量非公约船舶例如渔船、工程船和客渡轮等很少会安装全套的GMDSS设备,这会对安全信息的接收带来很大影响,很有可能会无法及时了解到重要的海上安全信息,对船舶的航行产生威胁。而北斗设备简单方便,使用北斗发送海上安全信息,很多非公约船舶都可以选择安装一台北斗设备而非一整套GMDSS设备来接收海上安全信息,还能随时向信息播发部门发送短报文查询想要了解的或者可能漏接的安全信息,极大的提高非公约船舶海上安全信息的接收率。



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