北斗全球海上遇險與安全服務體系探究

龐波波

( 1. 中兵北斗衛星通信有限公司, 北京 100089；2. 北斗應用發展研究院, 北京 100089 )

0 引言

北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satelite System，BDS)是我國自主建設、獨立運行的GNSS，設計之初創新融合衛星無線電定位系統(radio determination satel-lite system，RDSS)、衛星無線電導航業務(radio navigation satellite service，RNSS)和移動衛星業務(mobile satellite service，MSS)三大業務[1-3].2020年北斗三號(BeiDou-3 Navigation Satellite System，BDS-3)正式開通，具備集定位導航，區域短報文、全球短報文、國際搜救等通導一體特色服務[4]，為亞太區域及全球用戶的海上遇險與安全業務提供技術基礎.

回顧國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)海上遇險與安全衛星通信業務，早在1988年，隨著衛星應急無線電示位標等概念的出現，為加強海上遇險與安全通信，IMO提出并實施集成地面與衛星無線電通信系統的全球海上遇險與安全系統(Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS)，并修訂國際海上人命安全公約(International Convention for the Safety of Life at Sea，SOLAS)第IV章無線電通信設備，新增GMDSS[5]；2002年，為遏制和防范海上恐怖主義及海盜行為，IMO修訂SOLAS公約第XI-2章節加強海上安全的特別措施，新增第6條船舶保安報警系統(ship security alert system，SSAS)，于2003年通過經修訂的SSAS性能標準[6]；2006年，為加強海上安保、海上安全和海上環境保護，IMO修訂SOLAS公約第V章航行安全，新增第19-1條船舶遠程識別與跟蹤系統(long range identification and tracking，LRIT)于2008年通過經修訂的LRIT功能及性能要求[7]；2018年，在IMO GMDSS復審和現代化背景下，美國銥星系統歷經5年被IMO認可成為GMDSS衛星系統服務提供方[8].

北斗海上遇險與安全業務，其中定位導航服務，2014年我國推動北斗定位導航服務被IMO認可成為全球無線電導航系統組成部分，2020年國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)正式發布北斗船載接收設備檢測標準[9]；區域短報文服務，2018年我國正式提出北斗區域短報文申請加入GMDSS，2022年基于北斗區域短報文建立的北斗報文服務系統被IMO認可成為GMDSS衛星通信系統服務提供方[10]；國際搜救服務，2017年我國啟動北斗國際搜救服務加入國際搜救衛星組織，2022年我國完成與國際搜救衛星組織四個理事國(加拿大、法國、俄羅斯、美國)合作意向聲明簽署，正式成為空間段設備提供國，面向全球提供國際搜救服務[11]. 國內方面，有關學者開展北斗RDSS體制應用于衛星搜救服務及北斗應急無線電示位標(BeiDou emergency position indicating radio beacon，BD-EPIRB)搜救系統研究[12-14]；交通運輸部海事局也將BD-EPIRB配備要求及檢驗標準寫入《國內航行海船法定檢驗技術規則2016修改通報》[15]；同時有關學者開展北斗全球短報文技術特性及北斗短報文在全球海事通信領域應用研究[16-18]，為北斗在LRIT和SSAS自主可控應用提供可能.

綜上，本文系統性的從北斗在遇險報警、搜救通信、特色返向鏈路服務、海上安全信息播發及動態監管等方面開展海事業務研究；提出北斗全球海上遇險與安全服務體系概念，給出體系概念、架構和功能特征，分析體系內融合的業務系統；最后從系統化、國際化及定制化進行展望，有助于從全局模式構建起規范統一、服務閉環和應急保障的北斗海事業務體系.

1 服務體系架構

1.1 服務體系概念

北斗全球海上遇險與安全服務體系是利用北斗通導一體手段構建、符合國際海事通用慣例及規范的海上遇險與安全業務體系. 該體系有機融合多套利用北斗特色服務建立的天基海上遇險與安全業務系統，分別是用于GMDSS衛星系統的北斗報文服務系統、用于航行安全的北斗LRIT服務和北斗海上安全信息播發服務、用于海上保安的北斗SSAS服務、用于COSPAS-SARSAT的北斗國際搜救及返向鏈路服務、用于我國海事漁業的BD-EPIRB北斗應急示位搜救系統. 基本實現國際及國內海事框架下北斗海事業務的規范統一和全鏈路閉環，有效豐富海上應急通信手段和提升海上搜救能力. 服務體系架構組成如圖1所示.

圖1 北斗全球海上遇險與安全服務體系架構

1.2 體系架構組成

服務體系架構由空間段、地面段和用戶段三部分組成.

1.2.1 空間段

空間段由BDS 3顆地球靜止軌道(geostationary orbit, GEO)衛星、3顆傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous orbit, IGSO)衛星和24顆中圓地球軌道(medium earth orbit, MEO)衛星混合星座組成. 其中，3顆GEO衛星定軌于80°E、110.5°E和140°E；24顆MEO均勻分布在三個軌道面，軌道傾角為55°；3顆IGSO分布在三個軌道面，軌道傾角55°[19-20].星座包含RDSS載荷、RNSS載荷和SAR載荷三種，集合導航和通信數傳為一體，并具備星間鏈路功能[19]，為亞太提供區域短報文和位置報告服務；為全球提供全球短報文和國際搜救服務，如表1所示.

表1 北斗系統服務、頻段與載荷對應表

1.2.2 地面段

地面段主要由北斗主控站和北斗任務控制中心(BeiDou mission control center，BD-MCC)組成. 其中，北斗主控站負責衛星的跟蹤、遙測和控制，實現入站信號接收，出站信號注入等業務.

BD-MCC是在該體系中提出的一個廣義北斗海事業務處理中心，由多個傳統意義上實體業務機構及其業務系統組成. BD-MCC涵蓋全球衛星搜救系統(COSPAS-SARSAT)北斗返向鏈路服務提供商、北斗報文服務系統服務提供商、北斗LRIT通信服務提供商、北斗SSAS通信服務提供商和BD-EPIEB任務控制中心等功能. 其通過與搜救中心(rescue coordinate center，RCC)、海上安全信息提供方(maritime safety information provider，MSIP)、遠程醫療援助提供方(telemedical maritime assistance service，TMAS)、國際搜救衛星系統任務控制中心(COSPAS-SARSAT mission control center，CS-MCC)、社會公眾和LRIT數據中心的業務連接，實現海上遇險與安全服務閉環. 此外，北斗國際搜救服務中406 MHz-EPIRB遇險報警是由COSPAS-SARSAT中本地用戶終端(local user terminal，LUT)和CS-MCC接收處置.

1.2.3 用戶段

用戶段由運行于該體系中各類北斗海事終端組成，實現遇險報警、海上安全信息接收、遇險通信及確認回執接收等功能. 具體由基于全球短報文服務的BD-EPIRB、北斗LRIT終端、北斗SSAS終端，基于國際搜救服務的406 MHz-EPIRB終端和基于區域短報文服務的北斗海事移動終端和北斗MSI終端等組成.

1.3 體系功能特征

1.3.1 北斗亞太海上遇險與安全服務

亞太區域提供區域短報文和位置報告特色服務，服務覆蓋0°～60°N，50°E～160°E. 具備點播、組播、通播和廣播四種服務模式，入站容量1200萬次/h，出站容量600萬次/h，單次報文長度最大14000 bit (1000漢字)，服務頻度最小間隔1 s[4]，可實現遇險報警、海上安全信息播發和船岸通信三類海事業務. 形成面向國際航行船舶海上遇險與安全通信的北斗報文服務系統，面向國內海船及漁船應急示位報警的BD-EPIRB船舶應急示位搜救系統，面向覆蓋區域內海上大范圍航行警告及氣象預警的北斗海上安全播發系統，具體功能特征如圖2所示.

圖2 北斗亞太海上遇險與安全服務功能特征

1.3.2 北斗全球海上遇險與安全服務

全球區域提供國際搜救、全球短報文特色服務，覆蓋深遠海及極地區域. 具備點播、廣播兩種服務模式，具備入站容量30萬次/h，出站容量20萬次/h，單次報文長度最大560 bit (40漢字)，單次通信延遲最小1 s[4]，可實現船舶遠程位置報告、海上保安警報、406 MHz遇險報警及返向鏈路信息確認四類業務. 形成面向遠洋船舶定時回傳及詢位的北斗遠程船舶識別與跟蹤系統，面向遠洋船舶遭遇海盜威脅時報警的北斗海上保安報警系統，面向全球船舶406 MHz遇險告警及面向CS-MCC為406 MHz遇險信標發送返向鏈路確認回執的北斗國際搜救系統，具體功能特征如圖3所示.

圖3 北斗全球海上遇險與安全服務功能特征

2 體系業務系統及服務

2.1 北斗報文服務系統

北斗報文服務系統，是基于北斗區域短報文建立，符合IMO A.1001(25)標準的GMDSS移動衛星系統，系統架構如圖4所示. 承諾服務區域10°N～55°N，75°E～135°E，服務區內絕大多數為雙重波束覆蓋，滿足單顆衛星發生故障時，服務在1 h內恢復[18].北斗報文服務系統通過與RCC、MSIP、TMAS以及社會公眾建立連接，實現船到岸、岸到船和船到船三個方向，遇險報警、遇險中繼報警、搜救協調通信、海上安全信息播發、海上安全信息報告、常規通信六類閉環通信服務.

圖4 北斗報文服務系統架構圖

通信方面，使用北斗應急搜救出站幀、應急搜救入站幀、報文通信出站幀、報文通信入站幀四類接口；廣播方面，考慮到廣播電文每幀632 bit長度及每幀60 s播發頻度限制，利用報文通信出站幀中通播方式替代實現.

北斗海事移動終端包含區域短報文技術標準、環境性要求和功能性要求三部分. 2022年底已完成國標《基于北斗區域短報文的全球海上遇險與安全服務技術規范第3部分：船載終端》立項. 其中，區域短報文通信要求需滿足《北斗三號區域短報文通信用戶終端技術要求與測試方法》及獨立測試，終端環境性要求須符合A.694(17)要求，通過IEC 60945獨立測試；功能性要求須符合MSC434(98)要求，通過IEC 61097-16獨立測試.

2.2 北斗國際搜救系統

北斗國際搜救系統，通過6顆MEO衛星搜救載荷實現國際搜救衛星組織框架下的406 MHz示位標遇險報警轉發功能，并通過24顆MEO衛星及3顆IGSO衛星RNSS載荷實現返向鏈路服務功能，服務覆蓋全球海域，系統架構如圖5所示. 北斗國際搜救系統通過融入現有國際搜救衛星組織體系下，實現將406 MHz示位標遇險報警信號轉發，讓CS-MCC通過LUT接收到該遇險報警信號；同時BD-MCC承擔返向鏈路服務提供方功能，面向CS-MCC提供特色的返向鏈路服務，通過響應CS-MCC返向鏈路信息請求，使用北斗廣播電文接口為遇險信標提供返向鏈路確認回執.

圖5 北斗國際搜救系統架構圖

406 MHz遇險信標標準，第一代信標應符合《國際搜救衛星系統406 MHz遇險信標技術規范》(C/S T.001)技術規范；第二代信標應符合《第二代國際搜救衛星系統 406 MHz遇險信標技術規范》(C/S T.018)技術規范；可選支持AIS發送輔助救援信號，應符合ITU-R M.1371《VHF水上移動頻帶內使用時分多址的自動識別系統的技術特性》的規定；可選支持北斗返向鏈路服務，應符合《北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件-國際搜救服務》(BDS-SIS-ICD-SAR)；如支持伽利略返向鏈路服務，應符合《歐洲全球衛星導航系統(Galileo)開放服務空間信號接口控制文件》(OS SIS ICD).

2.3 北斗應急示位搜救系統

北斗應急示位搜救系統，是基于BDS-3區域短報文，利用BD-EPRIB為船舶、船員提供緊急狀態下報警、示位和遇險處置的信息服務系統，系統架構如圖6所示. 其業務模式與COSPAS-SARSAT相類似，BDEPIRB激活后發送遇險報警信息，經北斗GEO衛星由北斗主控站轉發到BD-MCC，然后BD-MCC將收到遇險報警信息遞送給RCC的同時，向BD-EPIRB發送遇險確認回執. 信號體制方面，以GEO衛星透明轉發為主，位置報告提供主被動2種方式，且在定位精度、實時性、回執確認及終端小型化等方面優于COSPAS-SARSAT[12]；服務機制方面，BD-EPRIB具備落水自動激活或手動激活遇險報警、遇險鏈路測試、輔助搜救信號發射等功能. 其任務控制中心由國內多個省市海事管理機構、漁業管理機構及北斗分理服務商組成一個泛在遇險報警值守及分發網絡體，實現報警回執確認及遇險報警信息遞送. 該系統在我國海事、漁業有著廣泛應用，已成為COSPAS-SARSAT系統有效補充，正成為下一代衛星搜救服務體制發展趨勢.

圖6 北斗應急示位搜救系統架構圖

BD-EPRIB應符合國家標準GNSS船舶應急定位信息服務系統系列標準要求，包括第1部分功能描述、第2部分交換協議以及第3部分設備性能要求及測試方法；同時須滿足我國海事局《國內航行海船法定檢驗技術規則2016修改通報》中有關規定.

2.4 北斗LRIT系統

北斗LRIT系統，是基于北斗全球短報文建立起的遠程船舶位置報告服務系統，系統架構如圖7所示. 可面向全球海域內國際航行貨船、客船及海上移動鉆井平臺等，實現每6 h自動將船舶識別號、位置及時間數據經BD-MCC傳輸給船舶主管當局授權的應用服務提供商(application service provider，ASP)及LRIT數據中心；同時通過北斗全球短報文發送輪詢指令讓船舶立即發送位置報告和遠程配置為15 min至6 h的位置回傳間隔.

圖7 北斗LRIT系統架構圖

北斗全球短報文滿足LRIT功能要求，可特別用于懸掛中國船旗遠洋船舶位置回傳，保護我國船舶實時位置數據安全性；同時利用標準規范推動北斗全球短報文成為其他船旗國通信服務提供商，形成北斗LRIT國際服務網，面向全球海域內國際航行船舶服務.

目前，國內還未制定北斗LRIT設備規范，該規范可分為全球短報文技術要求、環境性要求和功能性要求三部分，全球短報文技術標準符合北斗全球短報文民用終端入網通用技術要求，環境性要求需符合A.694(17)決議，通過IEC 60945獨立測試；性能要求需符合MSC 263 (84)要求，通過IEC 62729獨立測試.

2021年9月，在“PACIFIC TALENT”輪部署一臺北斗全球短報文設備，設置每300 s自動回傳一次實時位置，如圖8所示，開展全球位置報告回傳測試.根據回傳數據整理，基本上可實現在全球海域范圍的實時位置連續回傳，偶爾會出現1～2次數據丟失情況，極個別區域(如墨西哥灣)短時間內會出現連續丟失情況. 經統計，整體成功率可達到95%及以上[21].

圖8 PACIFIC TALENT 輪北斗全球短報文位置報告統計

2.5 北斗SSAS

北斗SSAS，是基于北斗全球短報文用于國際航行船舶在遭受海盜襲擊或恐怖行為時，向岸上主管機關發送保安報警，系統架構如圖9所示. 該系統應能從駕駛室及至少一個其他位置一鍵啟動報警，啟動后不產生警報，直到關閉或復位，可持續將船舶識別號、遇險位置和時間、遭受威脅或已受到危害狀態發送給岸上主管機關，實現船舶保安報警.

北斗全球短報文可滿足SSAS有關要求，專門服務我國自有5000艘國際航行船舶. 當船舶發生保安威脅時，船舶發出保安報警經BD-MCC傳輸給船舶所屬公司，由所屬公司報告給海事管理機構；如果發生在我國水域，將繼續報告到中國海上RCC統一接收，并協調采取保安行動；如果發生在非我國水域，將繼續報告到海事主管機關，由海事主管機關通知該船舶航行位置附近的沿岸國采取保安行動[22].

目前，國內尚無北斗SSAS設備規范，該規范也分為全球短報文技術要求、環境性要求和功能性要求三部分，全球短報文技術標準符合北斗全球短報文民用終端入網通用技術要求，環境性要求須符合A.694(17)要求，通過IEC 60945獨立測試，性能要求須符合MSC 147(77)要求.

2.6 北斗海上安全信息播發系統

北斗海上安全信息播發系統，利用北斗區域短報文點播、組播、通播和廣播組合通信方式，在亞太區域實現航行警告、氣象警告、搜救相關信息及其他預警信息的大范圍播發服務，系統架構如圖10所示. 海事機構、氣象機構、搜救機構以及漁業機構可通過BD-MCC或指揮機，實現向服務范圍內的航行/氣象警告區、沿海航行警告區、自定義圓形/矩形區域以及衛星覆蓋區內的船舶用戶播發海上安全信息，實現即時、中英文、長報文及大范圍的海上安全預警服務.根據北斗短報文通信特性，利用通播特點向所屬用戶實現長報文安全信息播發；利用廣播循環播發特點向衛星波束下所有北斗用戶實現海上安全信息有效編號播發；利用組播單發群收特點，為搜救機構、遇險船只及附近船只動態建群組建搜救網，實現高效搜救協調；利用點播特點，實現向特定用戶定制化推送海上安全預警服務.

圖10 北斗海上安全信息播發系統架構圖

目前，北斗海上安全信息播發體系標準，通播模式已有標準《基于北斗通信的海上安全信息播發要求》，有關北斗組播、點播和廣播功能應用規范仍需進一步修訂.

3 服務體系應用展望

3.1 系統化應用

北斗全球海上遇險于安全服務體系的系統化應用，一方面，是基于北斗短報文在漁船、海事公務船探索應用中所累積的經驗基礎，打造廣義BD-MCC，建立與主管機關的業務連接，實現遇險與安全通信的服務閉環，建成一體化、專業化、高安全北斗海事應用服務體系，在海事業務中集成位置報告、應急救援、報文通信三種基本服務，形成系統性服務，豐富海上遇險與安全手段. 另一方面，在現行國際海事規則、海事通用慣例及國內海事需求基礎上，推動北斗全球海上遇險與安全手段納入基礎電信業務相關管理，納入國家應急通信體系應用和國家網信安全監管體系，規范產品質量，基礎產品、終端、應用系統，以及體系服務等納入國家市場監督總局認可認證體系，奠定規范化、市場化、規?；瘧猛茝V基礎[23].

3.2 國際化應用

北斗全球海上遇險與安全服務體系在亞太海域以及全球海域的應用，應充分發揮北斗通導一體特色及優勢. 國際組織框架層面，在現有北斗報文服務系統成功納入到IMO GMDSS衛星系統、北斗國際搜救系統納入到COSPAS-SARSAT基礎上，積極推動北斗全球短報文成為LRIT及SSAS的通信提供商，躋身到海上安全及航行安全領域. 同時，積極參與有關GMDSS衛星系統標準、LRIT、SSAS、海上安全信息播發以及COSPAS-SARSAT國際搜救的規則制修訂. 全面提升我國海事話語權和影響力. 規范層面，國內聯合海事、漁業、氣象、應急、工信等多個行業主管機關、船級社及相關廠商，聯合制定及逐步完善體系業務系統及服務的規范標準；國際方面，推動在IEC層面制定北斗海事終端的國際標準；形成北斗全球海上遇險與安全服務生態體系. 國際應用方面，推動北斗應急示位搜救系統、海上安全信息播發系統在亞太區域應急搜救及航海保障的復制應用，并通過北斗全球海上遇險與安全服務體系推廣讓更多國家認識北斗，運用北斗.

3.3 定制化應用

北斗全球海上遇險與安全服務體系定制化應用，實現不同應用場景的潛在增值需要. 拓展應用場景方面，在北斗EPIRB基礎上，推動北斗個人定位信標(personal location beacon，PLB)應用，充分利用北斗短報文在大眾智能手機端應用的技術突破，實現俠義北斗PLB，北斗人員搜救信標(man overboard，MOB)的小型化、集約化和低功耗；同時利用大眾、商業公司及專業機構組成廣義BD-MCC，形成一個泛在的遇險遞送網絡，實現千萬級的廣義北斗PLB(如北斗衛星消息智能手機)、俠義北斗PLB和北斗MOB的服務閉環. 挖掘業務需求方面，在北斗海上安全信息播發基礎上，開展北斗船舶氣象導航服務，利用北斗短報文通道，實現基于實時船位或遠洋航線的遠洋氣象導航服務信息定制推送、氣象信息的自主獲取以及基于船舶位置的海洋氣象要素動態采集. 此外，探索北斗短報文與搜救雷達應答器(search and rescue radar transponder，SART)、遠程船舶自動識別系統(longrange automatic identification system，L-AIS)等結合應用.

4 結束語

北斗在全球海上遇險與安全服務領域應用中，本文提出北斗全球海上遇險與安全服務體系，通過引入廣義BD-MCC概念，設計該服務體系架構；結合北斗特色服務與海事業務，在國際海事框架下給出該服務體系在全球與亞太的功能特征；全面梳理該服務體系所包含業務系統的業務流程及服務規范；同時展望了在系統化、國際化及定制化方面的應用；系統性闡述北斗全球海上遇險與安全服務體系內涵及未來發展方向，為深化北斗短報文應用提供參考.