Research on BeiDou global maritime distress and safety service system
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摘要: 随着北斗报文服务系统、北斗国际搜救服务通过国际组织认可及北斗短报文在国内船舶的应用成效，初步形成北斗海上遇险与安全服务. 本文提出北斗全球海上遇险与安全服务体系概念，通过引入广义北斗任务控制中心(BeiDou mission control center，BD-MCC)给出体系架构组成，并从北斗特色服务、海事通信业务到系统服务层面分析该体系在亚太与全球服务的功能特征，梳理该体系中北斗报文服务系统、北斗国际搜救系统、北斗应急示位搜救系统、北斗船舶远程识别与跟踪系统(long range identification and tracking，LRIT)、北斗船舶保安报警系统(ship security alert system，SSAS)以及北斗海上安全信息播发系统的业务流程及服务规范；展望该体系的系统化、国际化及定制化应用；研究成果有助于推动北斗通导在全球海上遇险与安全业务领域体系化应用.
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关键词:
- 北斗全球海上遇险与安全服务体系 /
- 海上遇险与安全服务 /
- 北斗任务控制中心(BD-MCC) /
- 北斗报文服务系统 /
- 北斗国际搜救系统 /
- 船舶远程识别与跟踪系统(LRIT) /
- 船舶保安报警系统(SSAS) /
- 北斗应急无线电示位标 /
- 海上安全信息播发
Abstract: With the BeiDou message service system (BD-MSS), BeiDou search and rescue service being recognized by international organizations and the application of BeiDou short message service in domestic ships, BeiDou maritime distress and safety service has been initially formed. In this paper, the concept of the BeiDou global maritime distress and safety service system is proposed. The system architecture is given by introducing generalized BeiDou mission control center (BD-MCC). Functional characteristics of the system in Asia-Pacific and global sea area are analyzed from BeiDou featured services, maritime communication business to systems’ service. The architecture and specifications are sorted out of BeiDou message service system, BeiDou search and rescue service system, BeiDou emergency position indication system, BeiDou long-range identification and tracking system (LRIT), BeiDou ship security alarm system (SSAS) and the BeiDou maritime safety information broadcast system. The systematization, internationalization and customization of the system are given. The paper has reference value for the systematic application of BeiDou system in global maritime distress and safety business field. -
0. 引 言
北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satelite System，BDS)是我国自主建设、独立运行的GNSS，设计之初创新融合卫星无线电定位系统(radio determination satel-lite system，RDSS)、卫星无线电导航业务(radio navigation satellite service，RNSS)和移动卫星业务(mobile satellite service，MSS)三大业务[1-3]. 2020年北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System， BDS-3)正式开通，具备集定位导航，区域短报文、全球短报文、国际搜救等通导一体特色服务[4]，为亚太区域及全球用户的海上遇险与安全业务提供技术基础.
回顾国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)海上遇险与安全卫星通信业务，早在1988年，随着卫星应急无线电示位标等概念的出现，为加强海上遇险与安全通信，IMO提出并实施集成地面与卫星无线电通信系统的全球海上遇险与安全系统(Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS)，并修订国际海上人命安全公约(International Convention for the Safety of Life at Sea，SOLAS)第IV章无线电通信设备，新增GMDSS[5]；2002年，为遏制和防范海上恐怖主义及海盗行为，IMO修订SOLAS公约第XI-2章节加强海上安全的特别措施，新增第6条船舶保安报警系统(ship security alert system，SSAS)，于2003年通过经修订的SSAS性能标准[6]；2006年，为加强海上安保、海上安全和海上环境保护，IMO修订SOLAS公约第V章航行安全，新增第19-1条船舶远程识别与跟踪系统(long range identification and tracking，LRIT)于2008年通过经修订的LRIT功能及性能要求[7]；2018年，在IMO GMDSS复审和现代化背景下，美国铱星系统历经5年被IMO认可成为GMDSS卫星系统服务提供方[8].
北斗海上遇险与安全业务，其中定位导航服务，2014年我国推动北斗定位导航服务被IMO认可成为全球无线电导航系统组成部分，2020年国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)正式发布北斗船载接收设备检测标准[9]；区域短报文服务，2018年我国正式提出北斗区域短报文申请加入GMDSS，2022年基于北斗区域短报文建立的北斗报文服务系统被IMO认可成为GMDSS卫星通信系统服务提供方[10]；国际搜救服务，2017年我国启动北斗国际搜救服务加入国际搜救卫星组织，2022年我国完成与国际搜救卫星组织四个理事国(加拿大、法国、俄罗斯、美国)合作意向声明签署，正式成为空间段设备提供国，面向全球提供国际搜救服务[11]. 国内方面，有关学者开展北斗RDSS体制应用于卫星搜救服务及北斗应急无线电示位标(BeiDou emergency position indicating radio beacon，BD-EPIRB)搜救系统研究[12-14]；交通运输部海事局也将BD-EPIRB配备要求及检验标准写入《国内航行海船法定检验技术规则2016修改通报》[15]；同时有关学者开展北斗全球短报文技术特性及北斗短报文在全球海事通信领域应用研究[16-18]，为北斗在LRIT和SSAS自主可控应用提供可能.
综上，本文系统性的从北斗在遇险报警、搜救通信、特色返向链路服务、海上安全信息播发及动态监管等方面开展海事业务研究；提出北斗全球海上遇险与安全服务体系概念，给出体系概念、架构和功能特征，分析体系内融合的业务系统；最后从系统化、国际化及定制化进行展望，有助于从全局模式构建起规范统一、服务闭环和应急保障的北斗海事业务体系.
1. 服务体系架构
1.1 服务体系概念
北斗全球海上遇险与安全服务体系是利用北斗通导一体手段构建、符合国际海事通用惯例及规范的海上遇险与安全业务体系. 该体系有机融合多套利用北斗特色服务建立的天基海上遇险与安全业务系统，分别是用于GMDSS卫星系统的北斗报文服务系统、用于航行安全的北斗LRIT服务和北斗海上安全信息播发服务、用于海上保安的北斗SSAS服务、用于COSPAS-SARSAT的北斗国际搜救及返向链路服务、用于我国海事渔业的BD-EPIRB北斗应急示位搜救系统. 基本实现国际及国内海事框架下北斗海事业务的规范统一和全链路闭环，有效丰富海上应急通信手段和提升海上搜救能力. 服务体系架构组成如图1所示.
1.2 体系架构组成
服务体系架构由空间段、地面段和用户段三部分组成.
1.2.1 空间段
空间段由BDS 3颗地球静止轨道(geostationary orbit, GEO)卫星、3颗倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit, IGSO)卫星和24颗中圆地球轨道(medium earth orbit, MEO)卫星混合星座组成. 其中，3颗GEO卫星定轨于80°E、110.5°E和140°E；24颗MEO均匀分布在三个轨道面，轨道倾角为55°；3颗IGSO分布在三个轨道面，轨道倾角55°[19-20]. 星座包含RDSS载荷、RNSS载荷和SAR载荷三种，集合导航和通信数传为一体，并具备星间链路功能[19]，为亚太提供区域短报文和位置报告服务；为全球提供全球短报文和国际搜救服务，如表1所示.
表 1 北斗系统服务、频段与载荷对应表服务类型 频段 卫星 载荷 区域短报文 L上行
S下行3GEO RDSS 位置报告 L上行
S下行3GEO RDSS 全球短报文 L上行
B2b下行14MEO
24MEO+3IGSORNSS
RNSS国际搜救 UHF上行
B2b下行6MEO
24MEO+3IGSOSAR
RNSS1.2.2 地面段
地面段主要由北斗主控站和北斗任务控制中心(BeiDou mission control center，BD-MCC)组成. 其中，北斗主控站负责卫星的跟踪、遥测和控制，实现入站信号接收，出站信号注入等业务.
BD-MCC是在该体系中提出的一个广义北斗海事业务处理中心，由多个传统意义上实体业务机构及其业务系统组成. BD-MCC涵盖全球卫星搜救系统(COSPAS-SARSAT)北斗返向链路服务提供商、北斗报文服务系统服务提供商、北斗LRIT通信服务提供商、北斗SSAS通信服务提供商和BD-EPIEB任务控制中心等功能. 其通过与搜救中心(rescue coordinate center，RCC)、海上安全信息提供方(maritime safety information provider，MSIP)、远程医疗援助提供方(telemedical maritime assistance service，TMAS)、国际 搜救卫星系统任务控制中心(COSPAS-SARSAT mission control center，CS-MCC)、社会公众和LRIT数据中心的业务连接，实现海上遇险与安全服务闭环. 此外，北斗国际搜救服务中406 MHz-EPIRB遇险报警是由COSPAS-SARSAT中本地用户终端(local user terminal，LUT)和CS-MCC接收处置.
1.2.3 用户段
用户段由运行于该体系中各类北斗海事终端组成，实现遇险报警、海上安全信息接收、遇险通信及确认回执接收等功能. 具体由基于全球短报文服务的BD-EPIRB、北斗LRIT终端、北斗SSAS终端，基于国际搜救服务的406 MHz-EPIRB终端和基于区域短报文服务的北斗海事移动终端和北斗MSI终端等组成.
1.3 体系功能特征
1.3.1 北斗亚太海上遇险与安全服务
亚太区域提供区域短报文和位置报告特色服务，服务覆盖0°~60°N，50°E~160°E. 具备点播、组播、通播和广播四种服务模式，入站容量1200万次/h，出站容量600万次/h，单次报文长度最大14 000 bit (1000汉字)，服务频度最小间隔1 s[4]，可实现遇险报警、海上安全信息播发和船岸通信三类海事业务. 形成面向国际航行船舶海上遇险与安全通信的北斗报文服务系统，面向国内海船及渔船应急示位报警的BD-EPIRB船舶应急示位搜救系统，面向覆盖区域内海上大范围航行警告及气象预警的北斗海上安全播发系统，具体功能特征如图2所示.
1.3.2 北斗全球海上遇险与安全服务
全球区域提供国际搜救、全球短报文特色服务，覆盖深远海及极地区域. 具备点播、广播两种服务模式，具备入站容量30万次/h，出站容量20万次/h，单次报文长度最大560 bit (40汉字)，单次通信延迟最小1 s[4]，可实现船舶远程位置报告、海上保安警报、406 MHz遇险报警及返向链路信息确认四类业务. 形成面向远洋船舶定时回传及询位的北斗远程船舶识别与跟踪系统，面向远洋船舶遭遇海盗威胁时报警的北斗海上保安报警系统，面向全球船舶406 MHz遇险告警及面向CS-MCC为406 MHz遇险信标发送返向链路确认回执的北斗国际搜救系统，具体功能特征如图3所示.
2. 体系业务系统及服务
2.1 北斗报文服务系统
北斗报文服务系统，是基于北斗区域短报文建立，符合IMO A.1001(25)标准的GMDSS移动卫星系统，系统架构如图4所示. 承诺服务区域10°N~55°N，75°E~135°E，服务区内绝大多数为双重波束覆盖，满足单颗卫星发生故障时，服务在1 h内恢复[18]. 北斗报文服务系统通过与RCC、MSIP、TMAS以及社会公众建立连接，实现船到岸、岸到船和船到船三个方向，遇险报警、遇险中继报警、搜救协调通信、海上安全信息播发、海上安全信息报告、常规通信六类闭环通信服务.
通信方面，使用北斗应急搜救出站帧、应急搜救入站帧、报文通信出站帧、报文通信入站帧四类接口；广播方面，考虑到广播电文每帧632 bit长度及每帧60 s播发频度限制，利用报文通信出站帧中通播方式替代实现.
北斗海事移动终端包含区域短报文技术标准、环境性要求和功能性要求三部分. 2022年底已完成国标《基于北斗区域短报文的全球海上遇险与安全服务技术规范第3部分：船载终端》立项. 其中，区域短报文通信要求需满足《北斗三号区域短报文通信用户终端技术要求与测试方法》及独立测试，终端环境性要求须符合A.694(17)要求，通过IEC 60945独立测试；功能性要求须符合MSC434(98)要求，通过IEC 61097-16独立测试.
2.2 北斗国际搜救系统
北斗国际搜救系统，通过6颗MEO卫星搜救载荷实现国际搜救卫星组织框架下的406 MHz示位标遇险报警转发功能，并通过24颗MEO卫星及3颗IGSO卫星RNSS载荷实现返向链路服务功能，服务覆盖全球海域，系统架构如图5所示. 北斗国际搜救系统通过融入现有国际搜救卫星组织体系下，实现将406 MHz示位标遇险报警信号转发，让CS-MCC通过LUT接收到该遇险报警信号；同时BD-MCC承担返向链路服务提供方功能，面向CS-MCC提供特色的返向链路服务，通过响应CS-MCC返向链路信息请求，使用北斗广播电文接口为遇险信标提供返向链路确认回执.
406 MHz遇险信标标准，第一代信标应符合《国际搜救卫星系统406 MHz遇险信标技术规范》(C/S T.001)技术规范；第二代信标应符合《第二代国际搜救卫星系统 406 MHz遇险信标技术规范》(C/S T.018)技术规范；可选支持AIS发送辅助救援信号，应符合ITU-R M.1371《VHF水上移动频带内使用时分多址的自动识别系统的技术特性》的规定；可选支持北斗返向链路服务，应符合《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件-国际搜救服务》(BDS-SIS-ICD-SAR)；如支持伽利略返向链路服务，应符合《欧洲全球卫星导航系统(Galileo)开放服务空间信号接口控制文件》(OS SIS ICD).
2.3 北斗应急示位搜救系统
北斗应急示位搜救系统，是基于BDS-3区域短报文，利用BD-EPRIB为船舶、船员提供紧急状态下报警、示位和遇险处置的信息服务系统，系统架构如图6所示. 其业务模式与COSPAS-SARSAT相类似，BD-EPIRB激活后发送遇险报警信息，经北斗GEO卫星由北斗主控站转发到BD-MCC，然后BD-MCC将收到遇险报警信息递送给RCC的同时，向BD-EPIRB发送遇险确认回执. 信号体制方面，以GEO卫星透明转发为主，位置报告提供主被动2种方式，且在定位精度、实时性、回执确认及终端小型化等方面优于COSPAS-SARSAT[12]；服务机制方面，BD-EPRIB具备落水自动激活或手动激活遇险报警、遇险链路测试、辅助搜救信号发射等功能. 其任务控制中心由国内多个省市海事管理机构、渔业管理机构及北斗分理服务商组成一个泛在遇险报警值守及分发网络体，实现报警回执确认及遇险报警信息递送. 该系统在我国海事、渔业有着广泛应用，已成为COSPAS-SARSAT系统有效补充，正成为下一代卫星搜救服务体制发展趋势.
BD-EPRIB应符合国家标准GNSS船舶应急定位信息服务系统系列标准要求，包括第1部分功能描述、第2部分交换协议以及第3部分设备性能要求及测试方法；同时须满足我国海事局《国内航行海船法定检验技术规则2016修改通报》中有关规定.
2.4 北斗LRIT系统
北斗LRIT系统，是基于北斗全球短报文建立起的远程船舶位置报告服务系统，系统架构如图7所示. 可面向全球海域内国际航行货船、客船及海上移动钻井平台等，实现每6 h自动将船舶识别号、位置及时间数据经BD-MCC传输给船舶主管当局授权的应用服务提供商(application service provider，ASP)及LRIT数据中心；同时通过北斗全球短报文发送轮询指令让船舶立即发送位置报告和远程配置为15 min至6 h的位置回传间隔.
北斗全球短报文满足LRIT功能要求，可特别用于悬挂中国船旗远洋船舶位置回传，保护我国船舶实时位置数据安全性；同时利用标准规范推动北斗全球短报文成为其他船旗国通信服务提供商，形成北斗LRIT国际服务网，面向全球海域内国际航行船舶服务.
目前，国内还未制定北斗LRIT设备规范，该规范可分为全球短报文技术要求、环境性要求和功能性要求三部分，全球短报文技术标准符合北斗全球短报文民用终端入网通用技术要求，环境性要求需符合A.694(17)决议，通过IEC 60945独立测试；性能要求需符合MSC 263 (84)要求，通过IEC 62729独立测试.
2021年9月，在“PACIFIC TALENT”轮部署一台北斗全球短报文设备，设置每300 s自动回传一次实时位置，如图8所示，开展全球位置报告回传测试. 根据回传数据整理，基本上可实现在全球海域范围的实时位置连续回传，偶尔会出现1~2次数据丢失情况，极个别区域(如墨西哥湾)短时间内会出现连续丢失情况. 经统计，整体成功率可达到95%及以上[21].
2.5 北斗SSAS
北斗SSAS，是基于北斗全球短报文用于国际航行船舶在遭受海盗袭击或恐怖行为时，向岸上主管机关发送保安报警，系统架构如图9所示. 该系统应能从驾驶室及至少一个其他位置一键启动报警，启动后不产生警报，直到关闭或复位，可持续将船舶识别号、遇险位置和时间、遭受威胁或已受到危害状态发送给岸上主管机关，实现船舶保安报警.
北斗全球短报文可满足SSAS有关要求，专门服务我国自有5000艘国际航行船舶. 当船舶发生保安威胁时，船舶发出保安报警经BD-MCC传输给船舶所属公司，由所属公司报告给海事管理机构；如果发生在我国水域，将继续报告到中国海上RCC统一接收，并协调采取保安行动；如果发生在非我国水域，将继续报告到海事主管机关，由海事主管机关通知该船舶航行位置附近的沿岸国采取保安行动[22].
目前，国内尚无北斗SSAS设备规范，该规范也分为全球短报文技术要求、环境性要求和功能性要求三部分，全球短报文技术标准符合北斗全球短报文民用终端入网通用技术要求，环境性要求须符合A.694(17)要求，通过IEC 60945独立测试，性能要求须符合MSC 147(77)要求.
2.6 北斗海上安全信息播发系统
北斗海上安全信息播发系统，利用北斗区域短报文点播、组播、通播和广播组合通信方式，在亚太区域实现航行警告、气象警告、搜救相关信息及其他预警信息的大范围播发服务，系统架构如图10所示. 海事机构、气象机构、搜救机构以及渔业机构可通过BD-MCC或指挥机，实现向服务范围内的航行/气象警告区、沿海航行警告区、自定义圆形/矩形区域以及卫星覆盖区内的船舶用户播发海上安全信息，实现即时、中英文、长报文及大范围的海上安全预警服务. 根据北斗短报文通信特性，利用通播特点向所属用户实现长报文安全信息播发；利用广播循环播发特点向卫星波束下所有北斗用户实现海上安全信息有效编号播发；利用组播单发群收特点，为搜救机构、遇险船只及附近船只动态建群组建搜救网，实现高效搜救协调；利用点播特点，实现向特定用户定制化推送海上安全预警服务.
目前，北斗海上安全信息播发体系标准，通播模式已有标准《基于北斗通信的海上安全信息播发要求》，有关北斗组播、点播和广播功能应用规范仍需进一步修订.
3. 服务体系应用展望
3.1 系统化应用
北斗全球海上遇险于安全服务体系的系统化应用，一方面，是基于北斗短报文在渔船、海事公务船探索应用中所累积的经验基础，打造广义BD-MCC，建立与主管机关的业务连接，实现遇险与安全通信的服务闭环，建成一体化、专业化、高安全北斗海事应用服务体系，在海事业务中集成位置报告、应急救援、报文通信三种基本服务，形成系统性服务，丰富海上遇险与安全手段. 另一方面，在现行国际海事规则、海事通用惯例及国内海事需求基础上，推动北斗全球海上遇险与安全手段纳入基础电信业务相关管理，纳入国家应急通信体系应用和国家网信安全监管体系，规范产品质量，基础产品、终端、应用系统，以及体系服务等纳入国家市场监督总局认可认证体系，奠定规范化、市场化、规模化应用推广基础[23].
3.2 国际化应用
北斗全球海上遇险与安全服务体系在亚太海域以及全球海域的应用，应充分发挥北斗通导一体特色及优势. 国际组织框架层面，在现有北斗报文服务系统成功纳入到IMO GMDSS卫星系统、北斗国际搜救系统纳入到COSPAS-SARSAT基础上，积极推动北斗全球短报文成为LRIT及SSAS的通信提供商，跻身到海上安全及航行安全领域. 同时，积极参与有关GMDSS卫星系统标准、LRIT、SSAS、海上安全信息播发以及COSPAS-SARSAT国际搜救的规则制修订. 全面提升我国海事话语权和影响力. 规范层面，国内联合海事、渔业、气象、应急、工信等多个行业主管机关、船级社及相关厂商，联合制定及逐步完善体系业务系统及服务的规范标准；国际方面，推动在IEC层面制定北斗海事终端的国际标准；形成北斗全球海上遇险与安全服务生态体系. 国际应用方面，推动北斗应急示位搜救系统、海上安全信息播发系统在亚太区域应急搜救及航海保障的复制应用，并通过北斗全球海上遇险与安全服务体系推广让更多国家认识北斗，运用北斗.
3.3 定制化应用
北斗全球海上遇险与安全服务体系定制化应用，实现不同应用场景的潜在增值需要. 拓展应用场景方面，在北斗EPIRB基础上，推动北斗个人定位信标(personal location beacon，PLB)应用，充分利用北斗短报文在大众智能手机端应用的技术突破，实现侠义北斗PLB，北斗人员搜救信标(man overboard，MOB)的小型化、集约化和低功耗；同时利用大众、商业公司及专业机构组成广义BD-MCC，形成一个泛在的遇险递送网络，实现千万级的广义北斗PLB(如北斗卫星消息智能手机)、侠义北斗PLB和北斗MOB的服务闭环. 挖掘业务需求方面，在北斗海上安全信息播发基础上，开展北斗船舶气象导航服务，利用北斗短报文通道，实现基于实时船位或远洋航线的远洋气象导航服务信息定制推送、气象信息的自主获取以及基于船舶位置的海洋气象要素动态采集. 此外，探索北斗短报文与搜救雷达应答器(search and rescue radar transponder，SART)、远程船舶自动识别系统(longrange automatic identification system，L-AIS)等结合应用.
4. 结束语
北斗在全球海上遇险与安全服务领域应用中，本文提出北斗全球海上遇险与安全服务体系，通过引入广义BD-MCC概念，设计该服务体系架构；结合北斗特色服务与海事业务，在国际海事框架下给出该服务体系在全球与亚太的功能特征；全面梳理该服务体系所包含业务系统的业务流程及服务规范；同时展望了在系统化、国际化及定制化方面的应用；系统性阐述北斗全球海上遇险与安全服务体系内涵及未来发展方向，为深化北斗短报文应用提供参考.
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表 1 北斗系统服务、频段与载荷对应表
服务类型 频段 卫星 载荷 区域短报文 L上行
S下行3GEO RDSS 位置报告 L上行
S下行3GEO RDSS 全球短报文 L上行
B2b下行14MEO
24MEO+3IGSORNSS
RNSS国际搜救 UHF上行
B2b下行6MEO
24MEO+3IGSOSAR
RNSS
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