李豪 張熙

0 引言

2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，這是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為全球用戶提供定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，同時具備特有的短報文通信能力，可廣泛應(yīng)用于國土測繪、交通運輸、農(nóng)林牧漁、災(zāi)害管理等諸多行業(yè)領(lǐng)域。

北斗短報文功能是北斗衛(wèi)星系統(tǒng)特有的一項技術(shù)，允許衛(wèi)星定位終端和北斗衛(wèi)星或北斗地面服務(wù)站之間直接通過衛(wèi)星信號進行雙向的信息傳遞。北斗短報文在通訊困難地區(qū)，可提供可靠的定位、通信能力，進而可實現(xiàn)安全監(jiān)控和應(yīng)急救援管理。目前，北斗短報文功能已在外海、遠洋作業(yè)[1][2]、油田勘探開采[3]等領(lǐng)域得到具體應(yīng)用，在人員、裝備的安全保障方面發(fā)揮了重要作用。我單位長期從事基礎(chǔ)測繪，常常在偏遠地區(qū)甚至無人區(qū)開展作業(yè)，這些地區(qū)往往交通不便、生活資源匱乏，常伴有極端天氣等情況，容易發(fā)生突發(fā)事件，對人員的人身安全有較大威脅。且加上通訊條件困難，普通的地面無線網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋，一旦發(fā)生突發(fā)事件，若無法及時通信和定位，就難以實施救援。本文在傳統(tǒng)位置監(jiān)控平臺的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)通訊困難地區(qū)的應(yīng)急通訊和位置監(jiān)控增強。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，基于北斗短報文的應(yīng)用系統(tǒng)主要由北斗衛(wèi)星、北斗終端、地面中心站、平臺（配北斗數(shù)傳）、PC端、移動互聯(lián)網(wǎng)和手機終端等部分組成。系統(tǒng)的通訊過程為：北斗終端發(fā)起短報文消息，經(jīng)北斗衛(wèi)星傳遞到地面中心站處理，消息處理后再發(fā)出，經(jīng)北斗衛(wèi)星傳遞到北斗數(shù)傳設(shè)備并接入平臺，平臺根據(jù)預(yù)先設(shè)定的消息接收人，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)將信息轉(zhuǎn)發(fā)至PC端和手機APP端，或通過短信通知發(fā)送至手機聯(lián)系人。但接收者一般無法直接沿原路徑回復(fù)消息，只能借助北斗終端回復(fù)消息。這種方式一方面要求安全管理人員必須隨身攜帶北斗終端，并保持終端天線不被遮擋，會造成很大的不便，且容易丟失信息；另一方面，若在應(yīng)急救援時，北斗終端不足或未及時找到終端，造成信息回復(fù)延遲，這對于被救者的身心是很大的考驗，極大地影響救援行動的平穩(wěn)實施。因此，有必要實現(xiàn)從接收端（PC端、APP端、短信端）沿原路徑回復(fù)短報文消息的能力。

圖1 北斗短報文應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 平臺功能增強

2.1 應(yīng)急通訊增強

除了配備北斗終端設(shè)備的兩端能夠直接進行短報文通訊外，平臺需要配備北斗數(shù)傳設(shè)備，才能與北斗終端進行短報文的雙向通訊。滿足基本的硬件條件后，可通過以下幾個方面實現(xiàn)基于北斗短報文的應(yīng)急通訊增強。

2.1.1 基礎(chǔ)協(xié)議

北斗終端的通信協(xié)議當(dāng)前主要有兩個版本,《北斗一號用戶機數(shù)據(jù)接口要求》版本4.0，2006.11發(fā)布，簡稱4.0協(xié)議；《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶終端通用數(shù)據(jù)接口（預(yù)）》[4]，版本2.1，2014.08.14發(fā)布，簡稱2.1協(xié)議。4.0協(xié)議為二進制格式，只支持6個波束；2.1協(xié)議為文本格式，支持10個波束，兼容RDSS（衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)）和RNSS（衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)）。由于2.1協(xié)議有更好的功能性和擴展性，目前市面上的RDSS產(chǎn)品逐漸采用該協(xié)議進行開發(fā)，RDSS產(chǎn)品大部分支持4.0協(xié)議，但開始逐漸被2.1協(xié)議取代。

另外協(xié)議要求，北斗終端用戶機與用戶機、用戶機與地面中心站之間每次最多傳遞120個漢字或1680比特的信息，所以應(yīng)當(dāng)注意信息的精簡。值得注意的是，隨著北斗三號短報文通信服務(wù)能力的升級，區(qū)域通信能力將達到每次14000比特（1000漢字），既能傳輸文字，還可傳輸語音和圖片，并支持每次560比特（40個漢字）的全球通信能力[5]。但鑒于當(dāng)前北斗三號短報文服務(wù)處于過渡階段，本文仍采用北斗二號的北斗終端設(shè)備進行協(xié)議通訊。

2.1.2 自定義接收對象標(biāo)識

為了實現(xiàn)衛(wèi)星通信層的北斗終端和移動互聯(lián)網(wǎng)層的手機之間相互通信，需要中間服務(wù)作信息中轉(zhuǎn)。中轉(zhuǎn)時涉及發(fā)送方和接收方的ID轉(zhuǎn)換，從北斗終端至手機端，需要將目標(biāo)ID轉(zhuǎn)換為手機號，反過來從手機到北斗終端，需要將目標(biāo)ID轉(zhuǎn)換為北斗卡號，因此，需要定義特定的語句完成二者的信息交互。目標(biāo)ID為終端的唯一標(biāo)識，可以綁定為人員姓名、手機號碼、北斗卡號、車牌號等自定義對象標(biāo)識如圖2所示，平臺只要保持這些信息的一一對應(yīng)關(guān)系，則均可轉(zhuǎn)換為目標(biāo)ID所對應(yīng)的終端。通常目標(biāo)ID可用人名代替，方便記憶和使用，同時減少內(nèi)容長度。例如：安全@甲方@17800000000，表示同時向姓名為甲方和手機號碼為17800000000的兩人發(fā)送消息，正文為“安全”。

圖2 自定義接收對象標(biāo)識

2.1.3 對象標(biāo)識符

定義標(biāo)識符，便于內(nèi)容和對象解析，同時支持多個對象疊加。進行一對多的消息轉(zhuǎn)發(fā)，確保消息冗余，及時有人回應(yīng)。采用消息正文中不常用的中文字符，如@、#、$等符號。

2.1.4 短信原路徑回復(fù)

短信原路徑回復(fù)，需在電信運營商處開通短信網(wǎng)關(guān)功能，實現(xiàn)短消息雙向互動。經(jīng)過平臺中轉(zhuǎn)，短信中包含發(fā)送者信息，短信按此目標(biāo)進行回復(fù)，例如：收到@0201124@乙，圖3給出了一個手機接收北斗短報文消息并作出回復(fù)的實例。

圖3 手機短信接收與回復(fù)北斗短報文

2.1.5 消息分類

報平安、報警、求救等特殊消息：平臺設(shè)置固定報警接收人；

通用消息：自主發(fā)送消息到平臺內(nèi)的任意注冊用戶。

通過上述方法，可以實現(xiàn)普通終端與北斗終端之間的信息互動，滿足信息通訊的及時性要求。除了預(yù)先設(shè)定消息接收人之外，這種方法可以通過北斗終端向指定的多個人員發(fā)送消息，大大拓展了平臺通訊的自由度。

2.2 位置監(jiān)控增強

2.2.1 位置監(jiān)控服務(wù)基本架構(gòu)

如圖4所示，位置監(jiān)控服務(wù)基本架構(gòu)由下到上依次包含設(shè)備層、通信層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和業(yè)務(wù)層五個層次。其中，傳統(tǒng)位置監(jiān)控服務(wù)一般包含實時定位監(jiān)控、歷史軌跡回放、電子地圖展示、電子圍欄管理、報警信息管理、終端設(shè)備管理等基本功能，廣泛應(yīng)用到交通、國土、農(nóng)林牧漁等領(lǐng)域中。若在此基礎(chǔ)上引入北斗短報文服務(wù)，可拓展無人區(qū)應(yīng)急監(jiān)控、應(yīng)急通訊、應(yīng)急調(diào)度等相關(guān)的應(yīng)急管理功能，擴大監(jiān)控的覆蓋面，進一步保障通訊困難地區(qū)作業(yè)人員的安全。

圖4 位置監(jiān)控服務(wù)體系基本架構(gòu)

2.2.2 北斗終端位置信息回傳

北斗短報文終端具備北斗二代的全球?qū)Ш蕉ㄎ还δ埽嫒荼倍芬淮?，可以獲得可靠、精確的位置信息，通過北斗短報文傳回信息，彌補普通的位置安全監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)在移動互聯(lián)網(wǎng)通信困難地區(qū)無法監(jiān)控的不足，基于北斗短報文終端的位置監(jiān)控的主要過程如下：

北斗終端首先通過北斗衛(wèi)星（二代無源定位）獲取自身位置，并將位置信息按北斗通信協(xié)議編碼，調(diào)制信號經(jīng)北斗衛(wèi)星通信鏈路傳送至北斗數(shù)傳設(shè)備，信號經(jīng)解調(diào)解譯后傳輸至平臺服務(wù)器供其解析，平臺按北斗用戶數(shù)據(jù)接口協(xié)議解析后可獲知終端的位置。其中，若使用一代有源定位，發(fā)起終端可直接發(fā)起定位通信申請，不必事先獲取自身位置，但采用北斗二代衛(wèi)星定位的精度更高，通常采用二代定位結(jié)果進行回傳。

北斗短報文終端進行位置回傳時，可以采用兩種申請方式[4]。

(1)位置報告申請（WAA語句）

格式：$--WAA,x,x.x,xxxxxxx,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x.x,U*hh

WAA為雙向語句，通過信息類型來區(qū)分，各字段參見表1。

表1 WAA語句格式說明

例 如：“$BDWAA,0,,1782817,14241 8.00,3033.89000,N,10416.46000,E,516,M*3B”，表示接收到由北斗號為1782817的終端設(shè)備發(fā)來的位置報告，位置報告時間為14時24分18秒，定位結(jié)果為北緯30°33.89000′，東經(jīng)104°16.46000′，大地高為516m。

(2)通信申請（TXA/TXR語句）

定位信息采用一般通信申請的形式編碼，最長能發(fā)送1680比特，一次可以容納多個定位信息，但需要自定義經(jīng)緯度信息的編碼結(jié)構(gòu)用于編碼和解譯，一般由終端廠商提供。

格 式：$--TXA,xxxxxxx,x,x,c--c*hh

格 式：$--TXR,x,xxxxxxx,x,hhmm,c--c*hh

TXA語句表示發(fā)出信息，TXR語句為接收信息，各字段含義參見表2、表3，首尾標(biāo)識符與WAA語句含義相同。

表2 TXA語句格式說明

表3 TXR語句格式說明

例 如：“$BDTXR,1,1782817,2,,A4C 6D5CDA8B6CCD0C5313233252F2D2B*4B”，表示接收到由北斗號為1782817的終端設(shè)備發(fā)來的通信信息，采用混合編碼傳輸方式，其正文內(nèi)容為A4C6D5CD A8B6CCD0C5313233252F2D2B，需根據(jù)終端廠商協(xié)議進行解析。

兩種語句比較起來，WAA語句數(shù)據(jù)格式固定，只實現(xiàn)位置信息傳輸；而TXR/TXA語句屬于北斗短報文的基礎(chǔ)語句，可以實現(xiàn)各種類型數(shù)據(jù)（文本、語音、圖像等）的傳輸，限制小、可擴展性強，靈活度和保密性更強。

以上語句均采用ASCII碼進行編碼、傳輸、解譯，平臺根據(jù)語句獲取定位結(jié)果并提供后續(xù)相關(guān)業(yè)務(wù)的位置服務(wù)，圖5給出了一個歷史軌跡回放的案例。

圖5 西藏偏遠山區(qū)北斗短報文終端定位軌跡

2.2.3 北斗終端的特點

北斗終端與普通定位終端相比有如下特點：

一是通信信號較弱，對環(huán)境遮擋更為敏感，需要采取措施盡量保持赤道方向天空無遮擋。

二是回傳頻率低，北斗終端依賴北斗卡進行衛(wèi)星通訊，因衛(wèi)星通訊帶寬資源有限，一般限制通訊間隔時間為5分鐘或1分鐘。而普通終端采用3G/4G網(wǎng)絡(luò)進行基站通訊，可以實現(xiàn)15秒、5秒甚至是1秒的回傳頻率。鑒于此，建議選用支持多點采集的北斗終端，一次可回傳多個采集點數(shù)據(jù)如圖6所示，使軌跡更加平滑。同時，通過增大回傳間隔、增加采集點的方式可以降低通訊頻率，減少電能消耗。

圖6 北斗終端設(shè)置位置連續(xù)上報參數(shù)

因此，除了北斗終端使用條件和使用頻率有特殊要求外，在定位監(jiān)控方面與普通終端一致，可通過平臺（數(shù)傳中心設(shè)備）方便地接入位置服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)全域覆蓋的位置監(jiān)控，提高人員的安全保障和應(yīng)急救援能力。

值得一提的是，限于民用北斗用戶機權(quán)限，平臺（數(shù)傳中心設(shè)備）無法像北斗指揮機那樣主動獲取遠端用戶機的定位信息，會對位置獲取實時性有一定影響，但通過調(diào)整用戶機連續(xù)回傳頻率可緩解這一問題。

3 結(jié)語

本文著重打通北斗終端與互聯(lián)網(wǎng)終端之間的信息交換通道，實現(xiàn)應(yīng)急通訊增強，滿足應(yīng)急狀況下信息及時傳遞，一定程度上可提高應(yīng)急救援的效果。目前，基于北斗短報文的位置監(jiān)控和應(yīng)急通訊功能在應(yīng)急監(jiān)控、應(yīng)急調(diào)度、災(zāi)害管理等方面得到了廣泛應(yīng)用，未來隨著北斗三號的短報文功能升級，其承載的多媒體信息形式（文本、圖像、語音等）將更加豐富，內(nèi)容更加直觀，針對應(yīng)急救援的平臺功能也會更加完善，救援行動將更加及時、高效。