基于北斗短报文的应急通讯与位置监控增强

李豪 张熙

0 引言

2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，这是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的全球卫星导航定位系统，为全球用户提供定位、导航、授时服务，同时具备特有的短报文通信能力，可广泛应用于国土测绘、交通运输、农林牧渔、灾害管理等诸多行业领域。

北斗短报文功能是北斗卫星系统特有的一项技术，允许卫星定位终端和北斗卫星或北斗地面服务站之间直接通过卫星信号进行双向的信息传递。北斗短报文在通讯困难地区，可提供可靠的定位、通信能力，进而可实现安全监控和应急救援管理。目前，北斗短报文功能已在外海、远洋作业[1][2]、油田勘探开采[3]等领域得到具体应用，在人员、装备的安全保障方面发挥了重要作用。我单位长期从事基础测绘，常常在偏远地区甚至无人区开展作业，这些地区往往交通不便、生活资源匮乏，常伴有极端天气等情况，容易发生突发事件，对人员的人身安全有较大威胁。且加上通讯条件困难，普通的地面无线网络无法覆盖，一旦发生突发事件，若无法及时通信和定位，就难以实施救援。本文在传统位置监控平台的基础上，实现通讯困难地区的应急通讯和位置监控增强。

1 系统结构

如图1所示，基于北斗短报文的应用系统主要由北斗卫星、北斗终端、地面中心站、平台（配北斗数传）、PC端、移动互联网和手机终端等部分组成。系统的通讯过程为：北斗终端发起短报文消息，经北斗卫星传递到地面中心站处理，消息处理后再发出，经北斗卫星传递到北斗数传设备并接入平台，平台根据预先设定的消息接收人，经由互联网和移动互联网将信息转发至PC端和手机APP端，或通过短信通知发送至手机联系人。但接收者一般无法直接沿原路径回复消息，只能借助北斗终端回复消息。这种方式一方面要求安全管理人员必须随身携带北斗终端，并保持终端天线不被遮挡，会造成很大的不便，且容易丢失信息；另一方面，若在应急救援时，北斗终端不足或未及时找到终端，造成信息回复延迟，这对于被救者的身心是很大的考验，极大地影响救援行动的平稳实施。因此，有必要实现从接收端（PC端、APP端、短信端）沿原路径回复短报文消息的能力。

图1 北斗短报文应用系统结构

2 平台功能增强

2.1 应急通讯增强

除了配备北斗终端设备的两端能够直接进行短报文通讯外，平台需要配备北斗数传设备，才能与北斗终端进行短报文的双向通讯。满足基本的硬件条件后，可通过以下几个方面实现基于北斗短报文的应急通讯增强。

2.1.1 基础协议

北斗终端的通信协议当前主要有两个版本,《北斗一号用户机数据接口要求》版本4.0，2006.11发布，简称4.0协议；《北斗卫星导航系统用户终端通用数据接口（预）》[4]，版本2.1，2014.08.14发布，简称2.1协议。4.0协议为二进制格式，只支持6个波束；2.1协议为文本格式，支持10个波束，兼容RDSS（卫星无线电定位系统）和RNSS（卫星无线电导航系统）。由于2.1协议有更好的功能性和扩展性，目前市面上的RDSS产品逐渐采用该协议进行开发，RDSS产品大部分支持4.0协议，但开始逐渐被2.1协议取代。

另外协议要求，北斗终端用户机与用户机、用户机与地面中心站之间每次最多传递120个汉字或1680比特的信息，所以应当注意信息的精简。值得注意的是，随着北斗三号短报文通信服务能力的升级，区域通信能力将达到每次14000比特（1000汉字），既能传输文字，还可传输语音和图片，并支持每次560比特（40个汉字）的全球通信能力[5]。但鉴于当前北斗三号短报文服务处于过渡阶段，本文仍采用北斗二号的北斗终端设备进行协议通讯。

2.1.2 自定义接收对象标识

为了实现卫星通信层的北斗终端和移动互联网层的手机之间相互通信，需要中间服务作信息中转。中转时涉及发送方和接收方的ID转换，从北斗终端至手机端，需要将目标ID转换为手机号，反过来从手机到北斗终端，需要将目标ID转换为北斗卡号，因此，需要定义特定的语句完成二者的信息交互。目标ID为终端的唯一标识，可以绑定为人员姓名、手机号码、北斗卡号、车牌号等自定义对象标识如图2所示，平台只要保持这些信息的一一对应关系，则均可转换为目标ID所对应的终端。通常目标ID可用人名代替，方便记忆和使用，同时减少内容长度。例如：安全@甲方@17800000000，表示同时向姓名为甲方和手机号码为17800000000的两人发送消息，正文为“安全”。

图2 自定义接收对象标识

2.1.3 对象标识符

定义标识符，便于内容和对象解析，同时支持多个对象叠加。进行一对多的消息转发，确保消息冗余，及时有人回应。采用消息正文中不常用的中文字符，如@、#、$等符号。

2.1.4 短信原路径回复

短信原路径回复，需在电信运营商处开通短信网关功能，实现短消息双向互动。经过平台中转，短信中包含发送者信息，短信按此目标进行回复，例如：收到@0201124@乙，图3给出了一个手机接收北斗短报文消息并作出回复的实例。

图3 手机短信接收与回复北斗短报文

2.1.5 消息分类

报平安、报警、求救等特殊消息：平台设置固定报警接收人；

通用消息：自主发送消息到平台内的任意注册用户。

通过上述方法，可以实现普通终端与北斗终端之间的信息互动，满足信息通讯的及时性要求。除了预先设定消息接收人之外，这种方法可以通过北斗终端向指定的多个人员发送消息，大大拓展了平台通讯的自由度。

2.2 位置监控增强

2.2.1 位置监控服务基本架构

如图4所示，位置监控服务基本架构由下到上依次包含设备层、通信层、数据层、应用层和业务层五个层次。其中，传统位置监控服务一般包含实时定位监控、历史轨迹回放、电子地图展示、电子围栏管理、报警信息管理、终端设备管理等基本功能，广泛应用到交通、国土、农林牧渔等领域中。若在此基础上引入北斗短报文服务，可拓展无人区应急监控、应急通讯、应急调度等相关的应急管理功能，扩大监控的覆盖面，进一步保障通讯困难地区作业人员的安全。

图4 位置监控服务体系基本架构

2.2.2 北斗终端位置信息回传

北斗短报文终端具备北斗二代的全球导航定位功能，兼容北斗一代，可以获得可靠、精确的位置信息，通过北斗短报文传回信息，弥补普通的位置安全监控服务系统在移动互联网通信困难地区无法监控的不足，基于北斗短报文终端的位置监控的主要过程如下：

北斗终端首先通过北斗卫星（二代无源定位）获取自身位置，并将位置信息按北斗通信协议编码，调制信号经北斗卫星通信链路传送至北斗数传设备，信号经解调解译后传输至平台服务器供其解析，平台按北斗用户数据接口协议解析后可获知终端的位置。其中，若使用一代有源定位，发起终端可直接发起定位通信申请，不必事先获取自身位置，但采用北斗二代卫星定位的精度更高，通常采用二代定位结果进行回传。

北斗短报文终端进行位置回传时，可以采用两种申请方式[4]。

(1)位置报告申请（WAA语句）

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

WAA为双向语句，通过信息类型来区分，各字段参见表1。

表1 WAA语句格式说明

例 如：“$BDWAA,0,,1782817,14241 8.00,3033.89000,N,10416.46000,E,516,M*3B”，表示接收到由北斗号为1782817的终端设备发来的位置报告，位置报告时间为14时24分18秒，定位结果为北纬30°33.89000′，东经104°16.46000′，大地高为516m。

(2)通信申请（TXA/TXR语句）

定位信息采用一般通信申请的形式编码，最长能发送1680比特，一次可以容纳多个定位信息，但需要自定义经纬度信息的编码结构用于编码和解译，一般由终端厂商提供。

格 式：$--TXA,xxxxxxx,x,x,c--c*hh

格 式：$--TXR,x,xxxxxxx,x,hhmm,c--c*hh

TXA语句表示发出信息，TXR语句为接收信息，各字段含义参见表2、表3，首尾标识符与WAA语句含义相同。

表2 TXA语句格式说明

表3 TXR语句格式说明

例 如：“$BDTXR,1,1782817,2,,A4C 6D5CDA8B6CCD0C5313233252F2D2B*4B”，表示接收到由北斗号为1782817的终端设备发来的通信信息，采用混合编码传输方式，其正文内容为A4C6D5CD A8B6CCD0C5313233252F2D2B，需根据终端厂商协议进行解析。

两种语句比较起来，WAA语句数据格式固定，只实现位置信息传输；而TXR/TXA语句属于北斗短报文的基础语句，可以实现各种类型数据（文本、语音、图像等）的传输，限制小、可扩展性强，灵活度和保密性更强。

以上语句均采用ASCII码进行编码、传输、解译，平台根据语句获取定位结果并提供后续相关业务的位置服务，图5给出了一个历史轨迹回放的案例。

图5 西藏偏远山区北斗短报文终端定位轨迹

2.2.3 北斗终端的特点

北斗终端与普通定位终端相比有如下特点：

一是通信信号较弱，对环境遮挡更为敏感，需要采取措施尽量保持赤道方向天空无遮挡。

二是回传频率低，北斗终端依赖北斗卡进行卫星通讯，因卫星通讯带宽资源有限，一般限制通讯间隔时间为5分钟或1分钟。而普通终端采用3G/4G网络进行基站通讯，可以实现15秒、5秒甚至是1秒的回传频率。鉴于此，建议选用支持多点采集的北斗终端，一次可回传多个采集点数据如图6所示，使轨迹更加平滑。同时，通过增大回传间隔、增加采集点的方式可以降低通讯频率，减少电能消耗。

图6 北斗终端设置位置连续上报参数

因此，除了北斗终端使用条件和使用频率有特殊要求外，在定位监控方面与普通终端一致，可通过平台（数传中心设备）方便地接入位置服务系统，实现全域覆盖的位置监控，提高人员的安全保障和应急救援能力。

值得一提的是，限于民用北斗用户机权限，平台（数传中心设备）无法像北斗指挥机那样主动获取远端用户机的定位信息，会对位置获取实时性有一定影响，但通过调整用户机连续回传频率可缓解这一问题。

3 结语

本文着重打通北斗终端与互联网终端之间的信息交换通道，实现应急通讯增强，满足应急状况下信息及时传递，一定程度上可提高应急救援的效果。目前，基于北斗短报文的位置监控和应急通讯功能在应急监控、应急调度、灾害管理等方面得到了广泛应用，未来随着北斗三号的短报文功能升级，其承载的多媒体信息形式（文本、图像、语音等）将更加丰富，内容更加直观，针对应急救援的平台功能也会更加完善，救援行动将更加及时、高效。