北斗短报文发展与应用.pdf
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1、邮电设计技术/2024/03收稿日期:2024-01-230 引言北斗卫星导航系统(北斗系统)是我国研发的导航定位系统,可以为全球用户提供高精度、高可靠性的导航定位、授时和短报文等服务。北斗短报文将通信和导航进行融合,是北斗系统区别于其他全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的特色服务。在短报文业务上,北斗短报文比移动通信网络覆盖范围广,比传统卫星通信的成本低,在提供应急通信和物联网通信等方面发挥着重要作用,尤其是在无地面通信网或地面通信网不可用的情况下,能够保障通信的安全性和稳定性。北斗短报文不仅可作为地面通信网的补充和应急保障,还
2、可为实时数据传输、远程监控、资源管理等提供技术支持,已广泛应用于电力、交通、气象、环保等多个领域。随着2020年北斗三号系统全球组网成功,目前北斗短报文技术日趋成熟,已开始应用于各个行业,如电力1-2、远洋通信3-4、生态监测5-6、航班追踪7、滑坡监测8、应急救援9-10及卫星定位数据播发11-12等方面。此外,也有学者对北斗短报文的服务性能指标13-14及短报文加密方案和通信安全15-16等方面进行了研究,但针对北斗短报文发展的综合性研究比较少。因此,本文旨在全面梳理北斗短报文的发展历程,分析北斗短报文的应用,探讨北斗短报文发展面临的机遇和挑战。1 北斗短报文的发展历程1.1 发展历程北斗
3、短报文发展与应用Development and Application of Beidou Short Message关键词:北斗卫星导航系统;北斗短报文;应急通信doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2024.03.011文章编号:1007-3043(2024)03-0053-05中图分类号:TN927文献标识码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):摘要:全面梳理了北斗短报文的发展历程、通信原理和特征,分析了北斗短报文的应用场景及在各行业的应用,探讨北斗短报文发展面临的机遇和挑战,并对未来的发展进行了展望,为北斗短报文的发展研究提供参考。Abstract:It c
4、omprehensively reviews the development history,communication principles and characteristics of Beidou short messages,analyzes the application scenarios and its applications in various fields,explores the opportunities and challenges faced by thedevelopment of Beidou short messages,and provides an ou
5、tlook of future development,which provides reference for the de-velopment research of Beidou short message.Keywords:BeiDou satellite navigation system;BeiDou short message;Emergency communication金耀1,2,张贺1,2,王泽林1,2,张子宁1,2,沈世奎1,2,赵良1,2(1.中国联通研究院,北京 100048;2.下一代互联网宽带业务应用国家工程研究中心,北京 100048)Jin Yao1,2,Zh
6、ang He1,2,Wang Zelin1,2,Zhang Zining1,2,Shen Shikui1,2,Zhao Liang1,2(1.China Unicom Research Institute,Beijing100048,China;2.Next Generation Internet Broadband Service Application National Engineering Research Center,Beijing 100048,China)金耀,张贺,王泽林,张子宁,沈世奎,赵良北斗短报文发展与应用无线通信Radio Communication引用格式:金耀,张
7、贺,王泽林,等.北斗短报文发展与应用 J.邮电设计技术,2024(3):53-57.532024/03/DTPT北斗系统的发展经历了“三步走”战略。2000年,北斗一号建成,采用有源定位方式;2012年,北斗二号建成,面向亚太地区提供无源定位服务;2020年,北斗三号建成,面向全球提供无源定位服务17。有源定位是卫星无线电测定业务(Radio Determination SatelliteService,RDSS),在定位过程中需要地面上的接收机向北斗卫星发送请求,才能接收到定位信息。无源定位是卫星无线电导航业务(Radio Navigation Satellite System,RNSS),
8、接收机只需要接收来自卫星的信号即可完成定位。北斗系统的发展经历了有源定位和无源定位2种方式,北斗短报文的发展也随着北斗系统的发展不断演进。北斗一号系统受限于早期资金和技术水平,采用有源定位方式,正因为有源定位机制,北斗一代卫星才具备了短报文通信的功能,短报文通信是RDSS为实现位置报告而衍生出的功能。在2008年汶川地震救援中,北斗短报文在应急通信方面起到重要作用。北斗二号虽然采用了无源定位方式,但由于北斗短报文通信功能的优越性,因此北斗二号将RDSS体制保留了下来,并将RNSS与RDSS体制相融合,加强和完善了短报文服务能力,扩展了短报文的服务容量,基于短报文实现了用户快速跟踪与遇险救援报警
9、。北斗二号短报文一次可传输36个汉字,申请核准的可以传送120个汉字。北斗三号在兼容RDSS体制的基础上,采用广义RDSS体制和RNSS短报文通信体制,短报文服务能力得到了极大提升。短报文接收机发射功率降到 3 W以下,单次通信能力提升到1 000个汉字,服务容量提高到1 000万次/h以上,既能传输文字,也可传输语音和图片,为北斗短报文大规模应用推广提供了条件。1.2 发展现状根据短报文服务特点,北斗系统设计了位置报告、应急搜救和报文通信3种基本服务,为短报文国际化推广应用提供了基础条件。此外,北斗三号短报文通信服务在民用推广方面进行了优化,满足了北斗短报文民用通信服务对系统大容量和终端小型
10、化的需求,并设计了相对独立的民用信号,更利于北斗短报文通信服务的民用推广。北斗短报文通信服务根据服务范围分为区域短报文通信(RSMC)和全球短报文通信(GSMC)。RSMC通过3颗地球静止轨道卫星,为中国及周边地区(东经50160,北纬060)用户提供北斗短报文服务13,最大单次报文长度为14 000 bit(1 000个汉字)17。GSMC通过14颗MEO卫星,为特定用户提供全球随遇接入服务,最大单次报文长度为 560 bit(40个汉字)17,北斗短报文的详细性能参数如表 1 所示18。2022年7月,北斗三号实现了大众手机可以“不换卡、不换号、不加外部设备”方式接入北斗短报文通信服务,在
11、世界上首次实现了大众手机卫星通信能力。2022年9月,支持北斗卫星消息的大众手机发布,当用户身处无地面网络信号覆盖环境下,可将文字和位置信息向外发出,这标志着北斗短报文通信开始应用于大众消费领域。2 北斗短报文通信原理与特征2.1 通信原理北斗短报文通信依托于北斗导航卫星系统,其通信原理和一般的卫星通信方式类似,通信方式包括短报文终端发送至短报文终端和短报文终端发送至普通手机2种方式,本节将详述其通信原理和过程。2.1.1 短报文终端发送至短报文终端北斗短报文通信系统由天上的卫星、地面的控制站和短报文终端这3个部分组成,每个短报文终端都有唯一的一个ID号,并采用1户1密的加密方式,其通信基本原
12、理如图 1 所示,通信过程包括以下几步19。a)发送方将接收方ID号和通信内容加密,然后通过卫星转发至地面中心。b)地面中心接收到通信申请信号后,先确认发送方的身份信息,经过确认是合法用户后,将接收到的信息经过北斗卫星广播给用户。c)接收方短报文终端通过密钥接收信号后,解密出站报文信息。表1北斗短报文通信性能指标性能特征服务成功率/%服务频度响应时延终端发射功率/W服务容量(上行)/(万次/h)服务容量(下行)/(万次/h)单次报文最大长度/bit性能指标RSMC95一般1次/30 s,最高1次/s1 s31 20060014 000(约相当于1 000个汉字)GSMC95-1 min1030
13、20560(约相当于40个汉字)金耀,张贺,王泽林,张子宁,沈世奎,赵良北斗短报文发展与应用无线通信Radio Communication54邮电设计技术/2024/03d)发送方可以进行通信回执查询,确认接收方是否收到信息。2.1.2 短报文终端发送至普通手机目前北斗三号短报文服务已与地面移动通信网络打通,北斗短报文终端(包括配置短报文功能的大众手机)可以向普通手机发送短信息。其通信服务链路如图2所示20,通信过程一般包括以下几个步骤。a)使用配有北斗短报文功能的终端,向北斗卫星发送信息。b)北斗卫星收到消息后,将信息发给地面短报文通信服务平台,地面短报文通信服务平台识别接收方为普通手机。c
14、)将短报文通过地面网络推送至融合通信网关,再由融合通信网关发至目标手机,以实现北斗短报文终端与普通手机之间的短报文通信服务。2.2 通信特征北斗短报文服务作为一种卫星通信,继承了卫星通信覆盖范围广及全天候的优势,另外也具有携带定位功能及成本低等优势。a)覆盖范围广,远程通信优势明显。北斗短报文可以在全球范围内使用,不受地面网络信号的限制,只要有北斗卫星信号覆盖的地方,都可以进行通信。b)具有定位功能,在偏远地区遇到危险的时候可以及时地向外界发送定位信号,为后续救援队员开展救援提供信息支持。c)成本较低,相对于其他卫星通信设备,北斗短报文终端具有成本优势,且北斗短报文通信服务费也较低。北斗短报文
15、的通信频度和短报文发送长度存在限制,例如,北斗区域短报文一个用户正常服务频率为1次/30 s,最大频率为1次/1 s,单次报文最大长度为14 000 bit17。此外,北斗短报文的响应时延也较长,不能满足实时高并发、大容量的通信需求。3 北斗短报文应用北斗短报文服务应用场景有两大类,一是应急通信,二是数据传输。3.1 应急通信北斗短报文应急通信是指利用北斗卫星系统的短报文功能,在突发事件中,无地面通信网络或地面通信基站遭受破坏时,可直接依靠北斗短报文进行紧急通信的一种方式。该通信方式具有覆盖范围广、抗干扰能力强等特点,在应急救援工作中起到重要作用,其应用场景如下。a)自然灾害。地震、台风及洪涝
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