北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗系統(tǒng)）是我國研發(fā)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可以為全球用戶提供高精度、高可靠性的導(dǎo)航定位、授時(shí)和短報(bào)文等服務(wù)。北斗短報(bào)文將通信和導(dǎo)航進(jìn)行融合，是北斗系統(tǒng)區(qū)別于其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的特色服務(wù)。在短報(bào)文業(yè)務(wù)上，北斗短報(bào)文比移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，比傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的成本低，在提供應(yīng)急通信和物聯(lián)網(wǎng)通信等方面發(fā)揮著重要作用，尤其是在無地面通信網(wǎng)或地面通信網(wǎng)不可用的情況下，能夠保障通信的安全性和穩(wěn)定性。北斗短報(bào)文不僅可作為地面通信網(wǎng)的補(bǔ)充和應(yīng)急保障，還可為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控、資源管理等提供技術(shù)支持，已廣泛應(yīng)用于電力、交通、氣象、環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域。 隨著2020年北斗三號(hào)系統(tǒng)全球組網(wǎng)成功，目前北斗短報(bào)文技術(shù)日趨成熟，已開始應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如電力、遠(yuǎn)洋通信、生態(tài)監(jiān)測、航班追蹤、滑坡監(jiān)測、應(yīng)急救援及衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)播發(fā)等方面。此外，也有學(xué)者對北斗短報(bào)文的服務(wù)性能指標(biāo)及短報(bào)文加密方案和通信安全等方面進(jìn)行了研究，但針對北斗短報(bào)文發(fā)展的綜合性研究比較少。因此，本文旨在全面梳理北斗短報(bào)文的發(fā)展歷程，分析北斗短報(bào)文的應(yīng)用，探討北斗短報(bào)文發(fā)展面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 ? ?0 1? ? 北斗短報(bào)文的發(fā)展歷程 1.1發(fā)展歷程 北斗系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了“三步走”戰(zhàn)略。2000年，北斗一號(hào)建成，采用有源定位方式；2012年，北斗二號(hào)建成，面向亞太地區(qū)提供無源定位服務(wù)；2020年，北斗三號(hào)建成，面向全球提供無源定位服務(wù)。有源定位是衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（Radio Determination Satellite Service，RDSS），在定位過程中需要地面上的接收機(jī)向北斗衛(wèi)星發(fā)送請求，才能接收到定位信息。無源定位是衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（Radio Navigation Satellite System，RNSS），接收機(jī)只需要接收來自衛(wèi)星的信號(hào)即可完成定位。北斗系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了有源定位和無源定位2種方式，北斗短報(bào)文的發(fā)展也隨著北斗系統(tǒng)的發(fā)展不斷演進(jìn)。 北斗一號(hào)系統(tǒng)受限于早期資金和技術(shù)水平，采用有源定位方式，正因?yàn)橛性炊ㄎ粰C(jī)制，北斗一代衛(wèi)星才具備了短報(bào)文通信的功能，短報(bào)文通信是RDSS為實(shí)現(xiàn)位置報(bào)告而衍生出的功能。在2008年汶川地震救援中，北斗短報(bào)文在應(yīng)急通信方面起到重要作用。 北斗二號(hào)雖然采用了無源定位方式，但由于北斗短報(bào)文通信功能的優(yōu)越性，因此北斗二號(hào)將RDSS體制保留了下來，并將RNSS與RDSS體制相融合，加強(qiáng)和完善了短報(bào)文服務(wù)能力，擴(kuò)展了短報(bào)文的服務(wù)容量，基于短報(bào)文實(shí)現(xiàn)了用戶快速跟蹤與遇險(xiǎn)救援報(bào)警。北斗二號(hào)短報(bào)文一次可傳輸36個(gè)漢字，申請核準(zhǔn)的可以傳送120個(gè)漢字。 北斗三號(hào)在兼容RDSS體制的基礎(chǔ)上，采用廣義RDSS體制和RNSS＋短報(bào)文通信體制，短報(bào)文服務(wù)能力得到了極大提升。短報(bào)文接收機(jī)發(fā)射功率降到3 W以下，單次通信能力提升到1000個(gè)漢字，服務(wù)容量提高到1000萬次/h以上，既能傳輸文字，也可傳輸語音和圖片，為北斗短報(bào)文大規(guī)模應(yīng)用推廣提供了條件。 1.2 發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)短報(bào)文服務(wù)特點(diǎn)，北斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)了位置報(bào)告、應(yīng)急搜救和報(bào)文通信3種基本服務(wù)，為短報(bào)文國際化推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)條件。此外，北斗三號(hào)短報(bào)文通信服務(wù)在民用推廣方面進(jìn)行了優(yōu)化，滿足了北斗短報(bào)文民用通信服務(wù)對系統(tǒng)大容量和終端小型化的需求，并設(shè)計(jì)了相對獨(dú)立的民用信號(hào)，更利于北斗短報(bào)文通信服務(wù)的民用推廣。北斗短報(bào)文通信服務(wù)根據(jù)服務(wù)范圍分為區(qū)域短報(bào)文通信（RSMC）和全球短報(bào)文通信（GSMC）。 RSMC通過3顆地球靜止軌道衛(wèi)星，為中國及周邊地區(qū)（東經(jīng)50°~160°，北緯0°~60°）用戶提供北斗短報(bào)文服務(wù)，最大單次報(bào)文長度為14000 bit（1000個(gè)漢字）。GSMC通過14顆MEO衛(wèi)星，為特定用戶提供全球隨遇接入服務(wù)，最大單次報(bào)文長度為560 bit（40個(gè)漢字），北斗短報(bào)文的詳細(xì)性能參數(shù)如表1所示。 表1 北斗短報(bào)文通信性能指標(biāo) 2022年7月，北斗三號(hào)實(shí)現(xiàn)了大眾手機(jī)可以“不換卡、不換號(hào)、不加外部設(shè)備”方式接入北斗短報(bào)文通信服務(wù)，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了大眾手機(jī)衛(wèi)星通信能力。 2022年9月，支持北斗衛(wèi)星消息的大眾手機(jī)發(fā)布，當(dāng)用戶身處無地面網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋環(huán)境下，可將文字和位置信息向外發(fā)出，這標(biāo)志著北斗短報(bào)文通信開始應(yīng)用于大眾消費(fèi)領(lǐng)域。 ? ?0 2? ? 北斗短報(bào)文通信原理與特征 2.1 通信原理 北斗短報(bào)文通信依托于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，其通信原理和一般的衛(wèi)星通信方式類似，通信方式包括短報(bào)文終端發(fā)送至短報(bào)文終端和短報(bào)文終端發(fā)送至普通手機(jī)2種方式，本節(jié)將詳述其通信原理和過程。 2.1.1 短報(bào)文終端發(fā)送至短報(bào)文終端 北斗短報(bào)文通信系統(tǒng)由天上的衛(wèi)星、地面的控制站和短報(bào)文終端這3個(gè)部分組成，每個(gè)短報(bào)文終端都有唯一的一個(gè)ID號(hào)，并采用1戶1密的加密方式，其通信基本原理如圖1所示，通信過程包括以下幾步。 圖1 北斗短報(bào)文終端通信示意 a）發(fā)送方將接收方ID號(hào)和通信內(nèi)容加密，然后通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面中心。 b）地面中心接收到通信申請信號(hào)后，先確認(rèn)發(fā)送方的身份信息，經(jīng)過確認(rèn)是合法用戶后，將接收到的信息經(jīng)過北斗衛(wèi)星廣播給用戶。 c）接收方短報(bào)文終端通過密鑰接收信號(hào)后，解密出站報(bào)文信息。 d）發(fā)送方可以進(jìn)行通信回執(zhí)查詢，確認(rèn)接收方是否收到信息。 2.1.2 短報(bào)文終端發(fā)送至普通手機(jī) 目前北斗三號(hào)短報(bào)文服務(wù)已與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)打通，北斗短報(bào)文終端（包括配置短報(bào)文功能的大眾手機(jī)）可以向普通手機(jī)發(fā)送短信息。其通信服務(wù)鏈路如圖2所示，通信過程一般包括以下幾個(gè)步驟。 圖2 北斗短報(bào)文公眾應(yīng)用通信示意 a）使用配有北斗短報(bào)文功能的終端，向北斗衛(wèi)星發(fā)送信息。 b）北斗衛(wèi)星收到消息后，將信息發(fā)給地面短報(bào)文通信服務(wù)平臺(tái)，地面短報(bào)文通信服務(wù)平臺(tái)識(shí)別接收方為普通手機(jī)。 c）將短報(bào)文通過地面網(wǎng)絡(luò)推送至融合通信網(wǎng)關(guān)，再由融合通信網(wǎng)關(guān)發(fā)至目標(biāo)手機(jī)，以實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文終端與普通手機(jī)之間的短報(bào)文通信服務(wù)。 2.2 通信特征 北斗短報(bào)文服務(wù)作為一種衛(wèi)星通信，繼承了衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣及全天候的優(yōu)勢，另外也具有攜帶定位功能及成本低等優(yōu)勢。 a）覆蓋范圍廣，遠(yuǎn)程通信優(yōu)勢明顯。北斗短報(bào)文可以在全球范圍內(nèi)使用，不受地面網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的限制，只要有北斗衛(wèi)星信號(hào)覆蓋的地方，都可以進(jìn)行通信。 b）具有定位功能，在偏遠(yuǎn)地區(qū)遇到危險(xiǎn)的時(shí)候可以及時(shí)地向外界發(fā)送定位信號(hào)，為后續(xù)救援隊(duì)員開展救援提供信息支持。 c）成本較低，相對于其他衛(wèi)星通信設(shè)備，北斗短報(bào)文終端具有成本優(yōu)勢，且北斗短報(bào)文通信服務(wù)費(fèi)也較低。 北斗短報(bào)文的通信頻度和短報(bào)文發(fā)送長度存在限制，例如，北斗區(qū)域短報(bào)文一個(gè)用戶正常服務(wù)頻率為1次/30 s，最大頻率為1次/1 s，單次報(bào)文最大長度為14000 bit。此外，北斗短報(bào)文的響應(yīng)時(shí)延也較長，不能滿足實(shí)時(shí)高并發(fā)、大容量的通信需求。 ? ?0 3? ? 北斗短報(bào)文應(yīng)用 北斗短報(bào)文服務(wù)應(yīng)用場景有兩大類，一是應(yīng)急通信，二是數(shù)據(jù)傳輸。 3.1 應(yīng)急通信 北斗短報(bào)文應(yīng)急通信是指利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報(bào)文功能，在突發(fā)事件中，無地面通信網(wǎng)絡(luò)或地面通信基站遭受破壞時(shí)，可直接依靠北斗短報(bào)文進(jìn)行緊急通信的一種方式。該通信方式具有覆蓋范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在應(yīng)急救援工作中起到重要作用，其應(yīng)用場景如下。 a）自然災(zāi)害。地震、臺(tái)風(fēng)及洪澇等自然災(zāi)害會(huì)導(dǎo)致地面通信中斷，北斗短報(bào)文應(yīng)急通信可以為災(zāi)區(qū)提供緊急通信支持。例如，在地震災(zāi)害中，北斗短報(bào)文通信可以在最短時(shí)間內(nèi)向救援人員傳輸災(zāi)區(qū)信息、救援需求等重要信息，協(xié)助救援人員實(shí)現(xiàn)救援目標(biāo)。 b）公共安全。在發(fā)生火災(zāi)、爆炸及交通事故等公共安全事件時(shí)，地面通信信號(hào)不穩(wěn)定或通信設(shè)備易被破壞，用戶難以及時(shí)與救援人員取得聯(lián)系，而北斗短報(bào)文可以提供緊急通信支持。此外，北斗短報(bào)文可幫助一線救援隊(duì)員保持與外界聯(lián)系，提升公共安全事件救援效率，保障公眾安全。 c）信號(hào)盲區(qū)。當(dāng)在無人區(qū)、荒漠及海洋等地面網(wǎng)絡(luò)信號(hào)盲區(qū)時(shí)，北斗短報(bào)文可以為大眾用戶提供衛(wèi)星通信服務(wù)。例如，用戶在無人區(qū)遇到危險(xiǎn)時(shí)，可以使用北斗短報(bào)文將包含位置的求救信息發(fā)送出去。 3.2 數(shù)據(jù)傳輸 北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，是指利用北斗短報(bào)文在無網(wǎng)絡(luò)的情況下，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以北斗短報(bào)文的形式進(jìn)行傳輸。目前北斗短報(bào)文支持具備文字、圖片、語音等數(shù)據(jù)傳輸能力。北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，可以不受網(wǎng)絡(luò)情況限制，實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸，其應(yīng)用場景如下。 a）數(shù)據(jù)采集。北斗短報(bào)文通信可以用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，野外無人值守的儀器設(shè)備，部署在無地面網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的區(qū)域時(shí)，可采用北斗短報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如，氣象、水文及地質(zhì)災(zāi)害等監(jiān)測設(shè)備，一般部署區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施較差，可以利用北斗短報(bào)文遠(yuǎn)程傳遞采集數(shù)據(jù)。 b）物聯(lián)網(wǎng)通信。北斗短報(bào)文通信可以用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信，通過將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與北斗終端進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息傳輸，如智能設(shè)備、傳感器等設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控等。 3.3 北斗短報(bào)文應(yīng)用行業(yè) 北斗短報(bào)文通信服務(wù)覆蓋全球，設(shè)備成本低，覆蓋區(qū)域廣，能夠隨時(shí)接入，可對地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效補(bǔ)充，隨著北斗短報(bào)文技術(shù)的日趨成熟，北斗短報(bào)文已應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，下面是典型的行業(yè)應(yīng)用。 a）電力領(lǐng)域。北斗短報(bào)文用于電力信息的采集，使得用電數(shù)據(jù)可以及時(shí)有效地上傳。此外，在通信網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)，工作人員利用北斗短報(bào)文進(jìn)行信息傳遞，實(shí)現(xiàn)基于電力任務(wù)的聯(lián)動(dòng)和防護(hù)。 b）海洋漁業(yè)。北斗短報(bào)文可用于船舶的進(jìn)出港、指令調(diào)度、海上搜救等方面。漁政局會(huì)通過業(yè)務(wù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)獲取作業(yè)漁船的狀態(tài)，漁民也可利用短報(bào)文與監(jiān)控中心聯(lián)系，并基于北斗短報(bào)文發(fā)送求救信息。 c）農(nóng)牧領(lǐng)域。在無蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋的牧區(qū)，在牲畜身上穿戴具有北斗短報(bào)文功能的終端，可以監(jiān)測牛羊等牲畜的位置和運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放牧，提高畜牧業(yè)的管理水平。此外，北斗短報(bào)文還可以用于牧區(qū)的應(yīng)急救援等。 d）地災(zāi)監(jiān)測?；诒倍范虉?bào)文的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸問題，可在無地面通信網(wǎng)時(shí)，將監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行上報(bào)。同時(shí)北斗短報(bào)文的廣播功能也可以將災(zāi)害預(yù)警信息及時(shí)播發(fā)給受災(zāi)用戶。 e）應(yīng)急救援?；诒倍范虉?bào)文可以實(shí)現(xiàn)災(zāi)前監(jiān)測和信息上報(bào)，在災(zāi)后地面通信設(shè)施遭到破壞時(shí)，北斗短報(bào)文可以進(jìn)行應(yīng)急通信；在救災(zāi)過程中，北斗短報(bào)文的雙向通信功能，可以實(shí)現(xiàn)災(zāi)區(qū)車輛和人員的調(diào)度，提升應(yīng)急救援效率。 ? ?0 4? ? 北斗短報(bào)文面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn) 北斗通導(dǎo)融合的特性使得北斗系統(tǒng)比其他GNSS有獨(dú)特優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，隨著國家出臺(tái)的一系列北斗推廣應(yīng)用政策及北斗短報(bào)文與新興技術(shù)的融合，北斗短報(bào)文的發(fā)展應(yīng)用迎來巨大機(jī)遇，也面臨諸多挑戰(zhàn)。 4.1 機(jī)遇 隨著國家出臺(tái)的一系列北斗推廣應(yīng)用政策，北斗短報(bào)文的應(yīng)用需求也隨之增大。北斗短報(bào)文在民用方面進(jìn)行了優(yōu)化，滿足了終端小型化的需求，便于在大眾消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用。隨著越來越多的大眾手機(jī)和穿戴式設(shè)備支持北斗短報(bào)文服務(wù)，未來北斗短報(bào)文的應(yīng)用場景和領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大。在北斗國際化推廣中，北斗短報(bào)文使得北斗系統(tǒng)具有很大的競爭優(yōu)勢，這也促進(jìn)了北斗短報(bào)文的國際應(yīng)用。此外，隨著北斗短報(bào)文與5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的結(jié)合，將催生出新的應(yīng)用場景，也為北斗短報(bào)文的應(yīng)用發(fā)展提供了新機(jī)遇。 4.2 挑戰(zhàn) 北斗短報(bào)文可解決無（弱）地面通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的基本通信需求，但目前短報(bào)文在通信容量、通信效率等方面還有待提升。 a）通信容量有限。目前北斗短