申 翔，吴培仁

(1.江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061；2.中国人民解放军陆军工程大学训练基地，江苏 徐州 221000)

1 海上应急搜救发展现状

21世纪是海洋世纪。随着国内外航运业务飞速增长,各种自然和人为的海上险情和事故也多发,海难事故发生概率也显著增加,包括船舶海上航行中遇到大风浪、大雾等恶劣气象和海况导致的翻船、碰撞、触礁、搁浅等情况,以及因爆炸、火灾等原因导致船舶沉没。据国际劳工组织《渔业安全与健康报告》的统计,其中全球约有10万人在海难事故中丧生;每年每10万名渔民中有80人死于各种事故。

我国是海运大国。近年来,我国对海上搜救力量建设进行了较大的投入,使海上搜救能力有了很大提高,但与发达国家相比仍存在一定差距。首先,目前我国专业救助船舶相对老化,综合海上搜救功能和体系还不够完善和健全。在中远海恶劣海况情况下,专业救助船舶对海上火灾等突发应急救援能力还较弱。其次,我国海上搜救基础设施与装备的数量和质量,特别是在大风浪情况下快速有效的救助能力,还远不能适应海洋经济发展对海上应急救援能力的需求。对中国海上搜救能力有准确的评价,尽快提高海上搜救能力是当前迫切需要解决的问题。

目前国际上常见的海上求救定位设备包括两类:一是无线电信号类。最常用的是EPIRB(紧急定位示位标)。这一类的产品缺点是体积大、重量大、携带不方便,作用距离短。通常这一类设备安装在远洋货船上,对于个体遇险人员不太适用。二是采用火焰信号、烟雾信号类、信号弹类、浮灯类、海水染色类、反光带以及各种组合信号类(如图1所示)。其优点是携带方便、使用简单;缺点是不能主动地将其自身位置告诉搜救方,使用时受外界因素影响较大,不利于迅速、准确地确定和搜救遇难船舶和人员。

海上应急搜救主要存在的难点在于:1) 对于遇险者,如何第一时间,将报警信息准确地报告到海上搜救中心;2) 对于搜救中心,如何根据遇险情况,对搜救工作进行科学的决策,拿出最恰当的方案;3) 如何达成与搜救现场快速可靠地通信,从而实施准确地指挥;4) 对于现场搜救力量,如何准确地发现和定位遇险者/船只,在第一时间实施救助。

对此，我们需要一种设备,能够实时定位,并且能够支持远距离通信。而北斗卫星导航系统具备定位导航和远程通信等能力,适合用来解决这些难题。

2 北斗导航定位系统现状

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,简称为BDS,早期也称作 COMPASS)是由我国自主研制的一款全球卫星导航与定位系统。是继美国(GPS)、俄国(GLONASS)之后第三个已经投入实际运行的卫星导航系统。

2.1 系统能力

北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的导航、定位、授时服务,兼有短报文通信能力,并能向有更高要求的授权用户提供定制化服务。

北斗卫星导航系统主要提供以下的服务:

1)短报文通信:为终端用户提供基于卫星的双向报文通信功能,北斗系统覆盖范围内的任意两台终端用户均可进行双向短报文通信,不受距离限制。

2)精密授时:“北斗一号”系统具有精密授时功能,可向用户提供20 ns～100 ns时间同步精度。

3)有源定位:在有标校站的区域提供水平20 m的

定位精度,无标校站的区域提供水平100 m的定位精度。

4)无源定位:提供类似GPS系统的高精度无源定位、导航功能。

5)测速功能:精确测量载体的当前速度。

2.2 系统组成

北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端组成。截止2012年10月底,已发射在轨卫星16颗,已初步具备区域导航、定位和授时能力，见图2。

目前,北斗二号可以连续提供公开服务的区域为南纬55°至北纬55°,东经70°至东经150°的大部分区域。2020年系统建成后,北斗二号的服务将覆盖全球范围。

预计在2020年前后,北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能力。目前其定位精度优于20 m,授时精度优于100 ns。

3 基于北斗系统的海上应急搜救系统设计

海上人员遇险定位是海难事故搜救取得成功的前提,当今落水人员定位主要依靠搜救飞机或船舶上所载搜救人员肉眼定位的人工方式,以及航线预测、人员飘移预测模型等传统技术手段,这样救援的准确性和实时性较低,不能在第一时间定位遇险人员并对其施救。

北斗海上救生示位标采用北斗RDSS四合一导航模块,利用北斗卫星导航系统的定位、授时、短报文通信功能,实现了人员落水后设备自动开机、定位、发送求救信息的功能。这种救生标可以方便地佩带在衣服或救生衣上,改变目前拉网式搜救的传统方法,实现即时准确定位,大大的缩短了搜救时间,提高了遇险者的生还率,节约了时间、人力、物力。如果说GPS可以让使用者知道自己在哪里的话,那么北斗卫星导航系统则不仅可以让使用者知道自己在哪里,还可以让别人知道你在哪里。正是短报文通信这项北斗导航系统独有的功能为北斗导航运用到海上救生提供了技术上的可能。

基于北斗导航系统的海上应急搜救系统综合了遇险定位技术、信息综合处理技术、搜救筹划指挥技术,很好地解决了目前海上搜救存在的问题和难点。基于北斗导航系统的海上应急搜救系统由海上应急搜救指挥中心和海上遇险求救终端两部分组成，见图3。

在发生遇险情况下,遇险者利用遇险求救终端发出遇险信号,发送至搜救中心,并周期性上报遇险者(船只)的实时位置,指引搜救人员快速定位;搜救中心的指挥人员利用海上应急搜救系统,收集应急搜救相关信息,合理筹划安排,制定搜寻救援方案,并通过多种手段,指挥海上搜寻救助力量,协调海上搜寻救助相关资源,达成对海上遇险者的搜寻救助[1-3]。

3.1 搜救中心设计

海上应急搜救指挥中心主要功能是:1)在日常情况下,辅助搜救中心工作人员进行值班;利用电子海图,对海上搜救终端用户进行实时监控;收集管理海上搜救相关信息和数据。2)在收到海上遇险信息后,根据遇险情况,进行筹划和组织,制定应急搜救方案和计划;组织协调各相关单位和部门,实施海上应急搜救;对搜救过程进行指挥,掌握搜救进展情况;为搜救提供相应的信息、通信等方面的技术支撑，见图4。

海上应急搜救指挥中心主要有三种形式:岸基固定式搜救中心、车载机动式搜救中心、船载便携式搜救指挥设备。岸基固定式搜救中心主要开设于海上应急搜救主体单位(通常为海事局)的建筑物内,是海上应急搜救指挥机构人员工作平台;车载机动式搜救中心主要部署在各岸基指挥中心的直属派出支队/分队,用于海上应急搜救的前进指挥,就近协调应急搜救的相关事务,如安全警戒、医疗保障、事故调查、应急保障、宣传报道等;船载便携式搜救指挥设备部署于现场搜救指挥船舶,开展海上搜救的现场直接指挥。[1,4-5]

如图5所示，海上应急搜救指挥中心通常由信息接收处理设备、指挥作业设备、网络通信设备、多媒体显控设备以及供电等配套设备组成。

信息接收处理设备主要用于数据信息处理、数据存储备份等功能,包括信息处理服务器、信息存储服务器、北斗指挥机等。

指挥作业设备主要包括指挥工作台,提供业务工作人员席位,进行作业指挥使用,能够显示搜救态势,辅助指挥人员查询相关信息,制定搜救预案、方案,协同相关部门指挥搜救,监视搜救进程。

网络通信设备主要包括交换机、通信接入设备等,用于数据、话音等信息的传输与交换等,系统内部的各个分系统的设备通过网络通信分系统连接成一个完整的整体,实现系统的功能,并通过网络通信分系统与外部系统进行信息传递。

多媒体显控设备用于态势显示大屏投影以及音视频综合控制,包括投影显示设备、音视频切换及控制设备、投影幕及音箱等。

配套设备主要包括供电设备、机柜等,为系统各设备用电提供保障,以及设备安装存放。

3.2 海上遇险求救终端设计

海上遇险求救终端日常情况下能够接收海上应急搜救指挥中心发布的航行、天气、警示、通告信息;在发生险情时,可以主动或被动发出求救信号,并持续上报遇险者位置信息,便于搜救人员准确发现和定位。

海上遇险求救终端有船载搜救终端、个人遇险求救终端等形式。

船载搜救终端主要安装于海上作业船舶,在海上船舶发生险情时,及时报警求救;个人遇险求救终端安装在救生衣上,在穿戴者发生落水等险情时,报警求救并依此定位。

3.2.1 船载搜救终端设计

船载搜救终端主要安装在船舶上,日常可以为船舶进行示位导航,在发生海上险情,可以通过触按终端上的求救按钮,向指挥中心发送求救和位置信息。

船载搜救终端具备北斗二号导航系统无源定位功能,能够实时获取载体(渔船、搜救船、海警船等)当前位置信息;具备北斗一号短报文通信功能,能够接收来自指挥中心广播或点到点发送的气象、调度、避险、救援等预警和指挥信息,并向指挥中心上报状态、位置、险情、搜救工作等信息,实现与搜救中心和其它船载搜救终端之间的双向通信传输;可建立、存储、编辑、查阅航线和航路点,自动计算和显示下一个航路点及终点的方位、距离、航行时间和预计到达时间,为船舶海上航行提供航该导航服务;可在船舶到达目的地、偏离预定航线、接近碍航点、危险点、进入渔区等情形是,自动发出声音报警信号,警示用户及时做出反应。

搜救终端由搜救终端主机(显控单元)和卫星天线组成,其中搜救终端主机包括:北斗模块、控制模块、液晶显示器、输入模块、电源模块等，见图6。

船载搜救终端的主要性能指标如下:

• 定位类型: 北斗二号无源定位;

• 定位精度: ≤20 m(2D RMS);

• 定位频度: 1 Hz

• 定位成功率: ≥95%;

• 位置跟踪间隔: ≤2 min;

• 供电: AC220V/50Hz,DC24V;

• 平均功耗: ≤30 W;

• 主机尺寸: ≤340 mm×280 mm×140 mm;

• 主机重量: ≤5 kg;

• 天线尺寸: ≤Φ190 mm×170 mm;

• 天线重量: ≤4 kg。

3.2.2 个人求救终端设计

个人求救终端主要安装在救生衣上。当穿戴者遇险落水后,个人求救终端能够主动或被动地向搜救中心发送求救信号和位置信息,以便搜救中心在最短时间内获知使用者处于落水状态,并及时进行救援。个人求救终端在出发紧急报警或落水报警后,周期性的向搜救中心返回落水人员的位置信息,引导搜救船及时、准确的前去救援。

一体式个人求救终端主要由天线、射频电路、控制和卫星通信电路、入水检测电路等组成,如图7所示,样机外观如图8所示。

分体式搜救终端分为两个部分:定位通信组件和电源控制组件,主要模块包括:定位与通信电路、射频电路、天线、控制电路、入水检测电路和电池。分体式搜救终端组成如图9所示,外观如图10所示。

个人遇险求救终端的性能指标为:

• 定位精度:校标区≤20 m;非校标区≤100 m;

• 落水报警时延:5 s～6 s;

• 平均功耗:≤2 W;

• 连续工作时间:≥48 h;

• 重量:≤500 g;

• 防护等级:IP67;

3.3 关键技术实现[5]

3.3.1 防水设计

个人求救终端的一个最基本的功能是具备落水报警功能,要求终端具备防水功能,在浸水、喷淋的条件下不会发生进水而导致的工作异常。个人终端的防水设计主要体现在结构设计中,采用了上下壳防水,按键防水,电池门防水,传感器引出部分防水设计措施,主要方法有:选材、O型圈、打胶水等。

个人求救终端的壳体材料选用高强度、憎水性、耐腐蚀性塑料,在受到挤压、碰撞时不易发生形变,长期在海面或海水环境中不会因受到腐蚀而出现剥落、漏水,壳体表面不易出现水膜聚集。

个人求救终端外壳采用精密开模设计,在模具接口处设计为单一水平线,并有凹凸槽和O型密封圈,确保不会自连接处进水,如图11所示。

个人求救终端的设计有单独的电池仓,开口处采用凹凸槽和防水O型圈,电池接口及电池仓穿线处采用密封胶灌封处理;终端上的按键采用密封圈和硅胶帽进行密封设计,出线口处采用O型圈和密封胶灌封处理,确保终端在按键和出线口等处的防水密封性能，见图2。

3.3.2 低功耗设计

个人终端的一个最为关键的性能指标是续航时间,较长的续航时间能够为搜救中心持续提供落水人员的位置信息,为高效营救提供切实可靠的信息保障。但受到个人终端体积的限制,所能选择电池容量是一定的,低功耗设计技术能够保证在有限的电池容量下,最大限度的延长终端的续航时间。

个人终端的低功耗设计主要采取了以下几方面措施:

• 高度集成的芯片化设计技术

个人终端的射频电路、基带电路、控制电路、功放电路等主要模块全部采用芯片化设计,尽可能减少附加电路和分离元器件电路,这对降低终端的功耗起到决定性的作用。

• 低电压设计技术

电子电路的功耗与其工作电压有着密切关系,通过降低电子电路的供电电压可以进一步降低其工作时的功耗,个人终端采用的各种芯片的核心电压不超过1.8 V,部分IO接口工作电压不超过3.3 V,可有效降低终端功耗。

• 降频设计技术

个人求救终端是一个实时性要求不高的终端设备,终端能够每1min或更长时间发送一次示位信息即可满足使用需求,因此可对解算电路、控制电路的工作频率进行降频处理,确保RNSS定位信息每10 s更新一次即可满足实际使用需求。

• 电源管理设计技术

个人终端中RDSS发射电路是主要耗电电路,但该电路近在需要上报位置信息的瞬间需要较大功率,以能保证信号能够被北斗卫星可靠接收,其它时间则全部处于待机状态,对个人终端的RDSS模块的供电采用了专门的电源芯片,在需要发送信息之前打开RDSS供电电源,在完成发射之后立即关闭RDSS电源,将RDSS电路的待机功耗降到最低。

• 位置上报动态管理技术

个人终端在遇险时需及时上报报警信息和位置信息,但在搜救过程中却不必持续以恒定的较高频度上报信息,中心在接收到报警信息后,向个人终端发送准备前往救援指令,个人终端接收到此指令后自动降低位置报告频率;同时,个人终端的位置上报间隔随工作时间而逐渐降低,随搜救时间的流逝,其上报频率可由2min～5min逐渐降低指10min～30min一次,以进一步延长终端续航时间。

• 深度睡眠技术

个人终端在触发报警事件之前,处于深度睡眠状态,控制电路输入时钟关闭,整个终端进入功耗极低的待机水面状态,触发报警事件之后,控制电路立即唤醒,并进行定位解算,并将告警信息和位置信息上报指挥机,之后终端再次进入睡眠状态,仅部分计时电路处于工作状态,直到下一次警情上报时间间隙才再次唤醒工作。

4 发展启示

2013年9月,国家出台了《国家卫星导航产业中长期发展规划》,明确到2020年,要在公共安全、交通运输、防灾减灾、农林水利、气象、国土资源、环境保护、公安警务、测绘勘探、应急救援等重要行业及领域,实现卫星导航产品和服务规模化应用。

海上应急搜救系统研制与生产遵循系列化、通用化、组合化思想,系统功能软件采用构件化开发技术,设备可灵活配置、功能按需裁剪、系统快速集成,支持不同领域、不同部门的需求。系统可应用于海洋渔业安全生产保障、远洋交通运输监控、航空交通运输安全保障、军队日常训练保障以及野外(森林、沙漠、草原等无人区域)施工作业保障、海上石油钻井平台安控等领域。

目前国内对海上搜救终端的年需求量大约在1万套左右,带北斗定位通信功能的高端搜救终端的年需求量在5 000至10 000套左右。随着我国北斗系统的完善和国家级海洋产业政策的贯彻实施,北斗海上搜救终端的装备数量会大量增加。因此,发展北斗海上搜救系统对我国应急指挥系统的发展非常迫切。

5 结束语

基于北斗导航系统的海上应急搜救系统是海上遇险搜救手段和技术的一项重大突破,将在某种意义上极大改变目前拉网式搜救的传统方法,提高搜救效率,减少国家的搜救损失,具有革命性的意义。通过建立海上应急搜救系统,为保障遇险者生命财产安全提供先进的搜救装备,对落实国家的可持续性发展战略,谋求卫星导航产业的快速、持续和跨越式发展具有重要意义,对于促进国民经济发展,维护国家海上利益和国家安全,促进中国卫星导航产业的发展具有重要的推动作用。