应用北斗系统提升水上应急反应能力

2016-10-12徐明强刘嘉华

中国航海 2016年3期

关键词：北斗船舶应急

徐明强，刘嘉华，俞毅，刘辉

(东海航海保障中心，上海 200086)

应用北斗系统提升水上应急反应能力

徐明强，刘嘉华，俞毅，刘辉

(东海航海保障中心，上海 200086)

为有效提高我国水上应急反应体系的应急反应能力，需着力提升应急时间、提高目标定位精度、增强各部门的协调能力。对此，将我国现有的水上应急反应技术和产品与北斗卫星导航系统相结合，相继组织开发出北斗应急示位标、北斗个人求生设备、北斗AIS一体机、北斗船载接收机、北斗高精度连续定位系统及北斗数据传输终端等不同类型的导航终端产品，形成多功能、多层次和多形态的终端产品型谱。最终形成以北斗技术为支撑、航海数据收集全覆盖、数据传输稳定、位置信息精准、信息安全可靠和应急指挥顺畅的水上应急管理体系。研究和实践结果表明：基于北斗系统的信息技术平台能有效提升水上应急反应能力。

北斗；设备；应急反应；能力

Abstract: The maritime emergency response system of China needs to improve in the responding time, the locating accuracy and the service coverage. The Beidou satellite navigation system featuring functions of communication, positioning and timing is a good choice to effectively improve the emergency response capacity. Combining with the water emergency response technology and the functions of the Beidou navigation system, the Donghai Navigation Guarantee Administration has developed a series of products, including Beidou emergency position indicating beacon, Beidou personal life-saving equipment, Beidou AIS all-in-one machine, Beidou ship borne receiver, continuous operational reference system based on Beidou, Beidou data transmission terminal and other different types of navigation terminal products based on the Beidou satellite navigation system. The series of products can satisfy the requirements of different application levels. The further development will be focused on constructing a Beidou supported maritime emergency management system which covers whole service area functioning navigation data acquisition, stable data transmission, accurate positioning, safety information exchanging, and smooth emergency commanding.

Keywords: Beidou; equipment; emergency response; capability

2015年6月1日，重庆东方轮船公司所属的由南京开往重庆的“东方之星”号客船在航行至湖北省荆州市监利县长江大马洲水道时遭遇突发性强对流天气而翻沉，除12人生还之外，其余442人全部遇难。《事件调查报告》[1]明确指出，应“加强内河航运安全信息化动态监管和应急救援能力建设”，“充分发挥信息技术在提高安全防范和应急反应能力方面的重要作用”。

北斗卫星导航系统(以下简称“北斗系统”)是我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。在航海领域积极开展北斗定位、导航、授时及通信的关键技术研发，加强北斗技术在航海领域的应用推广，可实现我国水上应急反应能力的显著提升。

1 北斗系统现状

北斗系统的基本服务区范围为55°E～180°E，55°S～55°N，覆盖区域包含我国及我国周边地区、南海及东南亚地区和澳大利亚，定位精度10 m，高程10 m，授时精度50 ns，测速精度0.2 m/s。我国领土区域为重点服务区，区域内用户除了可使用北斗系统进行定位、测速及授时之外，还可利用卫星进行短报文通信。

2 北斗系统在水上应急反应体系中的应用

北斗系统在水上应急反应体系中的应用范围非常广泛，与水上应急反应相关的数据资源中，约有70%的数据与船舶位置及精确时间密切相关。北斗系统具有定位、授时和通信三大核心功能，能将船舶和应急反应平台置于统一的高精度时空框架内，必将在提升水上应急反应能力建设方面发挥重要作用。[2]

2.1提高水上应急反应体系的响应速度

将北斗系统的通信功能应用于船舶遇险报警中，能确保水上遇险信息的及时性和准确性。[3]北斗系统具备双向通信功能，具有定位精度高、覆盖范围广、可靠性高和通信保密性强的显著优点，能极大地提高水上搜救效率，进一步提升水上应急反应能力。[4]

2.2提高水上应急反应体系的位置精度

北斗地基增强系统能提供沿海、内河北斗差分服务和高精度的连续定位服务，实时定位精度从米级至厘米级，构成北斗系统的重要组成部分。该系统可为沿海水域及内河水域提供三维、实时、高精度的定位服务[5]，可在水上应急反应中为遇险船舶和救援船舶提供高精度的位置数据，大幅度提升救援能力[6]。

2.3提高水上应急反应体系的数据整合能力

水上应急反应体系数据涉及面广、信息容量大、增长速度快，且蕴含的信息价值高，包括船舶交通管理系统(Vessel Traffic Services，VTS)信息数据、船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)数据、航标遥测遥控数据、水文气象数据[7]、船舶和船员静态数据等。对北斗系统技术进行深化应用和融合创新，整合数据，加强数据分析发掘、数据可视化和信息安全与隐私保护，实现对船舶航行更为准确的监测、分析、预测、预警和提醒，提高数据的针对性、科学性和时效性。

针对北斗系统在水上应急反应体系中的应用需求，开发北斗应急示位标、北斗个人求生设备、北斗AIS一体机、北斗船载接收机、北斗高精度连续定位系统及北斗数据链路传输系统等不同类型的导航终端产品，形成多功能、多层次、多形态的终端产品型谱，为提升应急能力提供重要的技术对接手段，最终形成以北斗技术为支撑、安全可靠、全覆盖的水上应急管理和指挥系统(见图1)。[8]

图1 北斗系统水上应急终端型谱

3 北斗系统产品研发和应用情况

3.1北斗应急示位标

我国水上遇险报警主要依靠甚高频(Very High Frequency,VHF)、中频及高频的数字选择型呼叫(Digital Selective Calling，DSC)系统和国际搜救卫星系统(COSPAS-SARSAT)的紧急无线电示位标(Emergency Position Indicating Radio Beacon，EPIRB)，内河水域尚无专用的船舶遇险报警系统。DSC系统具有覆盖范围小、信号干扰大和误报警频繁的劣势(见表1)。

表1 水上遇险报警方式比较[9]

EPIRB为单向数据传输，遇险人员不能了解当前救助实施情况；此外，国际搜救卫星系统地面控制中心位于加拿大，我国海上搜救部门不能第一时间获取原始遇险信息；对政府公务船及军事船来说，相关应急信息无法得到有效保密。EPIRB终端发出的船舶遇险信息的传递普遍存在滞后现象(平均延时0.75～2 h)，容易导致搜救行动延误。我国内河船舶未要求配备专用应急报警设备。近年来，我国船舶已接近35万艘，包括船员、渔民和钻井平台作业人员等在内的涉水公众约1 300万人，遇险对象的个体化、小型化趋势日益明显。此外，海上遇险安全系统核心技术装备依赖进口，安装和使用成本偏高，不能满足中小型船舶和落水个体的普遍安装要求。

北斗应急示位标是将EPIRB与北斗系统相结合的产品，克服了EPIRB时间滞后、信息保密等不足，其性能指标见表2，具有以下特点。

1) 可向北斗卫星发射遇险报警信息，并可接收北斗卫星回执信息。

2) 自动漂浮式，该设备、支架和释放装置能在水上遇到极端情况时正常工作。

3) 配有适当的手段防止意外启动；在浮离后自动启动；能手动启动和手动关闭；配有指示控制中心已应答的装置；能在平静的水中直立浮起，且在所有情况下均具有正稳性和足够的浮力；能从20 m高处落入水中而不损坏；能在任何角度的横倾或纵倾情况下，在尚未达到4 m水深前自动释放和浮离；设备颜色为橘色或黄色等醒目颜色，表面有一定面积的逆向反光材料；配有低负载白色环照灯(≥0.75 cd)，每分钟闪烁20～30次，为附近的幸存者和救助单位指示其位置；配有主要用于飞机搜寻的121.5 MHz信标；电池的容量足以使北斗应急无线电示位标至少工作24 h；具备报警取消功能。

表2 北斗应急示位标的性能指标

将北斗应急示位标信息与我国海上搜救中心及各级搜救中心联网，依托国家水上应急搜救系统实现船舶遇险信息的及时推送和应急响应信息的发送(见图2)，可实现报警信息、北斗、AIS和电子海图信息的同步推送及报警信息与交通运输部海事系统大数据的融合共享。

图2 基于北斗应急示位标的水上应急搜救系统

3.2北斗个人求生设备

北斗个人求生设备具有北斗短报文上报位置功能和定位功能，可佩戴在身上。人员执行任务落水后，该设备可自动开机，迅速向指挥用户机发射求救信号及位置信息，为顺利搜救人员提供依据，可大大加快抢救时间，提高遇险者的生还率，节约时间、人力及物力。其体积小、携带方便、工作时间长、实用价值高、用途广泛。该设备发射成功率≥95%，捕获时间(开机至解调出信息所需的时间)≤2 s。

3.3北斗AIS一体机

受AIS覆盖距离限制、AIS基站服务器容量和信道容量的局限性、AIS基站在我国沿海的分布情况、内陆山区和丘陵地区对AIS信号的影响及AIS基站对电源、宽带等保障系统的要求等因素影响，目前还无法做到AIS在我国领海及河内通航水域全覆盖。为解决该问题，利用北斗导航卫星的通信和定位功能开发北斗AIS一体机。[10]

北斗AIS一体机集北斗船载终端和AIS船台功能于一体，是北斗导航技术和船舶自动识别技术的有机结合。目前该产品已在海事航标船和海事测量船上试用。在我国沿海运输船和内河船上推广北斗AIS一体机，既有利于补充AIS基站，做到我国所有水域AIS监控基本全覆盖，也有利于船舶全面掌握现场交通流情况，避免碰撞危险局面出现(见图3)。

图3 北斗AIS一体机数据传输系统

北斗AIS一体机具备以下几项功能。

1) AIS功能：终端支持现有B级AIS船台的所有AIS功能，包括电子海图显示、全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System ，GNSS)定位、导航、AIS船舶自动识别及AIS短消息等。

2) 北斗功能：终端支持北斗功能，包括北斗/GPS双模定位、船舶位置自动上报、远程调取船位、紧急报警、区域报警、导航及船船/船岸/船与手机之间的短消息通信等。

3) AIS信息北斗转发功能：转发本船AIS信息、周围遇险船舶和人员的AIS求救信息、周围船舶水上移动通信业务标识码(Maritime Mobile Service Identity，MMSI)和位置信息、周围指定船舶的AIS详细信息、岸台向本船周围所有船舶发送的广播信息及岸台向本船周围指定船舶发送的AIS短消息。上述转发功能可由岸台遥控开启或关闭。单次发送AIS船舶信息数≥6条；单周期发送AIS船舶数≥30艘。

4) 附加功能：北斗AIS一体机还可选装身份证读卡器、条形码扫描器等各类附件；增加船员电子认证、危化品电子认证及船舶电子签证等操作程序，实现对船员、货物及船舶静态情况的监管，为船舶安全管理提供便利。

3.4北斗高精度连续定位系统(以下简称“北斗CORS系统”)

北斗CORS系统是北斗卫星定位技术、计算机网络技术和数字通信技术等高新科技多方位、深度结合的产物。该系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统和用户应用系统等5个部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络，可满足从毫米级到米级的需求，为应急扫测、应急沉船打捞及相关水上应急抢险提供高精度的位置信息。

北斗CORS系统彻底改变了传统的实时动态差分法(Real-Time Kinematics，RTK)测量作业方式，主要优势为：采用连续基站，用户可随时观测，提高了工作效率；拥有完善的数据监控系统，可有效消除系统误差和周跳，增强差分作业的可靠性；用户无需架设参考站，真正实现单机作业，降低成本；使用固定可靠的数据链通信方式，减少噪声干扰；提供远程INTERNET服务，实现数据共享。

基于北斗CORS系统的“大型船舶高精度导航及靠泊仪”是“大型集装箱船舶能见度不良天气条件下进出洋山深水港航海保障系统建设工程”的重要组成部分，2014年8月5日在洋山港“新宁波”轮上进行实船靠泊试验，取得良好的效果。该靠泊仪支持GPS和北斗2种定位模式，可同时支持北斗、AIS及雷达等设备包含的船舶数据的接收与显示，并提供厘米级的高精度导航定位服务，从而为夜航、雾航情况提供技术支持，确保在洋山深水港区域内实现全天候、全天时的安全快速进出港及靠离泊。因此，北斗高度连续定位系统也能为恶劣天气条件下的应急反应指挥提供一种有效手段。

3.5北斗系统数据传输链路

北斗系统具有可靠性和保密性高的特点，能实现覆盖区域的短报文数据传输；在船、岸、海洋、海岛、礁石及大桥等与航海保障相关的区域安装相关数据采集设施[11]，通过北斗短报文通道将实时数据传输到应急反应指挥平台上。对海洋、港口及气象等与航海安全相关的基础要素进行采集和管理，在水上应急反应指挥方面起到辅助决策的作用。[12]

目前这些北斗数据采集平台已起到非常大的作用。在航标应用中，交通运输部海事局应用北斗系统在航标遥测系统中进行航标移位监测，并依靠北斗系统完成航标工作参数遥测传输，有效提高航标效能、维护质量。同时，国家海洋局远海的水文数据和气象数据也已采用北斗系统传输[13]，目前在远海灯浮、沿海岛礁和沿海灯塔上实时收集现场数据，能为水上应急抢险指挥提供辅助决策，可有效提高海域管理水平、服务质量及监控能力。