基于北斗卫星系统的中海油海上应急搜救系统及应用

文 | 谢晓辉 王平 张轲 蒋文学 韩国彬 兰斌

1.中国海洋石油集团有限公司 2.青岛杰瑞自动化有限公司 3.中海油信息科技有限公司深圳分公司

一、引言

北斗全球卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航与通信系统，可在全球范围内为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具备短报文通信能力；并于2020年7月31日正式开通，提供全球服务。

中海油是中国最大的海上油气生产运营商。面对海上作业高投入、高风险挑战，在海上人员落水搜救方面，存在搜救装备落后，主要依靠人眼视觉、望远镜及船用雷达观察发现遇难目标的问题，急需先进技术装备来改变目前海上救生装备陈旧、不配套、性能差的现状。目前，应急搜救系统主要是船舶安全报警系统（SSAS）和全球海上遇险与安全系统（GMDSS），遇险时在国家搜救系统范围内向岸上搜救中心报警。中海油遇险报警系统主要供船舶使用，并没有个人使用的遇险报警系统，自动化智能化水平较低。

基于北斗导航卫星的应急搜救系统，具备导航定位和远程通信能力，可有效扩大搜救范围，提高搜救速度，还可用于船舶航迹及人员作业监控。通过北斗海上应急搜救系统试点建设，开展新型便携式搜寻终端应用、建立海上陆地一体化搜救中心，可实现搜救现场和搜救中心的险情信息快速、准确地交换，提升海上应急搜救指挥能力。本文描述的中海油北斗海上应急搜救系统，以RDSS和RNSS融合技术为基础，运用蓝牙等成熟通信技术，解决了常规通信手段失效时，提供遇险船舶及作业人员与指挥中心的应急通信能力。

二、北斗海上应急搜救系统部署

1.系统组成

北斗海上应急救援系统主要由北斗搜救指挥中心、北斗船载搜救终端及北斗个人搜救终端组成，图1为中海油北斗海上应急救援系统组成示意图。中海油海上试点系统分别在海油南北两地部署了陆上搜救指挥中心，海上作业船舶部署了船载搜救终端和单兵个人搜救终端。搜救指挥中心主要具备信息处理、搜救信息管理、搜救筹划与指挥、日常值班接警和统计分析等功能；搜救终端主要具备预警信息接收、紧急报警、位置跟踪、定位导航、短报文通信和蓝牙通信等功能。

图1 北斗海上应急救援系统组成示意图

该系统利用北斗RNSS信号进行用户位置解算以及单向授时，并利用北斗RDSS短报文功能进行双向报文通信，即用户自己解算搜救终端位置信息，通过短报文将搜救终端的位置信息和遇险报警信息发送至北斗搜救指挥中心，由指挥中心完成对下属终端指挥及遇险搜救调度。

（1）北斗搜救指挥中心

北斗搜救指挥中心设备主要包括北斗指挥机及室外北斗天线。搜救中心指挥机将北斗指挥机与加固计算机一体化集成，使单台加固式指挥机即可完成一个便携式搜救中心的所有基本功能，无需配备额外的计算机或服务器等硬件平台，可满足机动、便携、易部署等方面的使用需求；同时具备北斗定位、指挥、监收、通播等功能，可以通过北斗短信息报文进行指挥、调度、监收以及数据传输。

北斗搜救指挥中心主要技术指标：

· 对终端管理能力：大于等于100部；

· 搜救范围：北斗卫星系统信号覆盖范围；

· 报警信息响应时间：≤2min（从报警终端发出报警信号到搜救中心处理完告警的时间）。

（2）北斗个人搜救终端

北斗个人搜救终端在人员落水后自动开机启动报警流程，也可以通过手动按下电源按钮开机启动报警流程。个人搜救终端启动报警流程后，通过北斗导航系统RNSS无源定位技术和RDSS的短报文通信技术，周期性地将遇险人员的准确坐标、时间等信息实时告知救援中心，从而显著提高应急救援的响应速度和搜救成功率。其应用原理如图1中北斗个人搜救终端与北斗搜救指挥中心之间的相互关系所示。北斗个人搜救终端主要指标如表1所示。

表1 北斗个人搜救终端主要指标

（3）北斗船载搜救终端

北斗船载搜救终端具备北斗导航系统无源定位功能，能够实时获取作业船舶的实时位置信息。同时，集成专业的电子海图，实现北斗导航的同时兼具北斗短报文通信功能，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他船载搜救终端之间的双向通信。如图1中船载终端、北斗卫星及北斗指挥中心之间的相互关系所示。北斗船载搜救终端性能指标如表2所示。

表2 北斗船载搜救终端主要指标

2.技术原理

北斗海上应急搜救系统的技术原理如图2所示。在发生遇险情况下，搜救终端自动发出遇险信号，发送至北斗搜救指挥中心，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北斗海上应急搜救系统，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，实现对海上遇险者的搜寻救助。

图2 基于北斗系统的海上应急搜救系统技术原理图

该系统采用北斗导航星座的RNSS信号进行用户位置解算以及单向授时。仅利用一颗地球静止轨道（GEO）卫星的双向数据传输能力，进行双向报文通信，即系统自动解算位置信息，通过短报文将位置信息和遇险报警信息发送至搜救中心。系统采用较多的导航星座卫星的RNSS信号进行位置解算和授时，精度更高，可适应高动态用户使用。此外，系统不需要用户机与主控站之间双向交互进行用户位置计算，一定程度上释放了系统容量。

该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，解决了目前我国海上搜救体系方式较落后，时效性、准确性较低的现状；解决了个人遇险搜救系统缺乏的问题；并有效提高了搜救系统的覆盖范围。

三、北斗海上应急搜救示范应用

北斗海上应急搜救系统部署后，针对海上遇险实时报警、准确定位、远程通信等需求进行了实测验证。北斗海上应急搜救系统主要性能体现在系统自身和搜救终端的定位及通信能力。下面结合现场实际应用场景，介绍测试验证和应用情况。

1.系统定位及通信能力

北斗海上应急搜救系统包括北斗定位和短报文报警功能。在紧急情况下触发终端，终端自动定位，并发送位置信息和报警信息。

（1）系统定位能力

北斗搜救系统覆盖区域为我国及周边地区。在我国及周边地区，系统定位性能较北斗系统基本定位性能进一步提高，定位精度优于5m，测速精度优于0.1m/s，授时精度优于10ns。

（2）系统信息发送能力

北斗短报文通信功能可将遇险报警信息、遇险位置信息等发送至搜救指挥中心或者接收指挥中心指令、执行指令。用于其他用途时，如数据采集、作业状态监控等也可通过系统发送。北斗系统在不同区域短报文的通信能力不同。在中国及周边地区，可使用区域短报文。

2.终端定位及通信能力

采用搜救终端的静态定位精度指标测试方法衡量终端定位性能指标对需求的满足情况；采用统计报警信息测试方法衡量搜救终端通信能力的满足程度。

（1）终端定位性能

选取北斗个人搜救终端和北斗船载搜救终端进行定位精度测试：个人搜救终端定位精度北向定位误差3.19m，东向定位误差10.94m，水平定位误差11.40m；北斗船载搜救终端北向定位误差为1.33m，东向定位误差为0.61m，水平定位误差为1.46m；测试精度表明，船载搜救终端定位性能优于个人搜救终端，在海上人员落水和船舶遇险时，满足用户要求的20m精度误差内。

（2）终端通信能力

使用假人佩戴个人搜救终端浸入水中（模拟人员落水），终端天线露出水面，记录自个人搜救终端浸入水中与指挥中心收到搜救终端的报警位置信息的时间间隔：北斗个人搜救终端报警时间为28s，满足用户要求在1～2分钟之内的指标。

在海上作业船舶将船载搜救终端进行初始化，按下SOS红色按键、输入报警信息并记录时间，在搜救指挥中心监控软件查看接收的报警信息后，统计时间差：北斗船载搜救终端报警时间为57s，满足用户要求时间在1分钟内的指标。

3.测试结果分析

经过实际验证测试，北斗海上搜救系统功能符合要求，性能指标达到预期设计指标。个人终端定位精度在10m左右，船载终端定位精度优于2m，遇险报警通信建立时间在1～2分钟之内。在遇险搜救中能够快速准确地定位遇险目标，及时组织救援。

（1）满足个人遇险报警响应要求

基于北斗的应急搜救系统能够在1分钟内建立报警通信，使得搜救中心及时发现遇险人员，并以最快速度通知所属船舶，并在电子海图上直观显示遇险人员位置，展开救助行动。

（2）满足动态追踪船舶遇险轨迹的要求

船舶遇险报警后，系统可自动将船舶位置不断报送至搜救指挥中心。在船舶因海流、风等因素导致船舶位置移动的情况下，指挥中心能够实时跟踪船舶移动轨迹，预测船舶可能移动区域范围，结合电子海图，直观反映船舶遇险位置，快速调度应急搜救力量进行救助。

（3）满足动态数据采集要求

经测试，北斗短报文通信可在1分钟内发送，短报文的数据长度可达14kbit（单次报文最大长度），对于小数据包的数据采集业务可以满足通信要求。利用北斗短报文通信，指挥中心除了可以动态获取船舶的作业位置信息外，还可以通过数据采集获取相关船舶作业状态、运行状态等信息。

（4）满足船舶应急救助指挥调度要求

船舶部署的北斗便携式指挥中心，在船舶电子地图上动态显示遇险地点，以最快速度前往遇险地对遇险人员进行救助。岸上指挥中心亦可以动态查看遇险地附近可用的应急搜救力量，发送调度指令至船舶前往遇险地点，实施应急救助。

4.北斗海上应急搜救系统应用

通过试点建设，该套系统可以对中海油试点项目作业船舶进行实时状态监测。依托北斗卫星提供的航行数据，为作业船只航路数据分析、优化航路、船期以及规避风险提供了宝贵的数据积累和大数据分析基础。

（1）船舶状态实时监测

系统通过北斗船载终端上传的实时数据，实现对下属船只的船位、船向及是否在线等状况进行实时的精确显示，并存储记录轨迹信息，作为作业船只调度管理的理论参考。

（2）船舶航路及船期的优化

系统能够实时记录下属船舶的轨迹、航速及航向等基础信息，并以作业船舶名称为文件名，自动存入数据库，通过自带的数据管理系统，自动完成用户信息、船舶航线信息、船舶设备信息、船舶参数信息等数据的统计整理，使各种杂乱无章的海量数量可以得到高效地提取和应用，快速识别有价值的信息。从而，经过大数据分析，规划出合理的航路及航期优化路线。

（3）防台避险

同时，结合系统自带的台风预警信息发布及短报文通信功能，指挥中心通过台风预测轨迹标注，测算中海油被影响到的船舶数量，并依据受台风飓风影响的船舶列表，通过北斗短报文进行险情预警，为防台避台提供又一种保障手段。

（4）应急通信

系统建设成功后，解决了海上作业船舶长期在宽带及VSAT信号缺失的情况下，缺乏有效通信手段的技术困扰，能够有效保障作业船舶与指挥中心的信息交互及指令传达。

四、结束语

中海油试点建设的北斗海上应急搜救系统，可有效应用于船舶和船员应急搜救、应急船舶调度和指挥。基于北斗导航卫星的海上应急搜救系统综合运用了多种卫星导航技术，为指挥、救援和日常调度提供了基于卫星的现代化全新手段，在海上遇险搜救中发挥了良好的示范作用。此外，该系统提供的航行数据为作业船舶航路数据分析、优化航路、船期以及规避风险提供了宝贵的数据积累和大数据分析基础。