應用北斗系統提升水上應急反應能力

徐明強， 劉嘉華， 俞 毅， 劉 輝

(東海航海保障中心， 上海 200086)

應用北斗系統提升水上應急反應能力

徐明強， 劉嘉華， 俞 毅， 劉 輝

(東海航海保障中心， 上海 200086)

為有效提高我國水上應急反應體系的應急反應能力，需著力提升應急時間、提高目標定位精度、增強各部門的協調能力。對此，將我國現有的水上應急反應技術和產品與北斗衛星導航系統相結合，相繼組織開發出北斗應急示位標、北斗個人求生設備、北斗AIS一體機、北斗船載接收機、北斗高精度連續定位系統及北斗數據傳輸終端等不同類型的導航終端產品，形成多功能、多層次和多形態的終端產品型譜。最終形成以北斗技術為支撐、航海數據收集全覆蓋、數據傳輸穩定、位置信息精準、信息安全可靠和應急指揮順暢的水上應急管理體系。研究和實踐結果表明：基于北斗系統的信息技術平臺能有效提升水上應急反應能力。

北斗； 設備； 應急反應； 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，重慶東方輪船公司所屬的由南京開往重慶的“東方之星”號客船在航行至湖北省荊州市監利縣長江大馬洲水道時遭遇突發性強對流天氣而翻沉，除12人生還之外，其余442人全部遇難。《事件調查報告》[1]明確指出，應“加強內河航運安全信息化動態監管和應急救援能力建設”，“充分發揮信息技術在提高安全防范和應急反應能力方面的重要作用”。

北斗衛星導航系統(以下簡稱“北斗系統”)是我國自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統。在航海領域積極開展北斗定位、導航、授時及通信的關鍵技術研發，加強北斗技術在航海領域的應用推廣，可實現我國水上應急反應能力的顯著提升。

1 北斗系統現狀

北斗系統的基本服務區范圍為55°E～180°E，55°S～55°N，覆蓋區域包含我國及我國周邊地區、南海及東南亞地區和澳大利亞，定位精度10 m，高程10 m，授時精度50 ns，測速精度0.2 m/s。我國領土區域為重點服務區，區域內用戶除了可使用北斗系統進行定位、測速及授時之外，還可利用衛星進行短報文通信。

2 北斗系統在水上應急反應體系中的應用

北斗系統在水上應急反應體系中的應用范圍非常廣泛，與水上應急反應相關的數據資源中，約有70%的數據與船舶位置及精確時間密切相關。北斗系統具有定位、授時和通信三大核心功能，能將船舶和應急反應平臺置于統一的高精度時空框架內，必將在提升水上應急反應能力建設方面發揮重要作用。[2]

2.1提高水上應急反應體系的響應速度

將北斗系統的通信功能應用于船舶遇險報警中，能確保水上遇險信息的及時性和準確性。[3]北斗系統具備雙向通信功能，具有定位精度高、覆蓋范圍廣、可靠性高和通信保密性強的顯著優點，能極大地提高水上搜救效率，進一步提升水上應急反應能力。[4]

2.2提高水上應急反應體系的位置精度

北斗地基增強系統能提供沿海、內河北斗差分服務和高精度的連續定位服務，實時定位精度從米級至厘米級，構成北斗系統的重要組成部分。該系統可為沿海水域及內河水域提供三維、實時、高精度的定位服務[5]，可在水上應急反應中為遇險船舶和救援船舶提供高精度的位置數據，大幅度提升救援能力[6]。

2.3提高水上應急反應體系的數據整合能力

水上應急反應體系數據涉及面廣、信息容量大、增長速度快，且蘊含的信息價值高，包括船舶交通管理系統(Vessel Traffic Services，VTS)信息數據、船舶自動識別系統(Automatic Identification System，AIS)數據、航標遙測遙控數據、水文氣象數據[7]、船舶和船員靜態數據等。對北斗系統技術進行深化應用和融合創新，整合數據，加強數據分析發掘、數據可視化和信息安全與隱私保護，實現對船舶航行更為準確的監測、分析、預測、預警和提醒，提高數據的針對性、科學性和時效性。

針對北斗系統在水上應急反應體系中的應用需求，開發北斗應急示位標、北斗個人求生設備、北斗AIS一體機、北斗船載接收機、北斗高精度連續定位系統及北斗數據鏈路傳輸系統等不同類型的導航終端產品，形成多功能、多層次、多形態的終端產品型譜，為提升應急能力提供重要的技術對接手段，最終形成以北斗技術為支撐、安全可靠、全覆蓋的水上應急管理和指揮系統(見圖1)。[8]

圖1 北斗系統水上應急終端型譜

3 北斗系統產品研發和應用情況

3.1北斗應急示位標

我國水上遇險報警主要依靠甚高頻(Very High Frequency,VHF)、中頻及高頻的數字選擇型呼叫(Digital Selective Calling，DSC)系統和國際搜救衛星系統(COSPAS-SARSAT)的緊急無線電示位標(Emergency Position Indicating Radio Beacon，EPIRB)，內河水域尚無專用的船舶遇險報警系統。DSC系統具有覆蓋范圍小、信號干擾大和誤報警頻繁的劣勢(見表1)。

表1 水上遇險報警方式比較[9]

EPIRB為單向數據傳輸，遇險人員不能了解當前救助實施情況；此外，國際搜救衛星系統地面控制中心位于加拿大，我國海上搜救部門不能第一時間獲取原始遇險信息；對政府公務船及軍事船來說，相關應急信息無法得到有效保密。EPIRB終端發出的船舶遇險信息的傳遞普遍存在滯后現象(平均延時0.75～2 h)，容易導致搜救行動延誤。我國內河船舶未要求配備專用應急報警設備。近年來，我國船舶已接近35萬艘，包括船員、漁民和鉆井平臺作業人員等在內的涉水公眾約1 300萬人，遇險對象的個體化、小型化趨勢日益明顯。此外，海上遇險安全系統核心技術裝備依賴進口，安裝和使用成本偏高，不能滿足中小型船舶和落水個體的普遍安裝要求。

北斗應急示位標是將EPIRB與北斗系統相結合的產品，克服了EPIRB時間滯后、信息保密等不足，其性能指標見表2，具有以下特點。

1) 可向北斗衛星發射遇險報警信息，并可接收北斗衛星回執信息。

2) 自動漂浮式，該設備、支架和釋放裝置能在水上遇到極端情況時正常工作。

3) 配有適當的手段防止意外啟動；在浮離后自動啟動；能手動啟動和手動關閉；配有指示控制中心已應答的裝置；能在平靜的水中直立浮起，且在所有情況下均具有正穩性和足夠的浮力；能從20 m高處落入水中而不損壞；能在任何角度的橫傾或縱傾情況下，在尚未達到4 m水深前自動釋放和浮離；設備顏色為橘色或黃色等醒目顏色，表面有一定面積的逆向反光材料；配有低負載白色環照燈(≥0.75 cd)，每分鐘閃爍20～30次，為附近的幸存者和救助單位指示其位置；配有主要用于飛機搜尋的121.5 MHz信標；電池的容量足以使北斗應急無線電示位標至少工作24 h；具備報警取消功能。

表2 北斗應急示位標的性能指標

將北斗應急示位標信息與我國海上搜救中心及各級搜救中心聯網，依托國家水上應急搜救系統實現船舶遇險信息的及時推送和應急響應信息的發送(見圖2)，可實現報警信息、北斗、AIS和電子海圖信息的同步推送及報警信息與交通運輸部海事系統大數據的融合共享。

圖2 基于北斗應急示位標的水上應急搜救系統

3.2北斗個人求生設備

北斗個人求生設備具有北斗短報文上報位置功能和定位功能，可佩戴在身上。人員執行任務落水后，該設備可自動開機，迅速向指揮用戶機發射求救信號及位置信息，為順利搜救人員提供依據，可大大加快搶救時間，提高遇險者的生還率，節約時間、人力及物力。其體積小、攜帶方便、工作時間長、實用價值高、用途廣泛。該設備發射成功率≥95%，捕獲時間(開機至解調出信息所需的時間)≤2 s。

3.3北斗AIS一體機

受AIS覆蓋距離限制、AIS基站服務器容量和信道容量的局限性、AIS基站在我國沿海的分布情況、內陸山區和丘陵地區對AIS信號的影響及AIS基站對電源、寬帶等保障系統的要求等因素影響，目前還無法做到AIS在我國領海及河內通航水域全覆蓋。為解決該問題，利用北斗導航衛星的通信和定位功能開發北斗AIS一體機。[10]

北斗AIS一體機集北斗船載終端和AIS船臺功能于一體，是北斗導航技術和船舶自動識別技術的有機結合。目前該產品已在海事航標船和海事測量船上試用。在我國沿海運輸船和內河船上推廣北斗AIS一體機，既有利于補充AIS基站，做到我國所有水域AIS監控基本全覆蓋，也有利于船舶全面掌握現場交通流情況，避免碰撞危險局面出現(見圖3)。

圖3 北斗AIS一體機數據傳輸系統

北斗AIS一體機具備以下幾項功能。

1) AIS功能：終端支持現有B級AIS船臺的所有AIS功能，包括電子海圖顯示、全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System ，GNSS)定位、導航、AIS船舶自動識別及AIS短消息等。

2) 北斗功能：終端支持北斗功能，包括北斗/GPS雙模定位、船舶位置自動上報、遠程調取船位、緊急報警、區域報警、導航及船船/船岸/船與手機之間的短消息通信等。

3) AIS信息北斗轉發功能：轉發本船AIS信息、周圍遇險船舶和人員的AIS求救信息、周圍船舶水上移動通信業務標識碼(Maritime Mobile Service Identity，MMSI)和位置信息、周圍指定船舶的AIS詳細信息、岸臺向本船周圍所有船舶發送的廣播信息及岸臺向本船周圍指定船舶發送的AIS短消息。上述轉發功能可由岸臺遙控開啟或關閉。單次發送AIS船舶信息數≥6條；單周期發送AIS船舶數≥30艘。

4) 附加功能：北斗AIS一體機還可選裝身份證讀卡器、條形碼掃描器等各類附件；增加船員電子認證、危化品電子認證及船舶電子簽證等操作程序，實現對船員、貨物及船舶靜態情況的監管，為船舶安全管理提供便利。

3.4北斗高精度連續定位系統(以下簡稱“北斗CORS系統”)

北斗CORS系統是北斗衛星定位技術、計算機網絡技術和數字通信技術等高新科技多方位、深度結合的產物。該系統由基準站網、數據處理中心、數據傳輸系統、定位導航數據播發系統和用戶應用系統等5個部分組成，各基準站與監控分析中心間通過數據傳輸系統連接成一體，形成專用網絡，可滿足從毫米級到米級的需求，為應急掃測、應急沉船打撈及相關水上應急搶險提供高精度的位置信息。

北斗CORS系統徹底改變了傳統的實時動態差分法(Real-Time Kinematics，RTK)測量作業方式，主要優勢為：采用連續基站，用戶可隨時觀測，提高了工作效率；擁有完善的數據監控系統，可有效消除系統誤差和周跳，增強差分作業的可靠性；用戶無需架設參考站，真正實現單機作業，降低成本；使用固定可靠的數據鏈通信方式，減少噪聲干擾；提供遠程INTERNET服務，實現數據共享。

基于北斗CORS系統的“大型船舶高精度導航及靠泊儀”是“大型集裝箱船舶能見度不良天氣條件下進出洋山深水港航海保障系統建設工程”的重要組成部分，2014年8月5日在洋山港“新寧波”輪上進行實船靠泊試驗，取得良好的效果。該靠泊儀支持GPS和北斗2種定位模式，可同時支持北斗、AIS及雷達等設備包含的船舶數據的接收與顯示，并提供厘米級的高精度導航定位服務，從而為夜航、霧航情況提供技術支持，確保在洋山深水港區域內實現全天候、全天時的安全快速進出港及靠離泊。因此，北斗高度連續定位系統也能為惡劣天氣條件下的應急反應指揮提供一種有效手段。

3.5北斗系統數據傳輸鏈路

北斗系統具有可靠性和保密性高的特點，能實現覆蓋區域的短報文數據傳輸；在船、岸、海洋、海島、礁石及大橋等與航海保障相關的區域安裝相關數據采集設施[11]，通過北斗短報文通道將實時數據傳輸到應急反應指揮平臺上。對海洋、港口及氣象等與航海安全相關的基礎要素進行采集和管理，在水上應急反應指揮方面起到輔助決策的作用。[12]

目前這些北斗數據采集平臺已起到非常大的作用。在航標應用中，交通運輸部海事局應用北斗系統在航標遙測系統中進行航標移位監測，并依靠北斗系統完成航標工作參數遙測傳輸，有效提高航標效能、維護質量。同時，國家海洋局遠海的水文數據和氣象數據也已采用北斗系統傳輸[13]，目前在遠海燈浮、沿海島礁和沿海燈塔上實時收集現場數據，能為水上應急搶險指揮提供輔助決策，可有效提高海域管理水平、服務質量及監控能力。

4 結束語

依托北斗系統，構筑航海數據收集全覆蓋、信息數據傳輸穩定、位置信息精準、信息安全可靠、應急指揮順暢的水上應急管理體系，能從技術上有效解決我國水上應急反應體系反應時間長、定位精度不高和無法做到全覆蓋的不足，顯著提高我國水上應急響應速度，提升水上應急反應能力。

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EnhancingMaritimeEmergencyResponseCapacitywithBeidou

XUMingqiang，LIUJiahua，YUYi，LIUHui

(Donghai Navigation Guarantee Administration, Shanghai 200086, China)

U676.8;P228.4

A

2016-05-11

徐明強(1976—)，男，上海人，高級工程師，從事航海保障設備研究。E-mail:xumingqiang@shmsa.gov.cn

1000-4653(2016)03-0001-04