衛(wèi)星通信導(dǎo)航在海上搜救的應(yīng)用

李洪烈，王 倩，宋 斌

(1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041；2.中國人民解放軍第6905工廠，重慶 北碚400700)

衛(wèi)星通信導(dǎo)航在海上搜救的應(yīng)用

李洪烈1，王 倩1，宋 斌2

(1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東 青島 266041；2.中國人民解放軍第6905工廠，重慶 北碚400700)

針對海上搜救存在的定位難、通信難等問題，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于海上搜救以實現(xiàn)遇險主動報位和遠距離通信。充分綜合運用北斗衛(wèi)星定位、通信和指揮等功能簡化救生信息傳遞流程，縮減海上搜尋過程，為救援行動實施爭取寶貴的時間。通過分別對找人、找物、找平臺以及不同平臺對象的搜尋應(yīng)用特點和模式的分析和討論，形成海上搜救體系建設(shè)方案。該體系與現(xiàn)有體制進行有機結(jié)合，能夠為救援行動提供及時的信息支持。應(yīng)用結(jié)果表明，提出的應(yīng)用模式達到了預(yù)期效果。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航；衛(wèi)星通信；海上搜救；主動報位

0 引言

海上環(huán)境的固有特性決定了海上搜救的問題和難點，為此國際社會一直在致力于改進提升相應(yīng)技術(shù)手段和措施，提升海上搜救效能。國際上采用GPS衛(wèi)星定位、衛(wèi)星示位信標、衛(wèi)星移動通信、船舶AIS系統(tǒng)、短波和超短波等多種技術(shù)手段，建立了COMPASS系統(tǒng)、全球搜救衛(wèi)星系統(tǒng)和國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)等全球化搜救系統(tǒng)，來解決海上遇險信息傳遞的及時性、有效性和準確性問題，并且取得了較好的效果。但目前國內(nèi)由于存在信息保密和安全等問題，無法較好地利用國際化技術(shù)成果，遲遲未能得到有效的解決。當前海上搜救仍在沿用超短波無線電示位信標示位、搜尋的機制，在新要求、新常態(tài)下，已不足以應(yīng)對海上安全保障需求。主要體現(xiàn)在作用距離受限、不能主動報送遇險位置，導(dǎo)致搜尋時間長、人力耗費大[1]。近年來，北斗廣泛應(yīng)用于軍事方面，海上搜救上的應(yīng)用也逐步在開展，實用效果并不理想，一是實用性不強，沒有充分考慮應(yīng)用場景主要應(yīng)用特點和需求；二是設(shè)備單一不成體系，僅在救援端或平臺端配備，且相互間沒有建立起互聯(lián)互通關(guān)系；三是用于人員搜救、艦艇、潛艇以及設(shè)備打撈方面應(yīng)用較少[2-3]。本文結(jié)合原有的體制、設(shè)備現(xiàn)狀和當前及未來技術(shù)發(fā)展趨勢，對海上搜救系統(tǒng)進行深入研究，將原本孤立的技術(shù)、成果綜合起來，并引入衛(wèi)星定位、通信最新技術(shù)成果，成體系、成規(guī)模地融合北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和信息通信等，形成綜合化的海上搜救體系并提出系統(tǒng)模式，集找尋人、飛參記錄器和飛機、艦艇、船艇等殘骸于一體的遇險及時、有效報位機制，且相互間互為備份補充。

1 海上搜救發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 海上搜救工作流程

目前海上搜救體制主要是由遇險救生通信岸基系統(tǒng)、作戰(zhàn)值班系統(tǒng)、通信值班系統(tǒng)、搜救直升機、搜索引導(dǎo)飛機和搜救艦船等組成[4]。遇險救生通信岸基系統(tǒng)是海上險情統(tǒng)一監(jiān)控中心，負責(zé)將遇險救生信息引接到各級作戰(zhàn)單位的作戰(zhàn)值班部位和通信值班部位。遇險救生通信岸基系統(tǒng)主要由短波、超短波電臺接入綜合業(yè)務(wù)承載網(wǎng)組成，短波、超短波收到遇險救生信息后，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到最高一級值班部位，再推送到各級值班部位，上報指揮機構(gòu)，最后調(diào)派搜救兵力前往搜尋。

目前我國的海上搜救主要是以短波、超短波技術(shù)手段為主[5]，搜救流程如圖1和圖2所示，搜尋時采用探尋手持救生電臺，搜尋無線電示位信號的方式。

圖1 信息流轉(zhuǎn)

圖2 海上搜救流程

1.2 海上搜救存在的難點

目前海上搜救系統(tǒng)仍處于搜救力量、技術(shù)手段、體制機制建設(shè)的初級階段，搜救模式單一，技術(shù)手段缺乏，尚未形成集通信、指揮、定位、報位、遠程數(shù)據(jù)傳輸采集、飛參數(shù)據(jù)記錄以及航跡推論分析于一體的綜合海上搜索救援體系，功能應(yīng)用實戰(zhàn)化、體系化水平較弱，未能充分解決海上準確定位、遇險及時報位和遠程通信等難點，不能有效保障海上遇險人員的生命安全。

1.2.1 海上通信困難

海上通信是海上搜救需要解決的重要問題之一，從目前海上任務(wù)情況看，海上搜救至少需要半徑2 000 km的通信覆蓋范圍，且設(shè)備形態(tài)、能耗等應(yīng)能普遍適用于飛機、艦船和人等各種平臺。但目前這些設(shè)備的體積、重量和功耗都很大，僅能在較大的平臺如陸地、大中型艦船上應(yīng)用，且海上長波、中長波、短波設(shè)備的通信距離只能達到1 000 km左右，超短波僅能達到100 km，不能完全滿足海上搜救行動范圍的需要，特別是對于遇險飛機、飛行員和艦員的遇險遠程通信問題亟待解決。

1.2.2 海上搜尋困難

獲取被救對象的位置是海上救援行動的關(guān)鍵。海上面積廣闊，大部分海域人跡罕至，沒有任何參照或可依賴的環(huán)境，被救對象的位置還會跟隨洋流隨時發(fā)生變化，且被救對象還將面臨海上生存的難題與各種危險，在不明位置的情況下即使跟隨航線搜尋，也是以航線為半徑的海域為范圍進行，動輒幾百上千平方千米的搜尋范圍，救援行動極為困難，難以達到快速救援的能力要求[6]。

1.2.3 海上生存困難，搜救時間有限

海上遇險人員的生存環(huán)境及其惡劣，缺乏食物、淡水和保暖等生存必須物資，海上風(fēng)浪大、溫度低，保障海上遇險人員生還的救援時間冬天最長不超過4 h，夏天也不會超過12 h。要達到4 h到達任何海上遇險位置施救的能力，需要有一支能快速響應(yīng)、機動能力強、航速快、航程遠的專業(yè)搜救力量和隊伍，同時建立起海上巡航機制，以便于快速響應(yīng)遇險事故，達到遇險位置施救[7]。在實際情況中，有可能存在距離遠、實在無法在短時間到達的情況，還需要采用向被救對象空投物資的手段，以提高被救對象的生存能力，為救援行動爭取時間。

2 北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國重要的戰(zhàn)略資源。與國外其他衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)相比，除定位、導(dǎo)航和授時功能外，還具有通信功能，這對于海上救援具有重要的意義[8]。

2.1 衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)能解決的問題

北斗系統(tǒng)不僅能解決自身定位問題，還能解決位置共享問題，在此基礎(chǔ)上擴展的指揮功能還能實現(xiàn)位置監(jiān)控跟蹤功能。衛(wèi)星通信鏈路不受距離限制，受地理環(huán)境影響小，特別是空曠的海面幾乎不受任何影響，能極大地解決海上遇險的遠程通信報位問題[9]，具體包括如下幾點：

① 解決遠距離求救報位通信問題，只要衛(wèi)星覆蓋區(qū)域都可達。

② 解決遇險主動報位問題。北斗衛(wèi)星定位、短報文通信可無視距離直接向地面、艦船、搜救飛機主動發(fā)布遇險位置。

③ 多目標同時快速救援。衛(wèi)星通信鏈路可同時容納成百上千用戶通信使用，不存在相互干擾，可同時接收多個遇險求救信號和位置，同時派出多個搜救力量分別直達遇險位置施救。

④ 北斗衛(wèi)星終端已實現(xiàn)高度自動化、智能化、小型化，操作簡捷，便攜易用。

2.2 衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)在海上搜救應(yīng)用

北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的RNSS(無源定位)體制提供給北斗終端用戶的功能有定位、導(dǎo)航和授時；RDSS(有源定位)體制提供給北斗終端用戶的功能有定位、授時、短報文通信、指揮和位置報告。在海上搜救系統(tǒng)中主要使用的有RNSS的定位、授時，RDSS的定位、短報文通信、指揮和位置報告。

2.2.1 RNSS定位作用

RNSS定位精度優(yōu)于RDSS定位精度，為岸基、海基、艦艇、飛機、遇險人員、ELT和飛參提供自身定位能力[11]。

2.2.2 RNSS授時作用

RNSS授時精度優(yōu)于RDSS授時精度，為岸基、海基、艦艇和飛機提供統(tǒng)一時鐘基準便于協(xié)同。

2.2.3 RDSS定位作用

RDSS定位作為RNSS定位的補充和備份，為岸基、海基、艦艇、飛機、遇險人員、ELT和飛參提供自身定位能力。

RDSS定位功能與RDSS指揮功能結(jié)合可實現(xiàn)位置的被動實時監(jiān)控、跟蹤。

2.2.4 RDSS短報文通信作用

RDSS短報文通信為衛(wèi)星通信鏈路，不受距離限制，能實現(xiàn)海上遠程信息傳輸。在海上搜救中主要用于遇險時的求救信息、位置信息發(fā)送和接收，在遇險的第一時間和遇險后持續(xù)回傳求救和位置信息，提升求救報位及時性和有效性。其次用于飛行器關(guān)鍵飛參信息傳輸。

2.2.5 RDSS指揮功能作用

在北斗系統(tǒng)中RDSS指揮功能是被動接收下屬用戶的RDSS定位、短報文通信信息。在海上搜救系統(tǒng)中可用于監(jiān)控被管理級的實時位置、短報文信息。

2.2.6 RDSS位置報告功能作用

在北斗系統(tǒng)中RDSS位置報告功能是終端用戶之間可互相報送位置。在海上搜救系統(tǒng)中主要用于向已知的非上級用戶或平級用戶發(fā)送遇險位置，便于更及時地獲得救援[12]。

3 海上搜救總體方案

3.1 系統(tǒng)組成

海上搜索救援系統(tǒng)主要功能是海上遇險信息的及時告知、遇險準確定位并及時回傳位置信息、及時派遣搜救力量前往救援打撈。

為減少信息流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，整個系統(tǒng)以岸基、海基、艦載搜救站、航空團監(jiān)控站、機載雙星多模搜救臺為上級管理級，形成了飛行員救生報位系統(tǒng)、飛行器應(yīng)急定位系統(tǒng)、飛參遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、飛參記錄器遇險報知系統(tǒng)、海上小分隊出行保障系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)，另外還需要預(yù)研新型無線通信系統(tǒng)、海上搜索智能輔助決策系統(tǒng)，用于岸基、海基和艦載的雙星多模搜救站。

飛行員救生報位機、飛行器應(yīng)急定位設(shè)備、飛參遠程數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、具有遇險報知的飛參記錄器為下屬被管理級。

系統(tǒng)總體規(guī)劃充分運用了北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和新型電臺通信等技術(shù)手段實現(xiàn)多體制、多重通信手段備份互補的海上搜救系統(tǒng)，充分保障遇險信息、位置的及時有效傳遞，確保及時救援打撈，保障遇險人員生命安全和飛參數(shù)據(jù)的有效回收。

3.2 遇險人員求救報位系統(tǒng)

遇險人員求救報位系統(tǒng)主要由人員求救報位設(shè)備和搜救指揮中心的險情監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成，主要完成遇險主動報位任務(wù)，也能通過被動搜尋方式，引導(dǎo)搜救兵力前往施救[13]。人員救生報位系統(tǒng)組成由圖3所示。

圖3 人員救生報位系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用扁平化管理，分別由岸基搜救站、海基搜救站、機載搜索引導(dǎo)任務(wù)系統(tǒng)以及其下屬用戶(飛行員/艦員救生報位機)等組成。

飛行員救生報位設(shè)備主要是通過救生報位機、通信電臺(含示位標)完成主動、被動式遇險求救報位，由搜救中心監(jiān)控接收，派遣救援力量前往施救，實現(xiàn)飛行員的高效救援。

通信機主要是通過采用超短波頻段發(fā)送無線電示位信號，并帶有話音通話功能，搜救兵力一旦搜尋到該信標信號，即可解析其位置信息前往施救。

手持多模終端是衛(wèi)星定位、報位、話音通信為一體的能主動、被動求救報位的設(shè)備，由搜救中心監(jiān)控接收，派遣救援力量前往施救，實現(xiàn)人員的高效救援[14]。

3.3 飛行器求救報位系統(tǒng)

飛行器求救報位系統(tǒng)主要是采用衛(wèi)導(dǎo)、衛(wèi)通以及無線電示位信標等技術(shù)手段，在飛行器遇險后主動定位、報位、發(fā)射無線電示位信號，引導(dǎo)搜救兵力打撈飛行器殘骸、黑匣子等[15]。系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 飛行器求救報位系統(tǒng)組成

飛行器、艦艇求救報位設(shè)備分為：拋放式飛參記錄器、機載應(yīng)急報位機、“黑匣子”。搜救指揮中心的險情監(jiān)控子系統(tǒng)共同組成飛行器求救報位系統(tǒng)。

拋放式參數(shù)記錄器是在飛行器或艦艇遇險時自動脫落，在水面漂浮，具有主動定位、報位、示位和關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)記錄存儲的設(shè)備，便于搜救兵力打撈回收，進行事故分析。

應(yīng)急報位機是在飛行器、艦艇遇險時自動脫落，在水面漂浮，具有主動定位、報位、示位、關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)備份的設(shè)備，便于搜尋殘骸，回收參數(shù)數(shù)據(jù)，進行事故分析，對于參數(shù)數(shù)據(jù)多一種備份手段。

“黑匣子”為所有飛行器、艦艇都必備的參數(shù)數(shù)據(jù)采集存儲設(shè)備，遇險后，自動脫落，沉入水中，需要在水下尋找示位信號，打撈困難。

拋放式飛參數(shù)記錄器是集北斗、衛(wèi)通、示位信標的一體化設(shè)備。能夠感應(yīng)過載信號，通過自動方式離機，在水面漂浮，具備飛參數(shù)據(jù)采集存儲功能、具備主動定位報位、被動示位功能。能通過衛(wèi)星鏈路主動向搜救中心報位，也能通過搜尋示位信號確定位置，引導(dǎo)搜救力量前往目標地點打撈。具備近、中、遠程的通信報位覆蓋能力，且能與其他主動報位設(shè)備互為備份，只要找到任何一個都能在其附近找到人員、機載應(yīng)急報位器以及“黑匣子”，救援成功率提高了3倍。

機載應(yīng)急保衛(wèi)器是集北斗、衛(wèi)通、示位和信標的一體化機載設(shè)備。能夠感應(yīng)過載信號，通過自動方式離機，在水面漂浮，具備飛參數(shù)據(jù)備份功能、具備主動定位報位、被動示位功能。能通過衛(wèi)星鏈路主動向搜救中心報位，也能通過搜尋示位信號確定位置，引導(dǎo)搜救力量前往目標地點打撈。具備近、中和遠程的通信報位覆蓋能力，且能與其他主動報位設(shè)備互為備份，只要找到任何一個都能在其附近找到人員、拋放式記錄器以及“黑匣子”，救援成功率提高了3倍。

狀態(tài)參數(shù)遠程傳輸設(shè)備主要集北斗、衛(wèi)通一體化機載和艦載設(shè)備。配備在各類飛行器、艦艇上通過總線搜集關(guān)鍵運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過北斗實時回傳位置，對數(shù)據(jù)進行加密并通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路回傳，與監(jiān)控臺組成航行安全監(jiān)控系統(tǒng)。

3.4 艦艇求救報位系統(tǒng)

艦艇求救報位系統(tǒng)主要是采用短波、超短波通信設(shè)備，衛(wèi)導(dǎo)、衛(wèi)通以及無線電示位信標等技術(shù)手段，在艦艇遇險時通過話音、數(shù)據(jù)等方式向搜救指揮中心進行告警[16]。

還應(yīng)裝備具有遇險時自動/人工脫落船體，能在海面漂浮的主動定位、報位、發(fā)射無線電示位信號的設(shè)備，當短波、超短波等固有設(shè)備失效時，引導(dǎo)搜救兵力打撈艦艇殘骸、黑匣子等。本設(shè)備與搜救指揮中心的救生監(jiān)控子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)承載網(wǎng)等構(gòu)成艦艇求救報位系統(tǒng)，系統(tǒng)具體組成如圖5所示。

圖5 艦艇求救報位系統(tǒng)組成

艦艇求救報位由艦載應(yīng)急報位器與搜救指揮中心的險情監(jiān)控子系統(tǒng)共同組成艦艇求救報位系統(tǒng)。

艦載應(yīng)急報位器是在艦艇遇險時自動脫落，在水面漂浮，具有主動定位、報位和示位功能的設(shè)備，便于搜尋殘骸。

漂浮式應(yīng)急報位器是集北斗、衛(wèi)通和示位信標的一體化艦載設(shè)備。能夠通過自動/人工方式離艦，在水面漂浮，具備主動定位報位、被動示位功能。能通過衛(wèi)星鏈路主動向搜救中心報位，也能通過搜尋示位信號確定位置，引導(dǎo)搜救力量前往目標地點打撈。具備近、中和遠程的通信報位覆蓋能力。

3.5 潛艇求救報位系統(tǒng)

潛艇分為水面遇險求救和水下求救報位2種情況，在水面遇險或水下遇險時還能浮上水面的情況下，與艦艇求救相似，可通過短波、超短波通信手段求救報位，同時拋出潛用應(yīng)急定位浮標求救報位；在水下遇險時，與地面、搜救指揮中心等機構(gòu)無法聯(lián)系，通過拋出潛用應(yīng)急定位浮標求救報位。該浮標能自動脫落船體，漂浮于海面，通過北斗、衛(wèi)通向搜救力量主動報位，另外還具有無線電示位標，引導(dǎo)搜救兵力打撈。

潛用漂浮式應(yīng)急報位器與搜救指揮中心的險情監(jiān)控子系統(tǒng)共同組成潛艇求救報位系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 潛艇求救報位系統(tǒng)組成

應(yīng)急報位器是在潛艇遇險時自動脫落，在水面漂浮，具有主動定位、報位和示位功能的設(shè)備，便于搜尋殘骸，打撈“黑匣子”，進行事故分析。

潛用漂浮式應(yīng)急報位器是集北斗、衛(wèi)通和示位信標的一體化艇載設(shè)備。能夠通過自動/人工方式離艦，在水面漂浮，具備主動定位報位、被動示位功能。能通過衛(wèi)星鏈路主動向搜救中心報位，也能通過搜尋示位信號確定位置，引導(dǎo)搜救力量前往目標地點打撈。具備近、中和遠程的通信報位覆蓋能力。

4 結(jié)束語

目前北斗相關(guān)基帶、射頻芯片技術(shù)成熟，終端設(shè)備向著小型化、低功耗方向發(fā)展，我國自主的天通1號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)已在逐步開始建設(shè)，其具備實時話音、數(shù)據(jù)通信能力，北斗定位結(jié)合衛(wèi)星通信技術(shù)是解決海上遇險搜尋最為有效的手段，而無線電示位方式作為補充備份手段還在一定情況下具備應(yīng)用價值。在研究過程中開展了相關(guān)試驗驗證，只要在北斗衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，救生的終端設(shè)備開啟2 min以內(nèi)，能夠向地面、機載、艦載北斗指揮型用戶機報送自身位置，定位的實際位置偏差小于80 m范圍，搜救人員能夠準確找到待救目標。通過研究分析以及實踐兩方面證明，運用衛(wèi)星定位、通信技術(shù)手段搭建新型的海上搜尋系統(tǒng)可行，具有較強的實用性，能夠解決當前海上救援的現(xiàn)實需求。本文率先提出多體制、多手段的綜合化海上搜救體系，并具備可擴展性和可延伸性，對保障海上安全具有重要意義。

隨著技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，今后將會出現(xiàn)更新穎的技術(shù)和手段，將會持續(xù)關(guān)注并不斷綜合各種技術(shù)，豐富完善該體系。同時海上搜救還將進一步進行軍民融合發(fā)展，形成具有我國特色的全面的系統(tǒng)化、一體化海上搜救體系和機制。

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Application of Satellite Communication and Navigation inMaritime Search and Rescue

LI Hong-lie1,WANG Qian2,SONG Bin2

(1.QingdaoBranchofNavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,QingdaoShandong266041,China;2.Factory6905,PLA,BeibeiChongqing400700,China)

To address the challenges of positioning and communication in maritime search and rescue,the Beidou satellite navigation system is applied in maritime search and rescue for active position reporting in an accident as well as long-distance telecommunication.The Beidou satellite positioning,communication and commanding are fully integrated to streamline the flow of saving information transmission and shorten the process of maritime search,which saves the valuable time for rescue operations.A new maritime search and rescue architecture construction scheme is formed through analyzing and discussing the application features and modes of searches for human,materials and platforms respectively.And combined with the existing system,the architecture can provide information support timely for rescue operation.The application results show that the effectiveness of the application model proposed meets the expectation.

Beidou satellite navigation;satellite communication;maritime search and rescue;active position reporting

2017-02-27

山東省“泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項基金資助項目(ts20081330)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.04

李洪烈，王 倩，宋 斌.衛(wèi)星通信導(dǎo)航在海上搜救的應(yīng)用[J].無線電工程,2017,47(6):15-19，37.[LI Honglie,WANG Qian,SONG Bin.Application of Satellite Communication and Navigation in Maritime Search and Rescue[J].Radio Engineering,2017,47(6):15-19，37.]

V249.32

A

1003-3106(2017)06-0015-05

李洪烈 男，(1963—)，碩士,教授。主要研究方向：航空搜救和航空導(dǎo)航。

王 倩 女，(1982—)，碩士，講師。主要研究方向：航空通信與搜救。