基于多種技術(shù)的海上應(yīng)急電子示位標(biāo)系統(tǒng)的研究

隋永舉 肖悅 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心廣州航標(biāo)處

1.引言

電子示位標(biāo)系統(tǒng)主要用于遠(yuǎn)海浮動(dòng)障礙物的跟蹤和監(jiān)控，保障船舶航行安全。在缺乏相關(guān)水文資料時(shí)，模擬沉船、集裝箱等障礙物在水中狀態(tài)下的漂流，通過(guò)北斗通訊和AMRD（海上自主無(wú)線電臺(tái))技術(shù)可以讓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管力量跟蹤并得出漂流位置，后臺(tái)利用電子圍欄系統(tǒng)及電子海圖系統(tǒng)，預(yù)警過(guò)往船舶，避讓危險(xiǎn)水域，并為下一步打撈工作提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

2020年9月29日“億瑞3286”輪在陽(yáng)江海陵島以南水域沉沒(méi)，沉船嚴(yán)重影響了水域航行安全，在設(shè)置沉船示位標(biāo)后。10月2日早上，發(fā)現(xiàn)“億瑞3286”沉船發(fā)生漂移，由于水文條件復(fù)雜，對(duì)正移位的“億瑞3286”沉船漂流方向及路徑難以實(shí)時(shí)掌握，對(duì)船舶航行安全以及后面的掃測(cè)、打撈等工作帶來(lái)一定的困難。針對(duì)這些問(wèn)題，促使開(kāi)發(fā)一款前端基于AMRD和北斗通信技術(shù)的海上應(yīng)急電子示位標(biāo)系統(tǒng)，通過(guò)當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)成功建立的北斗全球高精度定位系統(tǒng)，利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報(bào)文通訊能力，實(shí)現(xiàn)海洋上洋流漂浮軌跡追蹤，通過(guò)近距離的海上自主無(wú)線電臺(tái)實(shí)時(shí)跟蹤，最終將數(shù)據(jù)通過(guò)電子圍欄系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)外發(fā)布，預(yù)警過(guò)往船舶。

2.電子示位標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子示位標(biāo)系統(tǒng)由電子示位標(biāo)、海事局指揮中心的專用監(jiān)控系統(tǒng)組成。

2.1 電子示位標(biāo)

電子示位標(biāo)主要內(nèi)容概括為構(gòu)建一個(gè)基于北斗和AIS設(shè)備的海上障礙物應(yīng)急跟蹤網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)設(shè)計(jì)一款集北斗和AIS功能于一體的電子示位標(biāo)，并通過(guò)該示位標(biāo)發(fā)送位置信息到后臺(tái)的北斗接收機(jī)以及AIS系統(tǒng)。

電子示位標(biāo)主要包括漂流標(biāo)浮筒載體、AIS模塊、北斗通信定位模塊、電源模塊、電池模塊以及燈器模塊等；電子示位標(biāo)主要設(shè)計(jì)采用小型化浮筒作為漂流標(biāo)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，通過(guò)在電子示位標(biāo)上安裝北斗+AIS一體化的追蹤模塊，采用低功耗設(shè)計(jì)，發(fā)射漂流標(biāo)位置信息到海事局指揮中心，追蹤模塊主要包括數(shù)字基帶系統(tǒng)、高頻調(diào)制器、功率放大器及電源管理系統(tǒng)，數(shù)字基帶系統(tǒng)與北斗天線連接，并通過(guò)高頻調(diào)制器、功率放大器與AIS天線連接，電池通過(guò)電源管理模塊分別為數(shù)字基帶系統(tǒng)、高頻調(diào)制器和功率放大器供電；電子示位標(biāo)通過(guò)蓄電池進(jìn)行供電，設(shè)計(jì)連續(xù)工作時(shí)間不低于10天；同時(shí)設(shè)備還會(huì)設(shè)計(jì)安裝一個(gè)燈器，在夜晚的時(shí)候可以發(fā)射白光，方便用戶近距離尋找電子示位標(biāo)。

電子示位標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)具有遠(yuǎn)距離漂移能力的海上浮動(dòng)漂流示位標(biāo)，通過(guò)特有的系碇系統(tǒng)固定在浮動(dòng)障礙物上，然后以電子示位標(biāo)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)專門的北斗定位、上報(bào)模塊和AIS系統(tǒng)模塊，通過(guò)在遠(yuǎn)距離向海事局指揮中心自動(dòng)定時(shí)發(fā)送北斗短報(bào)文，報(bào)文主要內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)AIS語(yǔ)句當(dāng)中的航標(biāo)報(bào)文21號(hào)報(bào)文，通過(guò)解析后可以實(shí)時(shí)存儲(chǔ)保存電子示位標(biāo)的浮動(dòng)軌跡以及電子示位標(biāo)的電壓電流狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。當(dāng)設(shè)備的電壓電流狀態(tài)開(kāi)始下降的時(shí)候，海上監(jiān)管船舶可以及時(shí)靠近漂流標(biāo)，通過(guò)船舶自身的AIS設(shè)備來(lái)搜尋到電子示位標(biāo)，并靠近回收目標(biāo)漂流標(biāo)，電子示位標(biāo)安裝的AIS模塊發(fā)射功率可保證5海里內(nèi)被船舶AIS探測(cè)到，并且漂流標(biāo)設(shè)計(jì)有燈具，在夜晚更容易被目標(biāo)船舶識(shí)別到，具有全天候可搜尋的能力。

2.2 海事局指揮中心的專用監(jiān)控系統(tǒng)

海事局指揮中心的專用監(jiān)控系統(tǒng)主要包括北斗短報(bào)文接收終端、電子圍欄系統(tǒng)及電子海圖加顯示控制終端、VHF基站等。

通過(guò)在海事局指揮中心的電子圍欄系統(tǒng)及配套電子海圖軟件，用來(lái)解析電子示位標(biāo)發(fā)出的北斗短信，通過(guò)解析短信內(nèi)容將示位標(biāo)的位置信息存儲(chǔ)到配套電子海圖系統(tǒng)中去，并通過(guò)電子海圖軟件進(jìn)行位置軌跡的回放顯示，方便用戶遠(yuǎn)距離查看目標(biāo)位置以及漂移軌跡等信息，并對(duì)船舶信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，分析浮動(dòng)障礙物的可能運(yùn)行軌跡進(jìn)行預(yù)判，然后通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行VHF語(yǔ)音文本內(nèi)容的自動(dòng)加工，接著由網(wǎng)絡(luò)傳輸給VHF基站設(shè)備進(jìn)行發(fā)射，對(duì)附近的船舶進(jìn)行語(yǔ)音廣播，通知船舶駛離監(jiān)控水域。

海事局指揮中心專用監(jiān)控系統(tǒng)主要包括兩部分內(nèi)容，其一是顯示漂流標(biāo)軌跡信息專用的解析存儲(chǔ)加顯示系統(tǒng)，通過(guò)解析北斗報(bào)文，存儲(chǔ)漂流標(biāo)的位置信息，形成軌跡后通過(guò)顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示，方便用戶查看漂流標(biāo)實(shí)時(shí)狀態(tài)；其二是安裝一臺(tái)北斗接收機(jī)設(shè)備，通過(guò)固定的北斗SIM卡來(lái)接收漂流標(biāo)發(fā)送的北斗短報(bào)文，并將接收到的報(bào)文信息發(fā)送給解析終端。系統(tǒng)同時(shí)還會(huì)利用現(xiàn)有的船舶AIS系統(tǒng)來(lái)接收設(shè)備發(fā)出的AIS信息，通過(guò)實(shí)時(shí)解析AIS信息并利用船舶現(xiàn)有的ECDIS等系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，方便船舶快速查找目標(biāo)漂流標(biāo)；其三是有VHF基站將系統(tǒng)解析后信息進(jìn)行VHF語(yǔ)音文本內(nèi)容的自動(dòng)加工，接著由網(wǎng)絡(luò)傳輸給VHF基站設(shè)備進(jìn)行發(fā)射，對(duì)附近的船舶進(jìn)行語(yǔ)音廣播，通知船舶駛離監(jiān)控水域。

圖1 電子示位標(biāo)系統(tǒng)

圖2 系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖

3.系統(tǒng)通信原理

通過(guò)接入北斗定位模塊，獲取基點(diǎn)定位浮標(biāo)和漂流標(biāo)自身實(shí)時(shí)經(jīng)緯度信息后，按照AIS報(bào)文MSG 21編碼格式，對(duì)定位信息如經(jīng)緯度坐標(biāo)、漂移速度和方向以及浮標(biāo)本身的信息如搜尋基點(diǎn)、漂流開(kāi)始時(shí)間等同打包成為AIS報(bào)文，首先將報(bào)文系統(tǒng)通過(guò)北斗短報(bào)文的形式實(shí)時(shí)向海事局指揮中心的北斗接收設(shè)備上報(bào)，同時(shí)通過(guò)AIS所在VHF頻段廣播AIS報(bào)文。系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

4.結(jié)束語(yǔ)

隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，海上航行安全保障工作就顯得尤為重要，本文基于北斗和AIS技術(shù)設(shè)計(jì)了一種電子示位標(biāo)，滿足海上浮動(dòng)障礙物監(jiān)管的需要，并且研究的內(nèi)容具有非常廣闊的應(yīng)用前景。采用成熟的北斗以及AIS技術(shù)，設(shè)備更加穩(wěn)定，解決在未知海域浮動(dòng)障礙物實(shí)時(shí)監(jiān)管的難題，降低了成本，海上監(jiān)管能具有更強(qiáng)的方向性以及目的性。