海上救生示位標通信技術應用

王偉濤，屈小艷，雷振德

（陜西烽火電子股份有限公司 寶雞研發中心，陜西 寶雞 721006）

0 引 言

目前，我國擁有約300萬平方公里管轄海域以及1萬8千公里海岸線，隨著國內外航運業務快速增長，各種海上險情和事故也明顯增加，據統計全球約有10萬人在海難事故中喪生[1]。

海上黃金救援時間約為12 h，施救時間越短，被救人員生存概率越大，如何及時準確地將遇險信息報告到搜救中心或周圍船舶是海上應急搜救主要存在的難點[2]。

1 示位標分類及搜救系統

1.1 示位標分類

示位標實際上就是一臺全自動小型發射機，其作用是發射應急報警和搜救時幫助確定幸存者位置。示位標顏色以橙色、紅色為主，如圖1所示。

圖1 應急救生示位標

示位標按用途分為航空示位標（Emergency Locator Transmitter，ELT）、海上示位標（Emergency Position Indicating Radio Beacon，EPIRB）和個人示位標（Personal Locator Beacon，PLB）；按使用頻率分為121.5/243 MHz示位標、406 MHz示位標[3]。

1.1.1 航空示位標ELT

航空示位標ELT一般安裝在民航客運和貨運飛機上，它作為一種終端設備，在航空救生系統中發揮重要作用。當飛機遇險或應急情況下可以自動或手動發射無線電信標信號，引導搜救人員或搜救力量確定遇險飛機的位置，開展人員的快速搜尋工作。

國際上ELT可以分為三代產品，其中第一代和第二代產品僅在121.5 MHz頻率上發射無線電信標信號，部分產品可同時發射243 MHz信標[4]。第三代產品以406 MHz衛星頻率為主要工作方式，同時保留121.5 MHz信標發射，部分設備也發射243MHz信標。

1.1.2 海上示位標EPIRB

海上示位標EPIRB安裝在船舶上，當船舶發生危險時能自動或手動開機并發送船舶的注冊信息。工作時EPIRB內部GPS實現定位，然后通過406 MHz調制信號發給全球衛星搜救系統，再由全球衛星搜救系統部署安排營救。GMDSS全球海上遇險與安全系統規定300 t以上船舶必須安裝此類設備。

1.1.3 個人示位標PLB

個人示位標PLB是一種手持式發射裝置，它具有小型化、方便攜帶、快速報警、簡便的操作等優點，廣泛地用于個人戶外探險、人員無人區工作等領域。PLB工作頻段是406 MHz和121.5 MHz，在遇到緊急情況下，可以手動啟動PLB，此時往外輻射的無線電求救信號會被發送到國際搜救衛星系統（COSPASSARSAT），PLB在全球范圍內覆蓋，實現全球性的救助。

1.2 國內外搜救系統

1.2.1 GMDSS系統

GMDSS全球海上遇險與安全系統是國際海事組織提出的全球性通信網，主要用于全球海上遇險報警、緊急和安全通信，功能有遇險報警、搜救通信、救助現場通信、定位救助現場、海上遇險信息播發和接收、公眾業務常規通信和船上駕駛臺與駕駛臺之間通信。

GMDSS由衛星通信系統和地面通信系統兩部分組成。其中，衛星通信系統包括和全球衛星搜救系統和國際移動衛星通信系統（Inmartsat），地面通信系統工作在MF、HF和VHF頻段，用于遠距離、中距離和近距離的安全、緊急、遇險及常規業務通信；前者用于陸上、海上、空中遇險事件和人員的搜救業務，并向全球開放。

1.2.2 COSPAS-SARSAT系統

COSPAS-SARSAT系統由加拿大、法國、美國和前蘇聯等幾個國家聯合開發的，系統由示位標、空間段（衛星）、地面分系統（LUT、MCC）組成。如圖2所示，衛星檢測地面應急信號后轉發至地面用戶終端（LUT），通過任務控制中心（MCC）解析并確認，聯系距離應急地點最近的搜救指揮中心（RCC）實施搜索救援行動（SAR）。

圖2 COSPAS-SARSAT系統工作示意圖

1.2.3 北斗衛星導航系統

由我國研制的北斗衛星導航系統是一種全球衛星導航與定位系統，是繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯之后第三個已經投入實際運行的衛星導航系統。我國的北斗三號全球衛星導航系統于2020年7月31日正式開通，可為全球的客戶提供基本導航、定位、測速、授時、全球短報文通信和國際搜救等服務。

地面指揮中心、北斗衛星、指揮型用戶機、救生型用戶機構成了成我國北斗搜救體系。其中救生型用戶機是一種可以方便攜帶的終端設備，它具有小型化、工作待機時間長、方便被救人員攜帶等特點；指揮型用戶機一般被裝備在搜救直升機、搜救車輛或者搜救船只上。如圖3所示是北斗系統搜救系統的一般工作過程。終端設備可依靠RNSS實現精準定位，通過短報文將自己的位置快速發送到北斗衛星和指揮型用戶機上。

圖3 北斗搜救系統示意圖

2 海上救生示位標通信技術

目前用于海上救生示位標通信方式有121.5/243 MHz信標音、406 MHz信號、DSC信號和AIS信號等，航行在各個海區的船舶示位標選用的通信報警手段不同，其遇險報警的作用距離也不相同。

2.1 121.5 MHz/243 MHz信標音

121.5 MHz/243 MHz信標音是一種AM方波調制信號，方波頻率在1 600～300 Hz向下掃頻，重復速率在2～4 Hz，方波占空比33%～55%。在對應頻率的超短波接收端可聽到類似救護車“警報”的聲音，表示附近有險情出現。若飛機或艦船上裝有定向機，可根據信標音判斷被救者的方位，從而引導救援。信標音的技術要求見表1。

表1 信標音頻指標

2.2 406 MHz信號

406 MHz EPIRB信號是含有數字編碼信息的射頻脈沖信號，其幀格式如圖4所示，包括載波恢復、位同步、幀同步、格式標志和報文內容幾個部分。位同步碼是15個“1”，幀同步碼正常工作是“000101111”，自檢時是“011010000”。格式標志為“0”時，表示后面的報文內容為短格式，當為“1”時表示報文內容為長格式。

圖4 406 MHz EPIRB信號幀格式

協議標志表示本示位標采用的協議是海上/定位協議（“0”），還是用戶協議（“1”）；應急碼共6 bit，第1位用來表示是否為海上應急碼，第2位表示啟動方式（“0”手動，“1”自動），后4位表示遇險性質[5]。406 MHz信號主要技術指標如下：（1）工作頻率為406.025～406.076 MHz；（2）頻率精度為±1 kHz；（3）發射功率為（5±2）W；（4）數據速率為400 b/s；（5）數據編碼為Bi-L；（6）作用距離為覆蓋全球。

2.3 DSC信號

數字選擇性呼叫（Digital Selective Calling，DSC）是GMDSS通信系統中一個重要終端設備，船舶在VHF頻段采用DSC終端可實現船與船/岸之間的常規無線電通信，同時DSC也能完成對船舶的應急報警、轉發和確認。VHF EPIRB實際上是一個有發射能力的單通道DSC報警設備，DSC遇險報警格式見表2[6]。

表2 DSC遇險報警格式

DSC信號中格式符是本序列的性質，選擇遇險功能代碼112，自識別是本設備的水上移動業務標識碼MMSI。電文1為遇險性質，使用112表示EPIRB發射，電文2表示遇險位置信息，電文3是遇險時間，電文4選擇后續遇險通信方式。VHF EPIRB主要技術指標如下：（1）工作頻率為156.525 MHz；（2）頻率容限小于10×10-6；（3）發射功率大于100 mW；（4）調試方式為FSK；（5）作用距離僅限A1海區。

2.4 AIS信號

船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）是一種用在船舶上的導航裝置，它能被在電子海圖上標注出海面附近的船舶信息，如航線向、航向、船名等，通過這種方式能有效地進行船舶間的避讓，避免了船舶的碰撞，提高了海上船舶航行的安全性。

AIS-SART是AIS設備中的一種，此類設備一般被安裝在救生筏、救生艇或遇險船只中，當船舶遇到緊急情況遇險浸水時，它能夠發射AIS遇險消息、遇險位置，準確報告當前狀態和相關的安全信息。AISSART有一個最大優勢，就是能夠在船載AIS設備上標注出遇險船只或幸存者的方向、范圍，其信號幀格式如圖5所示。

圖5 AIS-SART信號幀格式

AIS-SART設備的用戶ID即MMSI由9位數字組成，格式為970XXYYYY，970是AIS-SART專用，XX是制造廠，YYYY是設備的序列號[7]。AIS-SART要求在 Ch1（161.975 MHz）、Ch2 （162.025 MHz）以脈沖方式交替發送AIS消息1（船位報告）和消息14（安全文本），如圖6所示。

圖6 AIS-SART脈沖發送示意圖

AIS-SART主要技術的工作頻率：Ch1（161.975 MHz）、Ch2（162.025 MHz）。（1）發射功率為（2±1.5）W；（2）數據速率為9 600 b/s；（3）調制方式為GMSK；（4）作用距離≥5海里。

3 海上救生示位標通信技術融合

隨著軟件無線電技術發展，示位標可以同時具備發射121.5/243MHz信標、406MHz信號、DSC信號、AIS-SART和北斗定位的功能，增加了上述功能的海上示位標可滿足GMDSS中所有海區中由遠及近的遇險報警需求。

圖7為融合幾種救生通信技術手段的海上示位標應用場景，在船舶遇險或緊急情況發生時，示位標可按程序內部設定的應急救生工作流程，依次進行北斗RNSS定位、北斗RD定位、北斗短報文、406 MHz DSC信號、AIS信號和121.5/243 MHz信標音的發射，將自己的遇險位置以最快的方式發送出去，以便救援力量的快速到達，為遇險人員和財產安全提供一種安全保障。

圖7 未來海上救生示位標應用場景

為了兼容各個通信頻率，根據工作頻率可分120～410 MHz和1.5～2.5 GHz，示位標的通信天線應該兼容以上頻段。在射頻信號處理方面，集成度更高的射頻處理器件如AD9364等也被成熟應用。

其次，為延長示位標時間工作，內置的電池應選擇能量比高、無需維護的鋰原電池體系。在鋰電池體系中，鋰/二氧化錳電池具有的免維護、免激活、工作溫度范圍寬、適合大電流放電等特性，給救生示位標能連續長時間工作提供了技術支撐。

4 結 論

406 MHz、AIS和DSC是GMDSS中的重要報警手段，北斗衛星導航系統是我國自主研制開發的通信與導航系統，在軍民融合及聯合搜救的大趨勢下，將原有海上救生示位標的AIS、DSC和北斗定位功能進行融合設計，能讓遇險飛機、遇險船舶、遇險人員及時被發現和營救。