多通道無(wú)線(xiàn)電人員落水定位搜救終端開(kāi)發(fā)

摘 要：隨著無(wú)線(xiàn)電技術(shù)在水上搜救上的應(yīng)用，多種人員落水（Man Over Board，簡(jiǎn)稱(chēng)MOB）定位搜救終端產(chǎn)品上市銷(xiāo)售。本文通過(guò)將各類(lèi)水上搜救通信方式集成融合，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款多通道無(wú)線(xiàn)電人員落水定位搜救終端，在海上作業(yè)人員意外落水后，能及時(shí)給衛(wèi)星、船舶、飛機(jī)等多種救援方式提供遇險(xiǎn)位置信息，從而提高搜救效率，保障海上人員生命安全。

關(guān)鍵詞：MOB；北斗短報(bào)文；AIS自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)；DSC數(shù)字選呼；海上搜救

0 引 言

近些年，隨著海洋強(qiáng)國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)沿海及近海海域海上施工項(xiàng)目逐年增多，海上作業(yè)人員數(shù)量也成幾何式倍增。受不同海域突發(fā)性天氣、海況等不確定性因素影響，時(shí)有海上人員作業(yè)期間不慎意外落水事件發(fā)生。如何保障海上作業(yè)人員安全，尤其是人員意外落水后快速救援響應(yīng)，成為各施工單位和海事部門(mén)急需解決的問(wèn)題。交通運(yùn)輸部《落水人員主動(dòng)報(bào)警定位終端技術(shù)要求》（JT/T 1223-2018）是2018年12月1日實(shí)施的一項(xiàng)中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)落水人員主動(dòng)報(bào)警定位終端的一般要求、功能要求、性能要求和電源要求做出了基本規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)適用于水上交通與水上作業(yè)等人員配備的定位報(bào)警終端產(chǎn)品。依據(jù)以上技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)上先后出現(xiàn)了如基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)4G通信和第一代北斗衛(wèi)星RDSS等各類(lèi)型人員落水報(bào)警終端，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)揮作用，豐富了市場(chǎng)產(chǎn)品矩陣。筆者通過(guò)對(duì)目前海上多種基礎(chǔ)通信手段介紹，結(jié)合工作實(shí)踐，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款兼容北斗、AIS、VHF DSC和航空對(duì)講頻率的人員落水定位搜救終端，兼顧遠(yuǎn)海遇險(xiǎn)位置確定和內(nèi)河、近海飛機(jī)船舶救援，為海上遇險(xiǎn)人員海陸空一體化搜救提供先決裝備條件。

1 各類(lèi)通信技術(shù)介紹

1.1 AIS自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

AIS自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)是一種應(yīng)用于船和岸、船和船之間的水上安全與通信的助航系統(tǒng)。安裝在船上的AIS設(shè)備在向外發(fā)送船位、航速、航向、船名、呼號(hào)等重要信息的同時(shí)，接收VHF覆蓋范圍內(nèi)其他船舶的信息，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)應(yīng)答和信息交換，可以有效減少船舶碰撞事故。AIS自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)作為一個(gè)國(guó)際通用規(guī)范設(shè)備，對(duì)船舶導(dǎo)助航服務(wù)具有重要作用。AIS方式的定位搜救終端通過(guò)廣播的方式向周邊的船舶提供落水人員定位信息，增加船舶對(duì)落水人員搜救成功概率。但是AIS人員落水終端受天線(xiàn)和供電等影響，發(fā)射功率低，發(fā)射距離近，在茫茫大海中想遠(yuǎn)距離搜救落水人員是非常困難的事情。

1.2 北斗短報(bào)文通信

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由我國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的能為全球用戶(hù)提供全天候、高精度定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文服務(wù)的高精尖衛(wèi)星系統(tǒng)。傳統(tǒng)第一代和第二代北斗短報(bào)文終端受衛(wèi)星數(shù)量、發(fā)射功率及通信卡申請(qǐng)等影響，一直沒(méi)有得到廣泛推廣。2020年底，第三代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位授時(shí)功能實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋，北斗應(yīng)用推廣正式成為國(guó)家戰(zhàn)略。IMO國(guó)際海事組織海上安全委員會(huì)第106屆會(huì)議通過(guò)決議，認(rèn)可北斗短報(bào)文服務(wù)加入全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS）。作為國(guó)產(chǎn)公共服務(wù)產(chǎn)品，將北斗三代短報(bào)文通信技術(shù)加入人員落水定位搜救終端中，通過(guò)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)及時(shí)上報(bào)落水人員位置，對(duì)快速定位落水人員所屬海域的位置具有重要輔助作用，為海上遠(yuǎn)距離搜救定位提供了可能。不過(guò)目前最新北斗短報(bào)文通信并不是廣播方式，需要地面站和數(shù)據(jù)中心進(jìn)行有線(xiàn)方式轉(zhuǎn)發(fā)處理后才能發(fā)給各現(xiàn)場(chǎng)救援力量。

1.3 DSC-數(shù)字選擇性呼叫

DSC（數(shù)字選擇性呼叫）是海上安全緊急呼叫的重要手段之一，是 IMO GMDSS（全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)） 組成部分。DSC大致分為遇險(xiǎn)和安全呼叫、常規(guī)呼叫兩大類(lèi)，前者主要用于遇險(xiǎn)、緊急和安全呼叫和應(yīng)答，后者可用于船船與船岸之間的常規(guī)業(yè)務(wù)和連接岸上公共電話(huà)網(wǎng)。在遇險(xiǎn)呼叫時(shí)，發(fā)信機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到設(shè)定的遇險(xiǎn)頻率上，按設(shè)定的報(bào)警方式進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，DSC接收機(jī)可以自動(dòng)接收DSC遇險(xiǎn)報(bào)警，而不需要人工值守，從而大大提高了遇險(xiǎn)報(bào)警的成功率。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）規(guī)定CH70為 VHF 頻段的全球遇險(xiǎn)選呼頻道，我國(guó)交通運(yùn)輸部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中也將DSC作為人員落水終端一項(xiàng)建議性通信方式。

1.4 國(guó)際航空應(yīng)急通信頻道

國(guó)際民用航空組織（ICAO）和國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）規(guī)定VHF頻段上的121.5 MHz為國(guó)際航空應(yīng)急通信頻率。目前民航飛機(jī)上121.5 Mhz的頻率主要用于傳遞語(yǔ)音信息，空管指揮中心（ATC）和飛機(jī)等都會(huì)值守這一頻率。在飛機(jī)遇險(xiǎn)或故障時(shí)，飛行員通過(guò)這個(gè)頻率，把自己的信息廣播出去，廣播內(nèi)容包含當(dāng)前位置、高度、機(jī)型、機(jī)載人數(shù)、燃油量、故障類(lèi)型、下一步的動(dòng)作，以及希望獲得的援助等。除民航飛機(jī)外，應(yīng)急遇險(xiǎn)終端設(shè)備也可以在121.5 Mhz頻率上發(fā)送遇險(xiǎn)求救信號(hào)，具備接收能力的搜救飛機(jī)和空管指揮中心（ATC）可以通過(guò)該信號(hào)對(duì)遇險(xiǎn)人員進(jìn)行定位搜救，做出相應(yīng)的遇險(xiǎn)援助決策。目前，少數(shù)幾個(gè)廠(chǎng)商生產(chǎn)的人員落水終端帶有121.5 MHz遇險(xiǎn)信號(hào)發(fā)射功能。

2 總體設(shè)計(jì)

通過(guò)以上各水上通信技術(shù)介紹，結(jié)合目前電子通信產(chǎn)品主流技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一款北斗三代短報(bào)文、AIS、VHF DSC和國(guó)際航空應(yīng)急頻率于一體的人員落水定位搜救終端，兼顧內(nèi)河、近岸和遠(yuǎn)海不同場(chǎng)景下人員意外落水救援。終端工作系統(tǒng)流程如圖1所示。

目前，船載AIS自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)和VHF甚高頻對(duì)講設(shè)備在我國(guó)執(zhí)法船、施工船、商船、漁船等船舶基本實(shí)現(xiàn)全部強(qiáng)制安裝配備，為船只在10 n mile范圍內(nèi)第一時(shí)間搜救落水人員提供前期設(shè)備保障。在內(nèi)河和近海水域，AIS和VHF DSC報(bào)警信息可以快速被周邊船載AIS、VHF以及基站接收。北斗三代短報(bào)文在我們海域、東亞、東南亞、南亞、澳洲北部、中東部分地區(qū)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)盲區(qū)覆蓋。外海和遠(yuǎn)海海域的人員落水后可以通過(guò)北斗衛(wèi)星第一時(shí)間向岸端指揮中心發(fā)送求救報(bào)警信息。近?；蛲夂５暮娇站仍校娇账丫蕊w行器在應(yīng)急搜救頻率上可以接收到30 km范圍內(nèi)的121.5 MHz的遇險(xiǎn)求救信號(hào)，進(jìn)一步拉近縮小與落水人員的距離。

以上多種通信方式保證人員落水遇險(xiǎn)定位信息可實(shí)現(xiàn)船端通導(dǎo)設(shè)備、岸端指揮中心和航空救援三位一體無(wú)死角接收，最終形成一個(gè)由遠(yuǎn)到近的完整搜救鏈。

3 技術(shù)路線(xiàn)

多通道人員落水定位搜救終端設(shè)備主要由MCU主控單元模塊、第三代北斗短報(bào)文通信模塊、SDR軟件無(wú)線(xiàn)電模塊、電池電源模塊、北斗天線(xiàn)、甚高頻多模天線(xiàn)等組成。終端具有人工報(bào)警和海水開(kāi)關(guān)啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警兩種方式。內(nèi)置高亮度LED閃燈，在夜晚也可以起到警示作用，設(shè)備組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

MCU模塊使用高性能、低成本、低功耗的STM32芯片，進(jìn)行各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)通信；北斗三代模塊負(fù)責(zé)北斗信號(hào)調(diào)制解調(diào)，采用5W發(fā)射功率；北斗多模天線(xiàn)為小型化有源陶瓷天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)北斗定位以及北斗短報(bào)文發(fā)射；SDR軟件無(wú)線(xiàn)電模塊是一個(gè)集成模塊，主要實(shí)現(xiàn)AIS、VHF DSC和121.5 MHz等在甚高頻頻段通信的信號(hào)調(diào)制，并通過(guò)甚高頻多模天線(xiàn)進(jìn)行信號(hào)發(fā)送；電源模塊配備高密度鋰電電池組，通過(guò)電池管理實(shí)現(xiàn)不同模塊供電需要，保證射頻模塊攻略發(fā)射要求，保障終端連續(xù)工作24 h。

終端樣品已經(jīng)上船實(shí)測(cè)，終端設(shè)備外形及應(yīng)用測(cè)試如圖3所示。

該終端技術(shù)亮點(diǎn)：

（1）模具設(shè)計(jì)。外殼采用ABS材料設(shè)計(jì)，防水、防腐蝕、耐高溫，加以防鯊顏色搭配，適用于各類(lèi)水體環(huán)境。

（2）折疊式多模天線(xiàn)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)甚高頻頻段通信天線(xiàn)較長(zhǎng)，不利于隨身攜帶和固定。本終端采用一體化天線(xiàn)設(shè)計(jì)，使用高增益柔性材料，在保證各甚高頻通信效果的前提下，使整個(gè)終端佩戴方便，操作簡(jiǎn)單。

（3）抗干擾設(shè)計(jì)。采用SDR軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)將頻率相近的AIS、VHF DSC和121.5 MHz發(fā)射做軟件調(diào)制，解決各頻率間相互干擾問(wèn)題。

設(shè)備樣機(jī)開(kāi)發(fā)后，在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了AIS和VHF DSC接收情況，如圖4、圖5所示。

4 擴(kuò)展應(yīng)用及展望

對(duì)于現(xiàn)代海上人員落水搜救而言，不僅需要多通道無(wú)線(xiàn)電人員落水定位搜救終端，還需要設(shè)計(jì)一套完整的搜救體系，讓落水人員即使已經(jīng)被洋流或者海流沖走后，依然可以通過(guò)搜救體系進(jìn)行有效的跟蹤，進(jìn)而確認(rèn)一套最優(yōu)的救援方案。這一整套搜救體系不僅僅包含定位搜救裝置，還需要一套強(qiáng)大的后臺(tái)數(shù)據(jù)處理以及監(jiān)控平臺(tái)，可以與搜救協(xié)調(diào)中心（RCC）進(jìn)行有效對(duì)接，保障整個(gè)搜救流程在多方努力下能順利進(jìn)行。

該人員落水定位搜救終端可以廣泛應(yīng)用于各海洋工程戶(hù)外作業(yè)人員，如石油平臺(tái)、風(fēng)電運(yùn)維、海洋牧場(chǎng)、海上橋梁施工、以及海上執(zhí)法等。海上作業(yè)人員一旦意外落水，第一時(shí)間發(fā)送遇險(xiǎn)信息，第一時(shí)間啟動(dòng)搜救，同時(shí)不間斷實(shí)時(shí)提供當(dāng)前落水人員位置信息，岸端指揮搜救落水周?chē)Ｓ虿?shí)施救援，大大提高救援效率，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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