徐明強(qiáng) 劉嘉華 俞 毅 劉 輝

應(yīng)用北斗系統(tǒng)提升水上應(yīng)急反應(yīng)能力分析

徐明強(qiáng) 劉嘉華 俞 毅 劉 輝

為有效提高我國水上應(yīng)急反應(yīng)能力，需要著力提升應(yīng)急時間，提高目標(biāo)定位精度，增強(qiáng)各部門協(xié)調(diào)能力。東海航海保障中心將我國現(xiàn)有的水上應(yīng)急反應(yīng)技術(shù)和產(chǎn)品與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，相繼組織開發(fā)出了北斗應(yīng)急示位標(biāo)、北斗個人救生設(shè)備、北斗AIS一體機(jī)、北斗船載接收機(jī)、北斗高精度連續(xù)定位系統(tǒng)、北斗數(shù)據(jù)傳輸終端等不同類型的導(dǎo)航終端產(chǎn)品，形成了多功能、多層次、多形態(tài)的終端產(chǎn)品型譜，最終形成以北斗技術(shù)為支撐的，航海數(shù)據(jù)收集全覆蓋、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、位置信息精準(zhǔn)、信息安全可靠、應(yīng)急指揮順暢的水上應(yīng)急管理體系。研究結(jié)果和實(shí)踐表明：基于北斗系統(tǒng)的信息技術(shù)平臺能夠有效提升水上應(yīng)急反應(yīng)能力。

北斗系統(tǒng)；水上應(yīng)急；反應(yīng)能力

2015年6月1日21時32分，重慶東方輪船公司所屬“東方之星”號客輪由南京開往重慶，航行至湖北省荊州市監(jiān)利縣長江大馬洲水道時，遭遇突發(fā)性強(qiáng)對流天氣翻沉，除12人生還外，442人遇難?！妒录{(diào)查報告》明確指出，應(yīng)“加強(qiáng)內(nèi)河航運(yùn)安全信息化動態(tài)監(jiān)管和應(yīng)急救援能力建設(shè)”“充分發(fā)揮信息技術(shù)在提高安全防范和應(yīng)急反應(yīng)能力方面的重要作用”。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗系統(tǒng)”）是我國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在航海領(lǐng)域積極開展以北斗定位、導(dǎo)航、授時及通信的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，加強(qiáng)北斗技術(shù)成果在航海領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)我國水上應(yīng)急反應(yīng)能力的顯著提升。

一、北斗系統(tǒng)現(xiàn)狀

北斗系統(tǒng)基本服務(wù)區(qū)范圍包含東經(jīng)55°～東經(jīng)180°、南緯55°～北緯55°，覆蓋區(qū)域包含我國及周邊地區(qū)、南海及東南亞地區(qū)和南半球的澳大利亞，定位精度水平10米，高程10米，授時精度50 ns，測速精度0.2米/秒。其中，我國領(lǐng)土區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)服務(wù)區(qū)，區(qū)域內(nèi)用戶除了可以使用北斗系統(tǒng)的定位、測速、授時服務(wù)外，還可利用衛(wèi)星進(jìn)行短報文通信。

二、北斗系統(tǒng)在水上應(yīng)急反應(yīng)體系的應(yīng)用

北斗系統(tǒng)在水上應(yīng)急反應(yīng)體系中的應(yīng)用范圍非常廣泛，與水上應(yīng)急反應(yīng)相關(guān)的數(shù)據(jù)資源中，70%左右的數(shù)據(jù)均和船舶位置、精確時間密切相關(guān)。北斗系統(tǒng)具有定位、授時和通信三大核心功能，能夠?qū)⒋昂蛻?yīng)急反應(yīng)平臺置于一個統(tǒng)一的高精度時空框架內(nèi)，必將在提升水上應(yīng)急反應(yīng)能力建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

1.提高水上應(yīng)急反應(yīng)體系的響應(yīng)速度

將北斗系統(tǒng)的通信功能應(yīng)用于船舶遇險報警，能夠確保水上遇險信息的及時性和準(zhǔn)確性。北斗系統(tǒng)具備雙向通信功能，具有定位精度高、覆蓋范圍廣、可靠性高、通信保密性強(qiáng)的顯著優(yōu)點(diǎn)，能極大地提高水上搜救效率，進(jìn)一步提升水上應(yīng)急反應(yīng)能力。

2.提高水上應(yīng)急反應(yīng)體系的位置精度

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)能提供沿海、內(nèi)河北斗差分服務(wù)和高精度連續(xù)定位服務(wù)，實(shí)時定位精度從米級至厘米級，構(gòu)成北斗系統(tǒng)的重要組成部分。該系統(tǒng)可為沿海水域以及內(nèi)河水域提供三維、實(shí)時、高精度定位服務(wù)。在水上應(yīng)急反應(yīng)中，該系統(tǒng)可以為遇險船舶和救援船舶提供高精度的位置數(shù)據(jù)，大幅度提升救援能力。

3.提高水上應(yīng)急反應(yīng)體系的數(shù)據(jù)整合能力

水上應(yīng)急反應(yīng)體系數(shù)據(jù)涉及面廣，信息容量大，增長速度快，且數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的信息價值高，包括VTS信息數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)、航標(biāo)遙測遙控數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)、船舶和船員靜態(tài)數(shù)據(jù)等。通過北斗系統(tǒng)技術(shù)的深化應(yīng)用和融合創(chuàng)新，對數(shù)據(jù)實(shí)施整合，加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析挖掘、數(shù)據(jù)可視化和信息安全與隱私保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對船舶航行更為準(zhǔn)確的監(jiān)測、分析、預(yù)測、預(yù)警和提醒，提高數(shù)據(jù)的針對性、科學(xué)性和時效性。

針對北斗系統(tǒng)在水上應(yīng)急反應(yīng)體系中的不同應(yīng)用需求，開發(fā)北斗應(yīng)急示位標(biāo)、北斗個人救生設(shè)備、北斗AIS一體機(jī)、北斗船載接收機(jī)、北斗高精度連續(xù)定位系統(tǒng)、北斗數(shù)據(jù)鏈路傳輸系統(tǒng)等不同類型的導(dǎo)航終端產(chǎn)品，形成了多功能、多層次、多形態(tài)的終端產(chǎn)品型譜，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急能力提升提供了重要的技術(shù)對接手段，最終形成以北斗技術(shù)為支撐的、安全可靠的、全覆蓋的水上應(yīng)急管理和指揮系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 北斗系統(tǒng)水上應(yīng)急終端型譜

三、北斗系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用情況

1.北斗應(yīng)急示位標(biāo)

我國水上遇險報警主要依靠VHF、中頻、高頻的數(shù)字選擇型呼叫系統(tǒng)（DSC）和國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)（COSPAS-SARSAT）的緊急無線電示位標(biāo)（EPIRB），內(nèi)河水域尚沒有專用的船舶遇險報警系統(tǒng)。DSC系統(tǒng)具有覆蓋范圍小、信號干擾大、誤報警頻繁的劣勢，如表1所示。

表1 水上遇險報警方式比較

緊急無線電示位標(biāo)（EPIRB）為單向數(shù)據(jù)傳輸，遇險人員不能了解當(dāng)前救助實(shí)施情況，此外國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)地面控制中心位于加拿大，我國海上搜救部門不能在第一時間獲得原始遇險信息；對政府公務(wù)船及軍事船舶來說，相關(guān)應(yīng)急信息無法得到有效保密。EPIRB終端發(fā)出的船舶遇險信息傳遞普遍存在滯后現(xiàn)象（平均延時0.75～2小時），容易延誤搜救行動。中國內(nèi)河船舶沒有要求配備專用應(yīng)急報警設(shè)備。近年來，我國船舶數(shù)量已接近35萬艘，包括船員、漁民和鉆井平臺作業(yè)人員等在內(nèi)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(tǒng)核心技術(shù)裝備依賴國外進(jìn)口，安裝與使用成本偏高，不能滿足中小型船舶和落水個體的普遍安裝要求。

北斗應(yīng)急示位標(biāo)是將緊急無線電示位標(biāo)與北斗系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)品，它克服了緊急無線電示位標(biāo)的時間滯后、信息保密等不足，具有以下特點(diǎn)：

（1）可向北斗衛(wèi)星發(fā)射遇險報警信息，并可接收北斗衛(wèi)星回執(zhí)信息。

（2）自動漂浮式，該設(shè)備、支架和釋放裝置在水上可能遇到的極端情況下，可正常工作。

（3）配有適當(dāng)?shù)氖侄我苑乐挂馔獾膯?；在浮離后自動啟動；能手動啟動和手動關(guān)閉；配有指示控制中心已應(yīng)答的裝置；在平靜水中直立浮起，且在所有情況下均具有正穩(wěn)性和足夠的浮力；能從20米高處落入水中而不受損壞；能在任何角度的橫傾或縱傾情況下，在尚未達(dá)到4米水深前自動釋放和浮離；設(shè)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(fù)載白色環(huán)照燈（不小于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；配有主要用于為飛機(jī)搜尋的121.5兆赫信標(biāo)；電池的容量足以使北斗應(yīng)急無線電示位標(biāo)工作至少24小時；具備取消報警功能。見表2。

表2 北斗應(yīng)急示位標(biāo)的性能指標(biāo)

將北斗應(yīng)急示位標(biāo)信息與中國海上搜救中心及各級搜救中心聯(lián)網(wǎng)，依托國家水上應(yīng)急搜救系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船舶遇險信息的及時推送和應(yīng)急響應(yīng)信息的發(fā)送（如圖2所示），可實(shí)現(xiàn)報警信息、AIS、北斗和電子海圖信息同步推送，以及信息與交通運(yùn)輸部海事系統(tǒng)大數(shù)據(jù)融合共享。

圖2 基于北斗應(yīng)急示位標(biāo)的水上應(yīng)急搜救系統(tǒng)

2.北斗個人救生設(shè)備

北斗個人救生設(shè)備具有北斗短報文上報位置功能和定位功能，可以佩戴在衣服或救生衣上。水上人員在執(zhí)行任務(wù)落水后，該設(shè)備可自動開機(jī)，迅速向指揮用戶機(jī)發(fā)射求救信號以及位置信息，為搜救人員提供依據(jù)，大大加快了搶救時間，提高了遇險者的生還率，節(jié)約了時間、人力、物力。其體積小巧，攜帶方便，工作時間長，實(shí)用價值高，用途廣泛。該設(shè)備發(fā)射成功率≥95%，捕獲時間≤2秒（開機(jī)至解調(diào)出信息所需的時間）。

3.北斗AIS一體機(jī)

由于AIS覆蓋距離限制，AIS基站服務(wù)器容量和信道容量的局限性，AIS基站的中國沿海分布情況，內(nèi)陸山區(qū)、丘陵地區(qū)對AIS信號的影響以及AIS基站對電源、寬帶等保障系統(tǒng)要求，目前還無法做到AIS在中國領(lǐng)海范圍內(nèi)以及全部內(nèi)河通航水域的全覆蓋。為了解決AIS系統(tǒng)無法全覆蓋的問題，利用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的通信和定位功能 ，開發(fā)出了北斗AIS一體機(jī)。

北斗AIS一體機(jī)集北斗船載終端和AIS船臺功能于一體，是北斗導(dǎo)航技術(shù)和船舶自動識別技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。目前該產(chǎn)品已在海事航標(biāo)船、海事測量船上試用。在中國籍沿海運(yùn)輸船舶和內(nèi)河船舶上推廣北斗AIS一體機(jī)，既有利于補(bǔ)充AIS基站，做到中國所有水域AIS監(jiān)控基本全覆蓋，也有利于船舶全面掌握現(xiàn)場交通流情況，避免碰撞危險局面發(fā)生，如圖3所示。

圖3 北斗AIS一體機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

北斗AIS一體機(jī)具備以下功能：

（1）AIS功能。終端支持現(xiàn)有B級AIS船臺的所有AIS功能，包括電子海圖顯示、GNSS定位、導(dǎo)航、AIS船舶自動識別、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(yuǎn)程調(diào)取船位、緊急報警、區(qū)域報警、導(dǎo)航、船船/船岸/船與手機(jī)之間的短消息通信等功能。

（3）AIS信息北斗轉(zhuǎn)發(fā)功能。轉(zhuǎn)發(fā)本船AIS信息，轉(zhuǎn)發(fā)周圍遇險船只和人員的AIS求救信息，轉(zhuǎn)發(fā)周圍船舶MMSI號和位置信息，轉(zhuǎn)發(fā)周圍指定船舶AIS詳細(xì)信息，轉(zhuǎn)發(fā)岸臺向本船周圍所有船舶的廣播信息，轉(zhuǎn)發(fā)岸臺向本船周圍指定船舶的AIS短消息。上述轉(zhuǎn)發(fā)功能可由岸臺遙控開啟或關(guān)閉。單次發(fā)送AIS船舶信息數(shù)≥6條，單周期最大發(fā)送AIS船舶數(shù)≥30條。

（4）附加功能。北斗AIS一體機(jī)還可以選裝各類附件，如身份證讀卡器、條形碼掃描器等；增加船員電子認(rèn)證、危化品電子認(rèn)證、船舶電子簽證等操作程序，實(shí)現(xiàn)對船員、貨物、船舶靜態(tài)情況的監(jiān)管，為船舶安全管理提供便利。

4. 北斗高精度連續(xù)定位系統(tǒng)（以下簡稱“北斗CORS系統(tǒng)”）

北斗CORS系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)等高新科技多方位、深度結(jié)合的產(chǎn)物。北斗CORS系統(tǒng)由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)五個部分組成，各基準(zhǔn)站與監(jiān)控分析中心間通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接成一體，形成專用網(wǎng)絡(luò)?？蓾M足從毫米級到米級的需求，可為應(yīng)急掃測、應(yīng)急沉船打撈以及相關(guān)水上應(yīng)急搶險提供高精度位置信息。

北斗CORS系統(tǒng)徹底改變了傳統(tǒng)RTK測量作業(yè)方式，其主要優(yōu)勢包括：采用連續(xù)基站，用戶隨時可以觀測，使用方便，提高了工作效率；擁有完善的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地消除系統(tǒng)誤差和周跳，增強(qiáng)差分作業(yè)的可靠性；用戶不需架設(shè)參考站，真正實(shí)現(xiàn)單機(jī)作業(yè)，減少了費(fèi)用；使用固定可靠的數(shù)據(jù)鏈通信方式，減少了噪聲干擾；提供遠(yuǎn)程INTERNET服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。

基于北斗CORS系統(tǒng)的“大型船舶高精度導(dǎo)航及靠泊儀”，是大型集裝箱船舶能見度不良天氣條件下進(jìn)出洋山深水港航海保障系統(tǒng)建設(shè)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(jìn)行了實(shí)船靠泊實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。該靠泊儀支持北斗、GPS兩種定位模式，可同時支持AIS、北斗、雷達(dá)等不同船舶數(shù)據(jù)的接收與顯示，并提供厘米級的高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，從而為夜航、霧航情況提供技術(shù)支持，確保洋山深水港區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、全天時安全快速進(jìn)出港及靠離泊。因此，北斗高度連續(xù)定位系統(tǒng)也能為惡劣天氣條件下應(yīng)急反應(yīng)指揮提供一種有效手段。

5.北斗系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路

北斗系統(tǒng)具有高可靠、高保密性的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)在覆蓋區(qū)域的短報文數(shù)據(jù)傳輸。在船、岸、海洋、海島、礁石、大橋等與航海保障相關(guān)的區(qū)域安裝相關(guān)數(shù)據(jù)采集設(shè)施，通過北斗短報文通道將實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)急反應(yīng)指揮平臺。通過對海洋、港口、氣象等事關(guān)航海安全的基礎(chǔ)要素的采集和管理，對水上應(yīng)急反應(yīng)指揮起到輔助決策的作用。

目前，這些北斗數(shù)據(jù)采集平臺已經(jīng)起到非常大的作用。在航標(biāo)應(yīng)用中，交通運(yùn)輸部海事局應(yīng)用北斗系統(tǒng)在航標(biāo)遙測系統(tǒng)進(jìn)行航標(biāo)移位監(jiān)測，并依靠北斗系統(tǒng)完成航標(biāo)工作參數(shù)遙測傳輸，有效提高航標(biāo)效能和維護(hù)質(zhì)量。同時，國家海洋局遠(yuǎn)海的水文數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)傳輸也已采用北斗系統(tǒng)，目前在遠(yuǎn)海燈浮、沿海島礁和沿海燈塔上實(shí)時收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，能為水上應(yīng)急搶險指揮提供輔助決策，有效提高了海域管理水平、服務(wù)質(zhì)量及監(jiān)控能力。

四、結(jié)束語

依托北斗系統(tǒng)，構(gòu)筑航海數(shù)據(jù)收集全覆蓋、信息數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、位置信息精準(zhǔn)、信息安全可靠、應(yīng)急指揮順暢的水上應(yīng)急管理體系，能從技術(shù)上有效解決我國水上應(yīng)急反應(yīng)體系反應(yīng)時間長、定位精度不高、無法做到全覆蓋的不足，顯著提高我國水上應(yīng)急響應(yīng)速度，提升水上應(yīng)急反應(yīng)能力。

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10.16176/j.cnki.21-1284.2017.02.007

徐明強(qiáng)（1976—），男，東海航海保障中心，辦公室主任，高級工程師，碩士

劉嘉華（1961—），男，東海航海保障中心，副主任兼總工，高級工程師

俞毅（1971—），男，東海航海保障中心計(jì)劃財務(wù)處，工程師

劉輝（1983—），男，東海航海保障中心海事測繪處，高級工程師，碩士