文 | 謝曉輝 王平 張軻 蔣文學(xué) 韓國彬 蘭斌

1.中國海洋石油集團(tuán)有限公司 2.青島杰瑞自動化有限公司 3.中海油信息科技有限公司深圳分公司

一、引言

北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航與通信系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具備短報文通信能力；并于2020年7月31日正式開通，提供全球服務(wù)。

中海油是中國最大的海上油氣生產(chǎn)運(yùn)營商。面對海上作業(yè)高投入、高風(fēng)險挑戰(zhàn)，在海上人員落水搜救方面，存在搜救裝備落后，主要依靠人眼視覺、望遠(yuǎn)鏡及船用雷達(dá)觀察發(fā)現(xiàn)遇難目標(biāo)的問題，急需先進(jìn)技術(shù)裝備來改變目前海上救生裝備陳舊、不配套、性能差的現(xiàn)狀。目前，應(yīng)急搜救系統(tǒng)主要是船舶安全報警系統(tǒng)（SSAS）和全球海上遇險與安全系統(tǒng)（GMDSS），遇險時在國家搜救系統(tǒng)范圍內(nèi)向岸上搜救中心報警。中海油遇險報警系統(tǒng)主要供船舶使用，并沒有個人使用的遇險報警系統(tǒng)，自動化智能化水平較低。

基于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的應(yīng)急搜救系統(tǒng)，具備導(dǎo)航定位和遠(yuǎn)程通信能力，可有效擴(kuò)大搜救范圍，提高搜救速度，還可用于船舶航跡及人員作業(yè)監(jiān)控。通過北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)試點建設(shè)，開展新型便攜式搜尋終端應(yīng)用、建立海上陸地一體化搜救中心，可實現(xiàn)搜救現(xiàn)場和搜救中心的險情信息快速、準(zhǔn)確地交換，提升海上應(yīng)急搜救指揮能力。本文描述的中海油北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)，以RDSS和RNSS融合技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用藍(lán)牙等成熟通信技術(shù)，解決了常規(guī)通信手段失效時，提供遇險船舶及作業(yè)人員與指揮中心的應(yīng)急通信能力。

二、北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)部署

1.系統(tǒng)組成

北斗海上應(yīng)急救援系統(tǒng)主要由北斗搜救指揮中心、北斗船載搜救終端及北斗個人搜救終端組成，圖1為中海油北斗海上應(yīng)急救援系統(tǒng)組成示意圖。中海油海上試點系統(tǒng)分別在海油南北兩地部署了陸上搜救指揮中心，海上作業(yè)船舶部署了船載搜救終端和單兵個人搜救終端。搜救指揮中心主要具備信息處理、搜救信息管理、搜救籌劃與指揮、日常值班接警和統(tǒng)計分析等功能；搜救終端主要具備預(yù)警信息接收、緊急報警、位置跟蹤、定位導(dǎo)航、短報文通信和藍(lán)牙通信等功能。

圖1 北斗海上應(yīng)急救援系統(tǒng)組成示意圖

該系統(tǒng)利用北斗RNSS信號進(jìn)行用戶位置解算以及單向授時，并利用北斗RDSS短報文功能進(jìn)行雙向報文通信，即用戶自己解算搜救終端位置信息，通過短報文將搜救終端的位置信息和遇險報警信息發(fā)送至北斗搜救指揮中心，由指揮中心完成對下屬終端指揮及遇險搜救調(diào)度。

（1）北斗搜救指揮中心

北斗搜救指揮中心設(shè)備主要包括北斗指揮機(jī)及室外北斗天線。搜救中心指揮機(jī)將北斗指揮機(jī)與加固計算機(jī)一體化集成，使單臺加固式指揮機(jī)即可完成一個便攜式搜救中心的所有基本功能，無需配備額外的計算機(jī)或服務(wù)器等硬件平臺，可滿足機(jī)動、便攜、易部署等方面的使用需求；同時具備北斗定位、指揮、監(jiān)收、通播等功能，可以通過北斗短信息報文進(jìn)行指揮、調(diào)度、監(jiān)收以及數(shù)據(jù)傳輸。

北斗搜救指揮中心主要技術(shù)指標(biāo)：

· 對終端管理能力：大于等于100部；

· 搜救范圍：北斗衛(wèi)星系統(tǒng)信號覆蓋范圍；

· 報警信息響應(yīng)時間：≤2min（從報警終端發(fā)出報警信號到搜救中心處理完告警的時間）。

（2）北斗個人搜救終端

北斗個人搜救終端在人員落水后自動開機(jī)啟動報警流程，也可以通過手動按下電源按鈕開機(jī)啟動報警流程。個人搜救終端啟動報警流程后，通過北斗導(dǎo)航系統(tǒng)RNSS無源定位技術(shù)和RDSS的短報文通信技術(shù)，周期性地將遇險人員的準(zhǔn)確坐標(biāo)、時間等信息實時告知救援中心，從而顯著提高應(yīng)急救援的響應(yīng)速度和搜救成功率。其應(yīng)用原理如圖1中北斗個人搜救終端與北斗搜救指揮中心之間的相互關(guān)系所示。北斗個人搜救終端主要指標(biāo)如表1所示。

表1 北斗個人搜救終端主要指標(biāo)

（3）北斗船載搜救終端

北斗船載搜救終端具備北斗導(dǎo)航系統(tǒng)無源定位功能，能夠?qū)崟r獲取作業(yè)船舶的實時位置信息。同時，集成專業(yè)的電子海圖，實現(xiàn)北斗導(dǎo)航的同時兼具北斗短報文通信功能，能夠接收來自指揮中心廣播或點到點發(fā)送的氣象、調(diào)度、避險、救援等預(yù)警和指揮信息，并向指揮中心上報狀態(tài)、位置、險情、搜救工作等信息，實現(xiàn)與搜救中心和其他船載搜救終端之間的雙向通信。如圖1中船載終端、北斗衛(wèi)星及北斗指揮中心之間的相互關(guān)系所示。北斗船載搜救終端性能指標(biāo)如表2所示。

表2 北斗船載搜救終端主要指標(biāo)

2.技術(shù)原理

北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)的技術(shù)原理如圖2所示。在發(fā)生遇險情況下，搜救終端自動發(fā)出遇險信號，發(fā)送至北斗搜救指揮中心，并周期性上報遇險者（船只）的實時位置，指引搜救人員快速定位；搜救中心的指揮人員利用北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)，收集應(yīng)急搜救相關(guān)信息，合理籌劃安排，制定搜尋救援方案，并通過多種手段，指揮海上搜尋救助力量，協(xié)調(diào)海上搜尋救助相關(guān)資源，實現(xiàn)對海上遇險者的搜尋救助。

圖2 基于北斗系統(tǒng)的海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)技術(shù)原理圖

該系統(tǒng)采用北斗導(dǎo)航星座的RNSS信號進(jìn)行用戶位置解算以及單向授時。僅利用一顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星的雙向數(shù)據(jù)傳輸能力，進(jìn)行雙向報文通信，即系統(tǒng)自動解算位置信息，通過短報文將位置信息和遇險報警信息發(fā)送至搜救中心。系統(tǒng)采用較多的導(dǎo)航星座衛(wèi)星的RNSS信號進(jìn)行位置解算和授時，精度更高，可適應(yīng)高動態(tài)用戶使用。此外，系統(tǒng)不需要用戶機(jī)與主控站之間雙向交互進(jìn)行用戶位置計算，一定程度上釋放了系統(tǒng)容量。

該系統(tǒng)綜合了遇險定位技術(shù)、信息綜合處理技術(shù)、搜救籌劃指揮技術(shù)，解決了目前我國海上搜救體系方式較落后，時效性、準(zhǔn)確性較低的現(xiàn)狀；解決了個人遇險搜救系統(tǒng)缺乏的問題；并有效提高了搜救系統(tǒng)的覆蓋范圍。

三、北斗海上應(yīng)急搜救示范應(yīng)用

北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)部署后，針對海上遇險實時報警、準(zhǔn)確定位、遠(yuǎn)程通信等需求進(jìn)行了實測驗證。北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)主要性能體現(xiàn)在系統(tǒng)自身和搜救終端的定位及通信能力。下面結(jié)合現(xiàn)場實際應(yīng)用場景，介紹測試驗證和應(yīng)用情況。

1.系統(tǒng)定位及通信能力

北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)包括北斗定位和短報文報警功能。在緊急情況下觸發(fā)終端，終端自動定位，并發(fā)送位置信息和報警信息。

（1）系統(tǒng)定位能力

北斗搜救系統(tǒng)覆蓋區(qū)域為我國及周邊地區(qū)。在我國及周邊地區(qū)，系統(tǒng)定位性能較北斗系統(tǒng)基本定位性能進(jìn)一步提高，定位精度優(yōu)于5m，測速精度優(yōu)于0.1m/s，授時精度優(yōu)于10ns。

（2）系統(tǒng)信息發(fā)送能力

北斗短報文通信功能可將遇險報警信息、遇險位置信息等發(fā)送至搜救指揮中心或者接收指揮中心指令、執(zhí)行指令。用于其他用途時，如數(shù)據(jù)采集、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控等也可通過系統(tǒng)發(fā)送。北斗系統(tǒng)在不同區(qū)域短報文的通信能力不同。在中國及周邊地區(qū)，可使用區(qū)域短報文。

2.終端定位及通信能力

采用搜救終端的靜態(tài)定位精度指標(biāo)測試方法衡量終端定位性能指標(biāo)對需求的滿足情況；采用統(tǒng)計報警信息測試方法衡量搜救終端通信能力的滿足程度。

（1）終端定位性能

選取北斗個人搜救終端和北斗船載搜救終端進(jìn)行定位精度測試：個人搜救終端定位精度北向定位誤差3.19m，東向定位誤差10.94m，水平定位誤差11.40m；北斗船載搜救終端北向定位誤差為1.33m，東向定位誤差為0.61m，水平定位誤差為1.46m；測試精度表明，船載搜救終端定位性能優(yōu)于個人搜救終端，在海上人員落水和船舶遇險時，滿足用戶要求的20m精度誤差內(nèi)。

（2）終端通信能力

使用假人佩戴個人搜救終端浸入水中（模擬人員落水），終端天線露出水面，記錄自個人搜救終端浸入水中與指揮中心收到搜救終端的報警位置信息的時間間隔：北斗個人搜救終端報警時間為28s，滿足用戶要求在1～2分鐘之內(nèi)的指標(biāo)。

在海上作業(yè)船舶將船載搜救終端進(jìn)行初始化，按下SOS紅色按鍵、輸入報警信息并記錄時間，在搜救指揮中心監(jiān)控軟件查看接收的報警信息后，統(tǒng)計時間差：北斗船載搜救終端報警時間為57s，滿足用戶要求時間在1分鐘內(nèi)的指標(biāo)。

3.測試結(jié)果分析

經(jīng)過實際驗證測試，北斗海上搜救系統(tǒng)功能符合要求，性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計指標(biāo)。個人終端定位精度在10m左右，船載終端定位精度優(yōu)于2m，遇險報警通信建立時間在1～2分鐘之內(nèi)。在遇險搜救中能夠快速準(zhǔn)確地定位遇險目標(biāo)，及時組織救援。

（1）滿足個人遇險報警響應(yīng)要求

基于北斗的應(yīng)急搜救系統(tǒng)能夠在1分鐘內(nèi)建立報警通信，使得搜救中心及時發(fā)現(xiàn)遇險人員，并以最快速度通知所屬船舶，并在電子海圖上直觀顯示遇險人員位置，展開救助行動。

（2）滿足動態(tài)追蹤船舶遇險軌跡的要求

船舶遇險報警后，系統(tǒng)可自動將船舶位置不斷報送至搜救指揮中心。在船舶因海流、風(fēng)等因素導(dǎo)致船舶位置移動的情況下，指揮中心能夠?qū)崟r跟蹤船舶移動軌跡，預(yù)測船舶可能移動區(qū)域范圍，結(jié)合電子海圖，直觀反映船舶遇險位置，快速調(diào)度應(yīng)急搜救力量進(jìn)行救助。

（3）滿足動態(tài)數(shù)據(jù)采集要求

經(jīng)測試，北斗短報文通信可在1分鐘內(nèi)發(fā)送，短報文的數(shù)據(jù)長度可達(dá)14kbit（單次報文最大長度），對于小數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)可以滿足通信要求。利用北斗短報文通信，指揮中心除了可以動態(tài)獲取船舶的作業(yè)位置信息外，還可以通過數(shù)據(jù)采集獲取相關(guān)船舶作業(yè)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等信息。

（4）滿足船舶應(yīng)急救助指揮調(diào)度要求

船舶部署的北斗便攜式指揮中心，在船舶電子地圖上動態(tài)顯示遇險地點，以最快速度前往遇險地對遇險人員進(jìn)行救助。岸上指揮中心亦可以動態(tài)查看遇險地附近可用的應(yīng)急搜救力量，發(fā)送調(diào)度指令至船舶前往遇險地點，實施應(yīng)急救助。

4.北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)應(yīng)用

通過試點建設(shè)，該套系統(tǒng)可以對中海油試點項目作業(yè)船舶進(jìn)行實時狀態(tài)監(jiān)測。依托北斗衛(wèi)星提供的航行數(shù)據(jù)，為作業(yè)船只航路數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化航路、船期以及規(guī)避風(fēng)險提供了寶貴的數(shù)據(jù)積累和大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

（1）船舶狀態(tài)實時監(jiān)測

系統(tǒng)通過北斗船載終端上傳的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對下屬船只的船位、船向及是否在線等狀況進(jìn)行實時的精確顯示，并存儲記錄軌跡信息，作為作業(yè)船只調(diào)度管理的理論參考。

（2）船舶航路及船期的優(yōu)化

系統(tǒng)能夠?qū)崟r記錄下屬船舶的軌跡、航速及航向等基礎(chǔ)信息，并以作業(yè)船舶名稱為文件名，自動存入數(shù)據(jù)庫，通過自帶的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，自動完成用戶信息、船舶航線信息、船舶設(shè)備信息、船舶參數(shù)信息等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計整理，使各種雜亂無章的海量數(shù)量可以得到高效地提取和應(yīng)用，快速識別有價值的信息。從而，經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析，規(guī)劃出合理的航路及航期優(yōu)化路線。

（3）防臺避險

同時，結(jié)合系統(tǒng)自帶的臺風(fēng)預(yù)警信息發(fā)布及短報文通信功能，指揮中心通過臺風(fēng)預(yù)測軌跡標(biāo)注，測算中海油被影響到的船舶數(shù)量，并依據(jù)受臺風(fēng)颶風(fēng)影響的船舶列表，通過北斗短報文進(jìn)行險情預(yù)警，為防臺避臺提供又一種保障手段。

（4）應(yīng)急通信

系統(tǒng)建設(shè)成功后，解決了海上作業(yè)船舶長期在寬帶及VSAT信號缺失的情況下，缺乏有效通信手段的技術(shù)困擾，能夠有效保障作業(yè)船舶與指揮中心的信息交互及指令傳達(dá)。

四、結(jié)束語

中海油試點建設(shè)的北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)，可有效應(yīng)用于船舶和船員應(yīng)急搜救、應(yīng)急船舶調(diào)度和指揮?；诒倍穼?dǎo)航衛(wèi)星的海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)綜合運(yùn)用了多種衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，為指揮、救援和日常調(diào)度提供了基于衛(wèi)星的現(xiàn)代化全新手段，在海上遇險搜救中發(fā)揮了良好的示范作用。此外，該系統(tǒng)提供的航行數(shù)據(jù)為作業(yè)船舶航路數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化航路、船期以及規(guī)避風(fēng)險提供了寶貴的數(shù)據(jù)積累和大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。