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(fā)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(nèi)外航運業(yè)務(wù)快速增長，各種海上險情和事故也明顯增加，據(jù)統(tǒng)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(yīng)急搜救主要存在的難點[2]。

1 示位標分類及搜救系統(tǒng)

1.1 示位標分類

示位標實際上就是一臺全自動小型發(fā)射機，其作用是發(fā)射應(yīng)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(yīng)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(shè)備，在航空救生系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。當飛機遇險或應(yīng)急情況下可以自動或手動發(fā)射無線電信標信號，引導(dǎo)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(chǎn)品，其中第一代和第二代產(chǎn)品僅在121.5 MHz頻率上發(fā)射無線電信標信號，部分產(chǎn)品可同時發(fā)射243 MHz信標[4]。第三代產(chǎn)品以406 MHz衛(wèi)星頻率為主要工作方式，同時保留121.5 MHz信標發(fā)射，部分設(shè)備也發(fā)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(fā)生危險時能自動或手動開機并發(fā)送船舶的注冊信息。工作時EPIRB內(nèi)部GPS實現(xiàn)定位，然后通過406 MHz調(diào)制信號發(fā)給全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)，再由全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)部署安排營救。GMDSS全球海上遇險與安全系統(tǒng)規(guī)定300 t以上船舶必須安裝此類設(shè)備。

1.1.3 個人示位標PLB

個人示位標PLB是一種手持式發(fā)射裝置，它具有小型化、方便攜帶、快速報警、簡便的操作等優(yōu)點，廣泛地用于個人戶外探險、人員無人區(qū)工作等領(lǐng)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(fā)送到國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)（COSPASSARSAT），PLB在全球范圍內(nèi)覆蓋，實現(xiàn)全球性的救助。

1.2 國內(nèi)外搜救系統(tǒng)

1.2.1 GMDSS系統(tǒng)

GMDSS全球海上遇險與安全系統(tǒng)是國際海事組織提出的全球性通信網(wǎng)，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(xiàn)場通信、定位救助現(xiàn)場、海上遇險信息播發(fā)和接收、公眾業(yè)務(wù)常規(guī)通信和船上駕駛臺與駕駛臺之間通信。

GMDSS由衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面通信系統(tǒng)兩部分組成。其中，衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括和全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)和國際移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Inmartsat），地面通信系統(tǒng)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(guī)業(yè)務(wù)通信；前者用于陸上、海上、空中遇險事件和人員的搜救業(yè)務(wù)，并向全球開放。

1.2.2 COSPAS-SARSAT系統(tǒng)

COSPAS-SARSAT系統(tǒng)由加拿大、法國、美國和前蘇聯(lián)等幾個國家聯(lián)合開發(fā)的，系統(tǒng)由示位標、空間段（衛(wèi)星）、地面分系統(tǒng)（LUT、MCC）組成。如圖2所示，衛(wèi)星檢測地面應(yīng)急信號后轉(zhuǎn)發(fā)至地面用戶終端（LUT），通過任務(wù)控制中心（MCC）解析并確認，聯(lián)系距離應(yīng)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(tǒng)工作示意圖

1.2.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

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

地面指揮中心、北斗衛(wèi)星、指揮型用戶機、救生型用戶機構(gòu)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(shè)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(tǒng)搜救系統(tǒng)的一般工作過程。終端設(shè)備可依靠RNSS實現(xiàn)精準定位，通過短報文將自己的位置快速發(fā)送到北斗衛(wèi)星和指揮型用戶機上。

圖3 北斗搜救系統(tǒng)示意圖

2 海上救生示位標通信技術(shù)

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(qū)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(diào)制信號，方波頻率在1 600～300 Hz向下掃頻，重復(fù)速率在2～4 Hz，方波占空比33%～55%。在對應(yīng)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(xiàn)。若飛機或艦船上裝有定向機，可根據(jù)信標音判斷被救者的方位，從而引導(dǎo)救援。信標音的技術(shù)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(shù)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(fù)、位同步、幀同步、格式標志和報文內(nèi)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(nèi)容為短格式，當為“1”時表示報文內(nèi)容為長格式。

圖4 406 MHz EPIRB信號幀格式

協(xié)議標志表示本示位標采用的協(xié)議是海上/定位協(xié)議（“0”），還是用戶協(xié)議（“1”）；應(yīng)急碼共6 bit，第1位用來表示是否為海上應(yīng)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(zhì)[5]。406 MHz信號主要技術(shù)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(fā)射功率為（5±2）W；（4）數(shù)據(jù)速率為400 b/s；（5）數(shù)據(jù)編碼為Bi-L；（6）作用距離為覆蓋全球。

2.3 DSC信號

數(shù)字選擇性呼叫（Digital Selective Calling，DSC）是GMDSS通信系統(tǒng)中一個重要終端設(shè)備，船舶在VHF頻段采用DSC終端可實現(xiàn)船與船/岸之間的常規(guī)無線電通信，同時DSC也能完成對船舶的應(yīng)急報警、轉(zhuǎn)發(fā)和確認。VHF EPIRB實際上是一個有發(fā)射能力的單通道DSC報警設(shè)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(zhì)，選擇遇險功能代碼112，自識別是本設(shè)備的水上移動業(yè)務(wù)標識碼MMSI。電文1為遇險性質(zhì)，使用112表示EPIRB發(fā)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(xù)遇險通信方式。VHF EPIRB主要技術(shù)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(fā)射功率大于100 mW；（4）調(diào)試方式為FSK；（5）作用距離僅限A1海區(qū)。

2.4 AIS信號

船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）是一種用在船舶上的導(dǎo)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(shè)備中的一種，此類設(shè)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(fā)射AIS遇險消息、遇險位置，準確報告當前狀態(tài)和相關(guān)的安全信息。AISSART有一個最大優(yōu)勢，就是能夠在船載AIS設(shè)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(shè)備的用戶ID即MMSI由9位數(shù)字組成，格式為970XXYYYY，970是AIS-SART專用，XX是制造廠，YYYY是設(shè)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(fā)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(fā)送示意圖

AIS-SART主要技術(shù)的工作頻率：Ch1（161.975 MHz）、Ch2（162.025 MHz）。（1）發(fā)射功率為（2±1.5）W；（2）數(shù)據(jù)速率為9 600 b/s；（3）調(diào)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(shù)融合

隨著軟件無線電技術(shù)發(fā)展，示位標可以同時具備發(fā)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(qū)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(shù)手段的海上示位標應(yīng)用場景，在船舶遇險或緊急情況發(fā)生時，示位標可按程序內(nèi)部設(shè)定的應(yīng)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(fā)射，將自己的遇險位置以最快的方式發(fā)送出去，以便救援力量的快速到達，為遇險人員和財產(chǎn)安全提供一種安全保障。

圖7 未來海上救生示位標應(yīng)用場景

為了兼容各個通信頻率，根據(jù)工作頻率可分120～410 MHz和1.5～2.5 GHz，示位標的通信天線應(yīng)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(yīng)用。

其次，為延長示位標時間工作，內(nèi)置的電池應(yīng)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(xù)長時間工作提供了技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

406 MHz、AIS和DSC是GMDSS中的重要報警手段，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研制開發(fā)的通信與導(dǎo)航系統(tǒng)，在軍民融合及聯(lián)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(shè)計，能讓遇險飛機、遇險船舶、遇險人員及時被發(fā)現(xiàn)和營救。