基于北斗卫星导航系统的海上救生标.doc

基于北斗卫星导航系统的海上救生示位标芦庆丰、张三喜、孟宪宏连云港海事局、北京尚乘亿邦通信技术有限公司【摘 要】 本文从海上救生的迫切性、重要性出发，结合海上救生的难点，以及现有海上救生设备的现状，研制出了一种基于我国自主开发的北斗卫星导航系统研发的海上救生示位标，实现了在整个亚太区域海洋上的遇险自动报警、北斗卫星精确定位、落水人员漂移轨迹实时跟踪等功能，解决了一直困扰着我国海上搜救 “听不见落水人员报警” 和 “找不到落水人员位置” 的难题，搜救指挥中心只需组织少量船舶或单架飞机对落水人员进行直线式搜救，改变传统的“船海搜救战术”的大海捞针、拉网式搜救模式，减少不必要的搜救力量组织和搜救资源参与，大大节约搜救直接成本支出。也是我国海上搜救史上的一次革命性的突破。【关键词】 北斗 海上 搜救 示位标 6一、概 述人类步入海洋世纪后，随着世界经济一体化和信息全球化进程的加快，国际航运事业得到飞速的发展，海洋经济已经成为国民经济的重要组成部分，我国沿海省市都把海洋经济作为新的战略重点。然而，伴生而来的是海上和水上险情和事故多发，海难事故发生概率也在不断增加。据统计，全世界每年约有10 万人在海难事故中丧生。2011年，中国海上搜救中心共接报、处置水上险情2177起，组织、协调船艇8600艘次、飞机402架次参加海上搜救行动，成功搜救海上遇险船舶1721艘、人员18712人，搜救成功率达96.7%。1 海上救生的成功与否不仅直接关系到无数个普通家庭的幸福，而且关系到军队的战斗力，甚至会影响我国的国际形象和国家海上安全环境。二、海上救生的难点海难大多为突发事故，难于应对，船舶海上航行遇到大风浪、大雾等恶劣气象和海况，有可能突发翻船、碰撞、触礁、搁浅；也可因爆炸、火灾等原因导致船舶沉没。在遭遇海难时，如何及早地搜寻遇险人员，将损失降低到最小就成为首要完成的任务。由于海上事故的突发性，因此海上救生就存在其独有的难点。首先，人员落水后受风向、海流、海潮等因素影响，位置随海浪不断移动呈动态分布，且漂流方向无任何规律可循。如事故发生在夜间，搜寻工作就更加困难；即使知道有人落水，等救助船舶到达后，落水人员已漂离初始落水地点几海里、几十海里，甚至上百海里。而且落水人员在海上往往只露出头部，最多只露出身体三分之一，即使气象条件较好的白天，靠肉眼观察也只能搜寻600700m，夜间能见度更差，搜寻更为困难2。其次，受气象、海况等影响,普通搜救船只难于出动，即便出动也无法迅速准确地找到落水人员位置。由于船舶海难事故大多在恶劣气象时突发。这时气象条件差,风急浪高,海况十分恶劣,一般船舶无法出海实施搜救。只有抗风浪性能强的几万吨、几十万吨大型船只可以出动,但这些船舶海上机动性能差，在无法知道落水人员准确位置坐标情况下，搜救落水人员效率更低。国外仅有少数发达国家的海军和海上搜救中心装备全天候搜救飞机,可在恶劣海况条件下实施搜救。最后，海上受多种因素影响,落水人员生存能力有限。低温海水中浸泡易造成冻僵。如水温0 时,人仅能存活15分钟；水温5 时,能存活1小时左右。同时，在海洋中极易受有害生物伤害,如鲨鱼、海蛇、水母、章鱼、有毒鱼类等,造成落水人员伤亡。2三、现有救生示位设备从以上总结的海上救生难点可以发现如何能及时准确地将落水人员的位置反馈给救援人员就成为决定海上救生成功率的首要条件。因此救生示位标志与信号是海上救生设备不可或缺的重要组成部分，其组成包括视觉信号、无线电信号和声音信号。目前国内外主要的救生装备有：（一）、无线电信号类，代表性的产品与基本性能如表1所示。此类设备的缺点是体积大、重量大、携带不方便，作用距离短，影响其广泛应用。表 1 无线电应急示位器基本性能3类型基本性能EPIRB406WH工作频率：406MHz尺寸：150370 （mm）重量：1.7kg工作时间：48小时定位精度：1.8mEPIRB406M工作频率：406MHz尺寸：1605590 （mm）重量：0.5kg工作时间：24小时定位精度：1.8mG4GPS工作频率：406MHz定位精度：80m（二）、火焰信号、烟雾信号类、浮灯类、信号弹类、海水染色类、反光带以及组合信号类。主要产品如图1所示。 (a) (b) (c)图 1 现有救生定位设备 （a）手持式火焰信号棒 (b)救生示位灯 (c)带示位灯烟雾发生器此类产品具有携带方便，使用简单等优点，但不能主动地将自身位置告诉搜救方，使用起来受外界因素影响大，不利于救援人员迅速、准确地搜救遇难人员。四、北斗海上救生示位标北斗卫星导航系统（如图2所示）是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统（CNSS），是继美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。图 2 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。截止2012年10月底在轨卫星16颗，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。北斗卫星导航系统将在2020年形成全球覆盖能力。目前其定位精度优于20m，授时精度优于100ns。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端组成。如果说GPS可以让使用者知道自己在哪里的话，那么我国自主研发的北斗卫星导航系统则不仅可以让使用者知道自己在哪里，还可以让别人知道你在哪里。正是短报文通信这项北斗导航系统独有的功能为北斗导航运用到海上救生提供了技术上的可能。北斗海上救生示位标采用北斗RDSS四合一导航模块，利用北斗卫星导航系统的定位、授时、短报文通信功能，实现了人员落水后设备自动开机、定位、发送求救信息的功能。这种救生标可以方便地佩带在衣服或救生衣上，改变目前拉网式搜救的传统方法，实现即时准确定位，大大的缩短了搜救时间，提高了遇险者的生还率，节约了时间、人力、物力。 图 3 北斗卫星导航海上救生示位标和实际佩带效果北斗卫星导航海上救生标（如图3所示）具有体积小巧（体积196.7立方厘米），重量轻（全重约240克），携带方便（可佩带于救生衣上），工作时间长（可以连续工作72小时以上），实用价值高，用途广泛等优点。北斗卫星导航海上救生标详细性能指标如表2所示。表 2 北斗卫星导航海上救生示位标性能参数首次捕获（卫星信号）时间 2 s失锁后重新捕获时间 1 s动态范围 300 km/h接收通道数 6定位精度 20 m *定位、通信成功率 99%连续工作时长 72 h循环定位、通信求救时间周期 198 s* 随着北斗卫星导航系统的性能日臻完善，最终定位精度将提高到10m以上。北斗卫星导航海上救生示位标工作框图如图4所示。北斗卫星导航海上救生示位标配置了触水开关，当佩带人员不慎落水后，触水开关遇水接通，自动开机工作（设备同时配置了手动开关，紧急情况下，可手动按下按键开关即可开机工作）。开机后，示位标即向北斗导航卫星发送定位申请，卫星在收到定位申请后，开始计算示位标位置信息，并将准确的位置坐标信息发送给示位标，示位标在收到坐标信息后通过短报文形式由北斗卫星发送给预先设置好地址的北斗指挥机（岸上、海上救援中心），为使得示位标节省功耗，在将坐标信息发送给北斗指挥机后，示位标将休眠120s（此休眠时间可以根据实际需求通过软件进行修改）。休眠结束后，示位标将重新开始新的定位，发送坐标信息，休眠这一循环流程。通过不断将最新的用户位置坐标、时间信息实时发往救援中心（岸上及海上搜救中心），在救援中心指挥平台上会实时地显示出落水人员位置以及周边海图海况等数据，救援中心通过北斗卫星短报文形式将搜救指令以及落水人员位置信息发送给配有北斗手持机的专业海巡搜救人员或附近海域船只进行现场施救。搜救人员凭借携带的北斗手持机可以实时接收救生标发出的位置信息，以最终找到落水人员位置，及时搜救。图 4 北斗海上救生示位标工作框图为验证北斗海上救生示位标的实际性能，2012年5月在连云港海事局组织下，北斗海上救生示位标在连云港海域做了海上实地测试，本次出海最远到达连云港三、四号锚地，单程一个小时，距离约为16海里。测试中北斗海上救生示位标被放在救生衣上，置于海面漂浮，当示位标触水后，开关导通，示位标即开始正常工作。图5即为在连云港海上搜救中心大屏幕上显示的示位标漂移的实时轨迹。从图中可见，当示位标工作后，即可实时将坐标位置发送到搜救中心，并显示在大屏幕的海图上标注出来，随着海巡艇的拖拽，实时的坐标轨迹也能准确地发送给搜救中心，方便搜救中心作出明确的判断，下达准确的搜救指令。图 5 搜救中心平台显示的示位标漂移轨迹五、总 结我国目前从事与海洋相关的人员数量众多，其中各类商船约3万艘，商船船员约60万人；渔船70万艘，渔船船员约700万人。而我国海洋搜救领域尚无高效适用的相关产品，传统的救生设备存在体积大，准确率低，工作时间短等缺点。基于我国北斗卫星导航系统研发的海上救生示位标极大地改变目前拉网式搜救的传统方法，提高搜救效率，减少国家的搜救损失，具有革命性的意义。随着我国北斗卫星导航系统的不断完善，基于北斗导航的海上救生标的精度也会随