應用北斗系統(tǒng)提升水上應急反應能力分析

徐明強 劉嘉華 俞 毅 劉 輝

應用北斗系統(tǒng)提升水上應急反應能力分析

徐明強 劉嘉華 俞 毅 劉 輝

為有效提高我國水上應急反應能力，需要著力提升應急時間，提高目標定位精度，增強各部門協(xié)調(diào)能力。東海航海保障中心將我國現(xiàn)有的水上應急反應技術(shù)和產(chǎn)品與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)相結(jié)合，相繼組織開發(fā)出了北斗應急示位標、北斗個人救生設(shè)備、北斗AIS一體機、北斗船載接收機、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、信息安全可靠、應急指揮順暢的水上應急管理體系。研究結(jié)果和實踐表明：基于北斗系統(tǒng)的信息技術(shù)平臺能夠有效提升水上應急反應能力。

北斗系統(tǒng)；水上應急；反應能力

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“加強內(nèi)河航運安全信息化動態(tài)監(jiān)管和應急救援能力建設(shè)”“充分發(fā)揮信息技術(shù)在提高安全防范和應急反應能力方面的重要作用”。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱“北斗系統(tǒng)”）是我國自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，在航海領(lǐng)域積極開展以北斗定位、導航、授時及通信的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，加強北斗技術(shù)成果在航海領(lǐng)域的推廣應用，以實現(xiàn)我國水上應急反應能力的顯著提升。

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)域為重點服務區(qū)，區(qū)域內(nèi)用戶除了可以使用北斗系統(tǒng)的定位、測速、授時服務外，還可利用衛(wèi)星進行短報文通信。

二、北斗系統(tǒng)在水上應急反應體系的應用

北斗系統(tǒng)在水上應急反應體系中的應用范圍非常廣泛，與水上應急反應相關(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狈磻脚_置于一個統(tǒng)一的高精度時空框架內(nèi)，必將在提升水上應急反應能力建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

1.提高水上應急反應體系的響應速度

將北斗系統(tǒng)的通信功能應用于船舶遇險報警，能夠確保水上遇險信息的及時性和準確性。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、通信保密性強的顯著優(yōu)點，能極大地提高水上搜救效率，進一步提升水上應急反應能力。

2.提高水上應急反應體系的位置精度

北斗地基增強系統(tǒng)能提供沿海、內(nèi)河北斗差分服務和高精度連續(xù)定位服務，實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、實時、高精度定位服務。在水上應急反應中，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.提高水上應急反應體系的數(shù)據(jù)整合能力

水上應急反應體系數(shù)據(jù)涉及面廣，信息容量大，增長速度快，且數(shù)據(jù)蘊含的信息價值高，包括VTS信息數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)、航標遙測遙控數(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)的深化應用和融合創(chuàng)新，對數(shù)據(jù)實施整合，加強數(shù)據(jù)分析挖掘、數(shù)據(jù)可視化和信息安全與隱私保護，實現(xiàn)對船舶航行更為準確的監(jiān)測、分析、預測、預警和提醒，提高數(shù)據(jù)的針對性、科學性和時效性。

針對北斗系統(tǒng)在水上應急反應體系中的不同應用需求，開發(fā)北斗應急示位標、北斗個人救生設(shè)備、北斗AIS一體機、北斗船載接收機、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，為實現(xiàn)應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、全覆蓋的水上應急管理和指揮系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 北斗系統(tǒng)水上應急終端型譜

三、北斗系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)和應用情況

1.北斗應急示位標

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（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（EPIRB）為單向數(shù)據(jù)傳輸，遇險人員不能了解當前救助實施情況，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；對政府公務船及軍事船舶來說，相關(guān)應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。

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

（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?shù)氖侄我苑乐挂馔獾膯樱辉诟‰x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搜尋的121.5兆赫信標；電池的容量足以使北斗應急無線電示位標工作至少24小時；具備取消報警功能。見表2。

表2 北斗應急示位標的性能指標

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

圖2 基于北斗應急示位標的水上應急搜救系統(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)行任務落水后，該設(shè)備可自動開機，迅速向指揮用戶機發(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（開機至解調(diào)出信息所需的時間）。

3.北斗AIS一體機

由于AIS覆蓋距離限制，AIS基站服務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，利用北斗導航衛(wèi)星的通信和定位功能 ，開發(fā)出了北斗AIS一體機。

北斗AIS一體機集北斗船載終端和AIS船臺功能于一體，是北斗導航技術(shù)和船舶自動識別技術(shù)的有機結(jié)合。目前該產(chǎn)品已在海事航標船、海事測量船上試用。在中國籍沿海運輸船舶和內(nèi)河船舶上推廣北斗AIS一體機，既有利于補充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一體機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

北斗AIS一體機具備以下功能：

（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、遠程調(diào)取船位、緊急報警、區(qū)域報警、導航、船船/船岸/船與手機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；增加船員電子認證、危化品電子認證、船舶電子簽證等操作程序，實現(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)、計算機網(wǎng)絡技術(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)由基準站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應用系統(tǒng)五個部分組成，各基準站與監(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?？蓾M足從毫米級到米級的需求，可為應急掃測、應急沉船打撈以及相關(guān)水上應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，增強差分作業(yè)的可靠性；用戶不需架設(shè)參考站，真正實現(xiàn)單機作業(yè)，減少了費用；使用固定可靠的數(shù)據(jù)鏈通信方式，減少了噪聲干擾；提供遠程INTERNET服務，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享。

基于北斗CORS系統(tǒng)的“大型船舶高精度導航及靠泊儀”，是大型集裝箱船舶能見度不良天氣條件下進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”輪上進行了實船靠泊實驗，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航定位服務，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)實現(xiàn)全天候、全天時安全快速進出港及靠離泊。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急反應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，能實現(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時數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉狈磻笓]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，對水上應急反應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。在航標應用中，交通運輸部海事局應用北斗系統(tǒng)在航標遙測系統(tǒng)進行航標移位監(jiān)測，并依靠北斗系統(tǒng)完成航標工作參數(shù)遙測傳輸，有效提高航標效能和維護質(zhì)量。同時，國家海洋局遠海的水文數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)傳輸也已采用北斗系統(tǒng)，目前在遠海燈浮、沿海島礁和沿海燈塔上實時收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，能為水上應急搶險指揮提供輔助決策，有效提高了海域管理水平、服務質(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、信息安全可靠、應急指揮順暢的水上應急管理體系，能從技術(shù)上有效解決我國水上應急反應體系反應時間長、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急響應速度，提升水上應急反應能力。

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10.16176/j.cnki.21-1284.2017.02.007

徐明強（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劃財務處，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