海上落水人員報(bào)警定位裝置發(fā)展現(xiàn)狀

劉 勇，齊樹波，喻錫成，駱星九

（海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433）

0 引言

海上落水人員報(bào)警定位裝置是能夠感知人員落水事件、及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)、可記錄并發(fā)送人員落水后運(yùn)動(dòng)軌跡的工具或設(shè)備。船舶在海上遇險(xiǎn)或者艦員在惡劣氣象條件下甲板作業(yè)時(shí)，人員易發(fā)生落水事件。而落水事件不僅會(huì)使人員長(zhǎng)時(shí)間在海水中浸泡，還可能會(huì)遭遇海洋生物侵害、感染、低體溫癥等風(fēng)險(xiǎn)，危及生命，應(yīng)盡早展開救援。感知落水事件、確定落水位置是海上落水人員救援的重要環(huán)節(jié)。早期的報(bào)警定位主要依靠反光帶、煙霧、示位燈、哨笛等聲光物理裝置，由艦船值班人員目視預(yù)警，存在報(bào)警延遲大、距離短、效果差、受氣象影響較大等問題[1]。目前航母等大型水面艦艇甲板面積大、作業(yè)人員多，傳統(tǒng)的落水報(bào)警定位方法已難以滿足使用需求。近年來，出現(xiàn)了基于慣性制導(dǎo)、無線通信、衛(wèi)星定位導(dǎo)航等技術(shù)的海上落水人員報(bào)警定位裝置并逐漸裝備于大型艦船，該類裝置具有可及時(shí)感知人員落水事件并報(bào)警、精確記錄人員地理軌跡的功能，有效提升了海上落水人員的救援效率[2-5]。

為了提升海軍艦艇落水人員的救援效率，尤其是潛艇沉海事故中上浮到水面艇員的救援效率，本文系統(tǒng)地分析海上落水人員報(bào)警定位裝置的基本分類、結(jié)構(gòu)組成、應(yīng)用場(chǎng)景、存在問題及發(fā)展趨勢(shì)，以期為海軍在不同作戰(zhàn)場(chǎng)景下提高落水人員救援能力提供參考。

1 海上落水人員報(bào)警定位裝置的基本分類與組成

1.1 基本分類

依據(jù)落水人員的位置獲取途徑和通信方式，可將海上落水人員報(bào)警定位裝置分為以下4類：

（1）基于無線電測(cè)量的報(bào)警定位裝置[6-9]。搜尋機(jī)通過無線電測(cè)向測(cè)距技術(shù)來獲取用戶機(jī)的位置，其結(jié)構(gòu)原理如圖1（a）所示。

（2）基于無線通信的報(bào)警定位裝置[10-14]。用戶機(jī)檢測(cè)到落水事件后，通過無線通信模塊發(fā)送求助信息。位置信息由搜尋機(jī)根據(jù)航海信息等進(jìn)行估算，或者由用戶機(jī)根據(jù)慣性定位模塊進(jìn)行估算，其結(jié)構(gòu)原理如圖 1（b）所示。

（3）基于全球定位和無線通信的報(bào)警定位裝置[15-20]。用戶機(jī)通過高精度的全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）[21]、北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取全球位置信息，通過落水人員與艦舶之間的中短距離的無線射頻通信模塊向搜尋機(jī)發(fā)送位置和求助信息，其結(jié)構(gòu)原理如圖1（c）所示。

（4）基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的報(bào)警定位裝置[1，22-23]。利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)特有的短報(bào)文功能，使落水人員的位置信息通過北斗導(dǎo)航系統(tǒng)來獲取，且落水人員的求助信息也可以通過北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，其結(jié)構(gòu)原理如圖1（d）所示。與基于全球定位和無線通信的報(bào)警定位裝置相比較，本類裝置完全依靠北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，不需要配置短距離無線射頻通信模塊即可實(shí)現(xiàn)全球救援功能。

圖1 4類報(bào)警定位裝置的結(jié)構(gòu)原理

1.2 基本組成

海上落水人員報(bào)警定位裝置一般由船員攜帶的用戶機(jī)和位于船舶或救援飛機(jī)、無人機(jī)上的搜尋機(jī)或中央管理系統(tǒng)2個(gè)部分組成。搜尋機(jī)或中央管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理多個(gè)報(bào)警終端，監(jiān)測(cè)落水事件、監(jiān)聽求救信息、跟蹤人員軌跡，以便為救援活動(dòng)提供決策依據(jù)。用戶機(jī)能夠通過浸水感應(yīng)器等方式檢測(cè)落水事件，獲取相對(duì)船舶的位置信息或經(jīng)緯度坐標(biāo)，由無線通信模塊周期性地發(fā)送報(bào)文。同時(shí)，用戶機(jī)還裝配了傳統(tǒng)的聲光報(bào)警模塊。

2 幾種典型的海上落水人員報(bào)警定位裝置

2.1 基于無線電測(cè)量的報(bào)警定位裝置

基于無線電測(cè)量的報(bào)警定位裝置[6]采用多普勒測(cè)向和相位干涉測(cè)向相結(jié)合的技術(shù)，由控制器模塊、通信模塊、人機(jī)交互模塊、無線電測(cè)向測(cè)距模塊等組成。該裝置的搜尋距離約為3 n mile（1 n mile=1 852 m），距離精度小于500 m，方位精度小于10°，能夠同時(shí)管理40個(gè)用戶機(jī)。如英國(guó)Sea-Marshall人員尋找器系統(tǒng)[8，17]采用無線電測(cè)向技術(shù)，由微型人員定位器、搜尋機(jī)和測(cè)向儀等模塊組成，如圖2所示。人員定位器在接觸到海水后自動(dòng)啟動(dòng)，并向搜尋機(jī)發(fā)送求救信號(hào)。搜尋機(jī)和測(cè)向儀可快速定位和跟蹤，能夠管理24個(gè)定位器，有效距離達(dá)3 n mile。RSSI系統(tǒng)[9]由安裝在無人機(jī)上的搜尋基站和落水人員攜帶的智能標(biāo)簽組成。搜尋基站和智能標(biāo)簽之間的通信采用866 MHz的ZigBee模塊，搜尋基站通過測(cè)量智能標(biāo)簽返回的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行距離估算。RSSI系統(tǒng)主要用于批量船員落水時(shí)的定位搜救，此時(shí)無人機(jī)采用并行搜尋路徑方法具有較好的效果，在500 m×350 m的搜尋區(qū)域內(nèi)平均誤差僅37.5 m。

圖2 Sea-Marshall人員尋找器系統(tǒng)[8]

2.2 基于無線通信的報(bào)警定位裝置

基于無線通信的報(bào)警定位裝置主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于軟件的控制監(jiān)測(cè)中心組成[24]。無線傳感器分為安裝于船舶上的固定傳感器和由船員攜帶的移動(dòng)傳感器2種。移動(dòng)傳感器通過固定傳感器或者直接向控制中心實(shí)時(shí)傳輸采集的溫度、濕度、加速度等信息，如圖3（a）所示?？刂浦行母鶕?jù)移動(dòng)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來識(shí)別落水事件，依靠移動(dòng)傳感器集成X、Y2個(gè)方向的加速度儀，采用慣性定位技術(shù)來確定相對(duì)位置。

王琳[10]提出的落水人員報(bào)警定位裝置由一個(gè)基站、若干個(gè)中繼器和多個(gè)用戶機(jī)組成，采用時(shí)分復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)了短距離內(nèi)的點(diǎn)對(duì)多無線通信。基站每隔5 s按序輪詢每個(gè)用戶機(jī)，用戶機(jī)接收到尋呼信息后，向基站報(bào)告安全狀態(tài)和位置信息。如果基站沒有接收到特定用戶機(jī)的應(yīng)答信息或者接收到落水求救信息，將自動(dòng)生成一個(gè)落水事件，并將信息接入電子海圖系統(tǒng)。依靠電子海圖系統(tǒng)，基站能夠結(jié)合船速、水流速度、落水人員時(shí)間等，智能估算落水人員位置，并記錄運(yùn)動(dòng)軌跡。英國(guó)Raymarine公司研制的LifeTag[11，17]系統(tǒng)與王琳[10]提出裝置的技術(shù)原理相似。LifeTag系統(tǒng)由呼叫器、基站、報(bào)警器等組成，如圖3（b）所示。其中，基站能夠管理16個(gè)呼叫器，但作用距離較短，不具備提供動(dòng)態(tài)位置信息的能力。

圖3 2種基于無線通信的報(bào)警定位裝置

美軍的艦員落水報(bào)警系統(tǒng)（ORCA系統(tǒng)）[12]由艦員佩戴的無線求救終端和安裝在船舶上的報(bào)警接收器組成。求救終端被海水浸濕5 s后，自動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng)甚高頻模塊并主動(dòng)向接收器上報(bào)求助信息。ORCA系統(tǒng)具備閃光功能，作用距離約20 n mile。與Life－Tag系統(tǒng)中落水事件由基站監(jiān)測(cè)不同，ORCA系統(tǒng)中落水事件由用戶機(jī)檢測(cè)并上報(bào)。

2.3 基于全球定位和無線通信的報(bào)警定位裝置

按落水事件檢測(cè)方式的不同，基于全球定位和無線通信的報(bào)警定位裝置可以分為基于用戶機(jī)上報(bào)的報(bào)警定位裝置和基于搜尋系統(tǒng)檢測(cè)的報(bào)警定位裝置2種。

2.3.1 基于用戶機(jī)上報(bào)的報(bào)警定位裝置

基于用戶機(jī)上報(bào)的報(bào)警定位裝置包括用戶機(jī)、搜尋機(jī)和GPS模塊3個(gè)部分，具有主動(dòng)上報(bào)落水事件的功能。當(dāng)發(fā)生落水事件時(shí)，落水人員操作用戶機(jī)主動(dòng)向搜尋機(jī)發(fā)送落水求救信息，GPS模塊用于記錄落水人員的運(yùn)動(dòng)軌跡。此類裝置中的部分裝置具備進(jìn)水檢測(cè)功能，可自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息。如基于GPS和電子海圖系統(tǒng)的落水人員搜尋定位系統(tǒng)[15]由求救終端、接收終端和搜救顯示模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。求救終端將GPS模塊提供的經(jīng)緯度坐標(biāo)以及人員標(biāo)識(shí)信息通過射頻模塊發(fā)送給接收終端，接收終端將接收到的信息提交給搜救顯示模塊，搜救顯示模塊與電子海圖系統(tǒng)相連，引導(dǎo)船舶開展救援，其有效距離約16 n mile。澳大利亞Mobilarm公司推出的Mobilarm V100海上救生儀（如圖5所示）[19]從GPS模塊獲取落水人員位置信息后，通過甚高頻直接發(fā)送給海岸救助中心或者其他船只。

圖4 基于GPS和電子海圖系統(tǒng)的落水人員搜尋定位系統(tǒng)[15]

海事搜尋救援系統(tǒng)[25]采用基于位置路由協(xié)議的無線自組網(wǎng)技術(shù)，將近海的小型船只連接起來，船只向岸基救助中心發(fā)送包含位置信息的求助報(bào)文時(shí)，通過多級(jí)小型船只轉(zhuǎn)發(fā)后，由離海岸線最近的小型船只上報(bào)給岸基，船只的位置坐標(biāo)由本船的GPS模塊獲取。與大多數(shù)落水人員報(bào)警定位裝置通過射頻模塊直接上報(bào)信息不同，該系統(tǒng)的報(bào)警信息通過多個(gè)船只的轉(zhuǎn)發(fā)上報(bào)給岸基救助中心，能夠有效增加報(bào)警距離，降低惡劣氣象對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_。

圖5 Mobilarm V100海上救生儀[19]

2.3.2 基于搜尋系統(tǒng)檢測(cè)的報(bào)警定位裝置

基于搜尋系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的報(bào)警定位裝置由用戶機(jī)、搜尋服務(wù)器、電子圍欄等組成。與基于用戶機(jī)上報(bào)的報(bào)警定位裝置不同，此類裝置通過搜尋服務(wù)器自動(dòng)檢測(cè)落水事件。其檢測(cè)原理是在船舶邊界建立物理或虛擬的電子圍欄，當(dāng)搜尋服務(wù)器在電子圍欄范圍內(nèi)沒有檢測(cè)到用戶機(jī)時(shí)，立即生成落水事件，產(chǎn)生報(bào)警信息。如實(shí)時(shí)報(bào)警與跟蹤的落水人員定位系統(tǒng)[26]由可穿戴用戶機(jī)、遠(yuǎn)程接入模塊、物理電子圍欄和中央控制模塊組成，如圖6所示。系統(tǒng)采用3種方法監(jiān)測(cè)落水事件：一是用戶機(jī)通過垂直加速度計(jì)檢測(cè)到自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)無線模塊發(fā)送報(bào)警信息；二是基于船舶尺寸設(shè)立的虛擬電子圍欄監(jiān)控；三是船舶周圍的物理電子圍欄發(fā)送實(shí)時(shí)通知。人員落水后，用戶機(jī)啟動(dòng)GPS模塊向控制中心實(shí)時(shí)報(bào)告位置坐標(biāo)。相對(duì)于基于用戶機(jī)上報(bào)的報(bào)警裝置，本系統(tǒng)的控制中心能夠第一時(shí)間監(jiān)測(cè)到落水事件。

2.4 基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的報(bào)警定位裝置

此類裝置主要基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位[27-28]模塊來實(shí)現(xiàn)落水人員的報(bào)警與定位，搜尋距離僅受北斗導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋區(qū)域限制，能夠?yàn)檫h(yuǎn)海救援提供決策支持。如海上救援系統(tǒng)[22]采用了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供的定位與短報(bào)文服務(wù)，搜救終端分為個(gè)人求救終端和船載求救終端。遇險(xiǎn)后，求救終端通過北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位服務(wù)獲得地理坐標(biāo)，利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能向陸上救援中心發(fā)出求救報(bào)警信息，陸上救援中心再將終端的求救內(nèi)容和位置信息發(fā)送至救援船。圖7為3種結(jié)構(gòu)的求救終端。海上落水人員報(bào)警與求助終端[23]除了采用短報(bào)文報(bào)警方式外，還可以通過甚高頻天線向周圍船舶發(fā)送求助信息。

圖6 實(shí)時(shí)報(bào)警與跟蹤的落水人員定位系統(tǒng)[26]

圖7 基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的報(bào)警定位裝置的求救終端[21]

2.5 應(yīng)用特點(diǎn)

根據(jù)4類報(bào)警定位裝置的技術(shù)特點(diǎn)，其具體應(yīng)用各有不同，詳見表1。基于無線電測(cè)量的報(bào)警定位裝置采用無線電測(cè)向和測(cè)距技術(shù)，定位精度不高、搜尋距離短，主要用于本船落水人員的搜救，適用于近海搜救。基于無線通信的報(bào)警定位裝置采用射頻通信技術(shù)，定位精度低、搜尋距離較短，但是能夠及時(shí)偵測(cè)到人員落水信息，適合惡劣氣象中甲板作業(yè)情況下落水人員的搜救?；谌蚨ㄎ缓蜔o線通信的定位報(bào)警裝置必須依靠無線通信技術(shù)發(fā)送落水人員的位置信息，有效距離受通信方式限制，不適用于遠(yuǎn)海落水人員的搜救。但GPS與無線通信技術(shù)比較成熟，通用性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，故此類裝置特別適合本船落水人員的救援?；诒倍穼?dǎo)航系統(tǒng)的報(bào)警定位裝置搜尋距離遠(yuǎn)，既適用于本船落水人員搜救，也適用于船舶在遠(yuǎn)海失事后的救援，特別適用于遠(yuǎn)洋獨(dú)立作戰(zhàn)艦艇或潛艇使用，遇險(xiǎn)艦艇人員或失事艇員可在海上直接遠(yuǎn)程向地面控制中心發(fā)送求助信息。同時(shí)，此類裝置技術(shù)自主可控、保密性強(qiáng)，應(yīng)用前景巨大。

3 海上落水人員報(bào)警定位裝置存在的問題及展望

3.1 存在的問題

目前，海上落水人員報(bào)警定位裝置主要有2個(gè)方面的不足：一是缺乏統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，兼容性不夠。不僅是不同實(shí)現(xiàn)機(jī)制的搜尋機(jī)與用戶機(jī)之間缺乏統(tǒng)一的物理層協(xié)議、鏈路層協(xié)議、報(bào)文協(xié)議等，同種實(shí)現(xiàn)機(jī)制的裝置也缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通信協(xié)議的不統(tǒng)一導(dǎo)致落水人員很難向其他船只發(fā)送求救信息。二是用戶機(jī)的性能與功耗的矛盾比較突出。用戶機(jī)由人員佩戴，主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是低功耗、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、便攜性好。但是這些要求與功能需求存在沖突，例如通過北斗短報(bào)文發(fā)送求助信息的裝置功耗較高、外形尺寸較大，故對(duì)電池的續(xù)航能力提出了較大的挑戰(zhàn)。

3.2 展望

隨著定位技術(shù)和通信技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，海上落水人員報(bào)警定位裝置未來將主要應(yīng)用于單船近距離報(bào)警和全球海域報(bào)警2種場(chǎng)景，但無論哪種技術(shù)和應(yīng)用都將向以下方向發(fā)展。

（1）建立統(tǒng)一的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。

私有的協(xié)議體系給海上救援帶來了很大的不便，因此亟須推進(jìn)建立適用于船載或近海短距離報(bào)警定位與遠(yuǎn)海定位裝置的技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一搜尋機(jī)與用戶機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，從而增強(qiáng)各類裝置之間的兼容性與通用性。

（2）用戶機(jī)向智能化、多功能發(fā)展。

智能化的用戶機(jī)應(yīng)具備采集落水人員的脈搏、體溫等生理參數(shù)，存儲(chǔ)落水人員身份標(biāo)識(shí)等信息的功能。這既能為落水人員的自救提供參考，也能為救援人員提供決策依據(jù)。同時(shí)，用戶機(jī)還需集成傳統(tǒng)的聲光報(bào)警、自動(dòng)檢測(cè)落水事件、自動(dòng)求救等功能。

（3）用戶機(jī)向低功耗、小型化發(fā)展。

從落水事件發(fā)生到人員獲救，需要幾十分鐘甚至數(shù)十個(gè)小時(shí)。期間，用戶機(jī)需要周期性地向搜尋機(jī)發(fā)送求救信息、不斷更新位置信息并產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)，這就對(duì)用戶機(jī)的功耗提出了更高的要求?？梢酝ㄟ^低電壓芯片的設(shè)計(jì)、低功耗通信協(xié)議、智能化功耗管理、深度睡眠技術(shù)等方法來降低用戶機(jī)運(yùn)行功耗，延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，同時(shí)還應(yīng)逐步減小尺寸，增強(qiáng)用戶機(jī)的便攜性。

（4）逐步集成到船舶信息管理系統(tǒng)中。

基于無線通信與無線電技術(shù)的落水人員報(bào)警定位裝置不僅需要融合到船舶信息管理系統(tǒng)中，還需要融入陸上與海上救援系統(tǒng)，結(jié)合船舶無人駕駛技術(shù)，在提升落水人員的救援效率和成功率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)無人救援艇對(duì)落水人員的自動(dòng)搜救。

（5）逐步提升裝置的搜救定位性能。

隨著集成電路技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，報(bào)警定位裝置的定位精度、有效作用距離、信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、落水事件監(jiān)測(cè)性能等需持續(xù)提升，從而提高落水人員獲救的成功率。

表1 不同類型海上落水人員報(bào)警定位裝置的對(duì)比

4 結(jié)語

海上落水人員救援是海上運(yùn)輸和軍事活動(dòng)的安全基礎(chǔ)，現(xiàn)有的落水人員報(bào)警定位裝置基本能夠覆蓋救援的不同應(yīng)用場(chǎng)景，全面提升落水人員的救援能力?；跓o線電測(cè)量技術(shù)和無線通信技術(shù)的裝置發(fā)展較早，前期應(yīng)用比較廣泛?；跓o線電測(cè)量技術(shù)的報(bào)警定位裝置因其測(cè)向精度低、有效距離短等缺陷，僅適用于近距離搜索，在遠(yuǎn)距離搜救的應(yīng)用中受到限制。隨著無線通信技術(shù)和GPS技術(shù)的逐步成熟，基于該技術(shù)的報(bào)警定位裝置在民用船舶救援領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前國(guó)防和軍隊(duì)建設(shè)迅速，對(duì)落水人員報(bào)警定位裝置的安全性、保密性與自主可控等方面提出了更高要求。由于GPS不能夠提供通信服務(wù)，故基于GPS技術(shù)的報(bào)警定位裝置難以在海軍救援領(lǐng)域中應(yīng)用。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建成及其特有的短報(bào)文通信服務(wù)功能使得基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的報(bào)警定位裝置可在全球范圍內(nèi)進(jìn)行定位信息的確認(rèn)和救助信息的發(fā)送。在軍事領(lǐng)域中，此類裝置既能夠替代基于GPS技術(shù)的報(bào)警定位裝置的應(yīng)用，又適用于全球范圍內(nèi)的遠(yuǎn)洋救援，可確保每一個(gè)遇險(xiǎn)信號(hào)都能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，每一位遇險(xiǎn)人員都能得到快速救援，具有廣闊的應(yīng)用前景。