基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的中海油海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)及應(yīng)用

文 | 謝曉輝 王平 張軻 蔣文學(xué) 韓國(guó)彬 蘭斌

1.中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司 2.青島杰瑞自動(dòng)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(guó)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(shí)服務(wù)，并具備短報(bào)文通信能力；并于2020年7月31日正式開(kāi)通，提供全球服務(wù)。

中海油是中國(guó)最大的海上油氣生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)商。面對(duì)海上作業(yè)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)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(jué)、望遠(yuǎn)鏡及船用雷達(dá)觀察發(fā)現(xiàn)遇難目標(biāo)的問(wèn)題，急需先進(jìn)技術(shù)裝備來(lái)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(bào)警系統(tǒng)（SSAS）和全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)（GMDSS），遇險(xiǎn)時(shí)在國(guó)家搜救系統(tǒng)范圍內(nèi)向岸上搜救中心報(bào)警。中海油遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)主要供船舶使用，并沒(méi)有個(gè)人使用的遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)，自動(dòng)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(guò)北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)試點(diǎn)建設(shè)，開(kāi)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(shí)現(xiàn)搜救現(xiàn)場(chǎng)和搜救中心的險(xiǎn)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(shí)，提供遇險(xiǎn)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(gè)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(diǎn)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(gè)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(jì)分析等功能；搜救終端主要具備預(yù)警信息接收、緊急報(bào)警、位置跟蹤、定位導(dǎo)航、短報(bào)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(hào)進(jìn)行用戶位置解算以及單向授時(shí)，并利用北斗RDSS短報(bào)文功能進(jìn)行雙向報(bào)文通信，即用戶自己解算搜救終端位置信息，通過(guò)短報(bào)文將搜救終端的位置信息和遇險(xiǎn)報(bào)警信息發(fā)送至北斗搜救指揮中心，由指揮中心完成對(duì)下屬終端指揮及遇險(xiǎn)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(jì)算機(jī)一體化集成，使單臺(tái)加固式指揮機(jī)即可完成一個(gè)便攜式搜救中心的所有基本功能，無(wú)需配備額外的計(jì)算機(jī)或服務(wù)器等硬件平臺(tái)，可滿足機(jī)動(dòng)、便攜、易部署等方面的使用需求；同時(shí)具備北斗定位、指揮、監(jiān)收、通播等功能，可以通過(guò)北斗短信息報(bào)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(duì)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(hào)覆蓋范圍；

· 報(bào)警信息響應(yīng)時(shí)間：≤2min（從報(bào)警終端發(fā)出報(bào)警信號(hào)到搜救中心處理完告警的時(shí)間）。

（2）北斗個(gè)人搜救終端

北斗個(gè)人搜救終端在人員落水后自動(dòng)開(kāi)機(jī)啟動(dòng)報(bào)警流程，也可以通過(guò)手動(dòng)按下電源按鈕開(kāi)機(jī)啟動(dòng)報(bào)警流程。個(gè)人搜救終端啟動(dòng)報(bào)警流程后，通過(guò)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)RNSS無(wú)源定位技術(shù)和RDSS的短報(bào)文通信技術(shù)，周期性地將遇險(xiǎn)人員的準(zhǔn)確坐標(biāo)、時(shí)間等信息實(shí)時(shí)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(gè)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(gè)人搜救終端主要指標(biāo)如表1所示。

表1 北斗個(gè)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(wú)源定位功能，能夠?qū)崟r(shí)獲取作業(yè)船舶的實(shí)時(shí)位置信息。同時(shí)，集成專業(yè)的電子海圖，實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航的同時(shí)兼具北斗短報(bào)文通信功能，能夠接收來(lái)自指揮中心廣播或點(diǎn)到點(diǎn)發(fā)送的氣象、調(diào)度、避險(xiǎn)、救援等預(yù)警和指揮信息，并向指揮中心上報(bào)狀態(tài)、位置、險(xiǎn)情、搜救工作等信息，實(shí)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(xiǎn)情況下，搜救終端自動(dòng)發(fā)出遇險(xiǎn)信號(hào)，發(fā)送至北斗搜救指揮中心，并周期性上報(bào)遇險(xiǎn)者（船只）的實(shí)時(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)海上遇險(xiǎn)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(hào)進(jìn)行用戶位置解算以及單向授時(shí)。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(bào)文通信，即系統(tǒng)自動(dòng)解算位置信息，通過(guò)短報(bào)文將位置信息和遇險(xiǎn)報(bào)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(hào)進(jìn)行位置解算和授時(shí)，精度更高，可適應(yīng)高動(dòng)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(jì)算，一定程度上釋放了系統(tǒng)容量。

該系統(tǒng)綜合了遇險(xiǎn)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(guó)海上搜救體系方式較落后，時(shí)效性、準(zhǔn)確性較低的現(xiàn)狀；解決了個(gè)人遇險(xiǎn)搜救系統(tǒng)缺乏的問(wèn)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(duì)海上遇險(xiǎn)實(shí)時(shí)報(bào)警、準(zhǔn)確定位、遠(yuǎn)程通信等需求進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)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(chǎng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，介紹測(cè)試驗(yàn)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(bào)文報(bào)警功能。在緊急情況下觸發(fā)終端，終端自動(dòng)定位，并發(fā)送位置信息和報(bào)警信息。

（1）系統(tǒng)定位能力

北斗搜救系統(tǒng)覆蓋區(qū)域?yàn)槲覈?guó)及周邊地區(qū)。在我國(guó)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(cè)速精度優(yōu)于0.1m/s，授時(shí)精度優(yōu)于10ns。

（2）系統(tǒng)信息發(fā)送能力

北斗短報(bào)文通信功能可將遇險(xiǎn)報(bào)警信息、遇險(xiǎn)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(shí)，如數(shù)據(jù)采集、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控等也可通過(guò)系統(tǒng)發(fā)送。北斗系統(tǒng)在不同區(qū)域短報(bào)文的通信能力不同。在中國(guó)及周邊地區(qū)，可使用區(qū)域短報(bào)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(cè)試方法衡量終端定位性能指標(biāo)對(duì)需求的滿足情況；采用統(tǒng)計(jì)報(bào)警信息測(cè)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(gè)人搜救終端和北斗船載搜救終端進(jìn)行定位精度測(cè)試：個(gè)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(cè)試精度表明，船載搜救終端定位性能優(yōu)于個(gè)人搜救終端，在海上人員落水和船舶遇險(xiǎn)時(shí)，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(gè)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(gè)人搜救終端浸入水中與指揮中心收到搜救終端的報(bào)警位置信息的時(shí)間間隔：北斗個(gè)人搜救終端報(bào)警時(shí)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(bào)警信息并記錄時(shí)間，在搜救指揮中心監(jiān)控軟件查看接收的報(bào)警信息后，統(tǒng)計(jì)時(shí)間差：北斗船載搜救終端報(bào)警時(shí)間為57s，滿足用戶要求時(shí)間在1分鐘內(nèi)的指標(biāo)。

3.測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證測(cè)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(jì)指標(biāo)。個(gè)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(xiǎn)報(bào)警通信建立時(shí)間在1～2分鐘之內(nèi)。在遇險(xiǎn)搜救中能夠快速準(zhǔn)確地定位遇險(xiǎn)目標(biāo)，及時(shí)組織救援。

（1）滿足個(gè)人遇險(xiǎn)報(bào)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(bào)警通信，使得搜救中心及時(shí)發(fā)現(xiàn)遇險(xiǎn)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(xiǎn)人員位置，展開(kāi)救助行動(dòng)。

（2）滿足動(dòng)態(tài)追蹤船舶遇險(xiǎn)軌跡的要求

船舶遇險(xiǎn)報(bào)警后，系統(tǒng)可自動(dòng)將船舶位置不斷報(bào)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(dòng)的情況下，指揮中心能夠?qū)崟r(shí)跟蹤船舶移動(dòng)軌跡，預(yù)測(cè)船舶可能移動(dòng)區(qū)域范圍，結(jié)合電子海圖，直觀反映船舶遇險(xiǎn)位置，快速調(diào)度應(yīng)急搜救力量進(jìn)行救助。

（3）滿足動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集要求

經(jīng)測(cè)試，北斗短報(bào)文通信可在1分鐘內(nèi)發(fā)送，短報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可達(dá)14kbit（單次報(bào)文最大長(zhǎng)度），對(duì)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(bào)文通信，指揮中心除了可以動(dòng)態(tài)獲取船舶的作業(yè)位置信息外，還可以通過(guò)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(dòng)態(tài)顯示遇險(xiǎn)地點(diǎn)，以最快速度前往遇險(xiǎn)地對(duì)遇險(xiǎn)人員進(jìn)行救助。岸上指揮中心亦可以動(dòng)態(tài)查看遇險(xiǎn)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(xiǎn)地點(diǎn)，實(shí)施應(yīng)急救助。

4.北斗海上應(yīng)急搜救系統(tǒng)應(yīng)用

通過(guò)試點(diǎn)建設(shè)，該套系統(tǒng)可以對(duì)中海油試點(diǎn)項(xiàng)目作業(yè)船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。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(xiǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)通過(guò)北斗船載終端上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下屬船只的船位、船向及是否在線等狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的精確顯示，并存儲(chǔ)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(shí)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(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)自帶的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，自動(dòng)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(jì)整理，使各種雜亂無(wú)章的海量數(shù)量可以得到高效地提取和應(yīng)用，快速識(shí)別有價(jià)值的信息。從而，經(jīng)過(guò)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(tái)避險(xiǎn)

同時(shí)，結(jié)合系統(tǒng)自帶的臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息發(fā)布及短報(bào)文通信功能，指揮中心通過(guò)臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)軌跡標(biāo)注，測(cè)算中海油被影響到的船舶數(shù)量，并依據(jù)受臺(tái)風(fēng)颶風(fēng)影響的船舶列表，通過(guò)北斗短報(bào)文進(jìn)行險(xiǎn)情預(yù)警，為防臺(tái)避臺(tái)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(zhǎng)期在寬帶及VSAT信號(hào)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(yǔ)

中海油試點(diǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)提供了寶貴的數(shù)據(jù)積累和大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。