應用北斗系統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，增強各部門協調能力。東海航海保障中心將我國現有的水上應急反應技術和產品與北斗衛星導航系統相結合，相繼組織開發出了北斗應急示位標、北斗個人救生設備、北斗AIS一體機、北斗船載接收機、北斗高精度連續定位系統、北斗數據傳輸終端等不同類型的導航終端產品，形成了多功能、多層次、多形態的終端產品型譜，最終形成以北斗技術為支撐的，航海數據收集全覆蓋、數據傳輸穩定、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。研究結果和實踐表明：基于北斗系統的信息技術平臺能夠有效提升水上應急反應能力。

北斗系統；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利縣長江大馬洲水道時，遭遇突發性強對流天氣翻沉，除12人生還外，442人遇難。《事件調查報告》明確指出，應“加強內河航運安全信息化動態監管和應急救援能力建設”“充分發揮信息技術在提高安全防范和應急反應能力方面的重要作用”。

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

一、北斗系統現狀

北斗系統基本服務區范圍包含東經55°～東經180°、南緯55°～北緯55°，覆蓋區域包含我國及周邊地區、南海及東南亞地區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，我國領土區域為重點服務區，區域內用戶除了可以使用北斗系統的定位、測速、授時服務外，還可利用衛星進行短報文通信。

二、北斗系統在水上應急反應體系的應用

北斗系統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的數據資源中，70%左右的數據均和船舶位置、精確時間密切相關。北斗系統具有定位、授時和通信三大核心功能，能夠將船舶和應急反應平臺置于一個統一的高精度時空框架內，必將在提升水上應急反應能力建設中發揮重要作用。

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

北斗地基增強系統能提供沿海、內河北斗差分服務和高精度連續定位服務，實時定位精度從米級至厘米級，構成北斗系統的重要組成部分。該系統可為沿海水域以及內河水域提供三維、實時、高精度定位服務。在水上應急反應中，該系統可以為遇險船舶和救援船舶提供高精度的位置數據，大幅度提升救援能力。

3.提高水上應急反應體系的數據整合能力

水上應急反應體系數據涉及面廣，信息容量大，增長速度快，且數據蘊含的信息價值高，包括VTS信息數據、AIS數據、航標遙測遙控數據、水文氣象數據、船舶和船員靜態數據等。通過北斗系統技術的深化應用和融合創新，對數據實施整合，加強數據分析挖掘、數據可視化和信息安全與隱私保護，實現對船舶航行更為準確的監測、分析、預測、預警和提醒，提高數據的針對性、科學性和時效性。

針對北斗系統在水上應急反應體系中的不同應用需求，開發北斗應急示位標、北斗個人救生設備、北斗AIS一體機、北斗船載接收機、北斗高精度連續定位系統、北斗數據鏈路傳輸系統等不同類型的導航終端產品，形成了多功能、多層次、多形態的終端產品型譜，為實現應急能力提升提供了重要的技術對接手段，最終形成以北斗技術為支撐的、安全可靠的、全覆蓋的水上應急管理和指揮系統，如圖1所示。

圖1 北斗系統水上應急終端型譜

三、北斗系統產品研發和應用情況

1.北斗應急示位標

我國水上遇險報警主要依靠VHF、中頻、高頻的數字選擇型呼叫系統（DSC）和國際搜救衛星系統（COSPAS-SARSAT）的緊急無線電示位標（EPIRB），內河水域尚沒有專用的船舶遇險報警系統。DSC系統具有覆蓋范圍小、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）為單向數據傳輸，遇險人員不能了解當前救助實施情況，此外國際搜救衛星系統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，相關應急信息無法得到有效保密。EPIRB終端發出的船舶遇險信息傳遞普遍存在滯后現象（平均延時0.75～2小時），容易延誤搜救行動。中國內河船舶沒有要求配備專用應急報警設備。近年來，我國船舶數量已接近35萬艘，包括船員、漁民和鉆井平臺作業人員等在內涉水公眾約1 300萬人，遇險對象的個體化、小型化趨勢日益明顯。此外，海上遇險安全系統核心技術裝備依賴國外進口，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相結合的產品，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）可向北斗衛星發射遇險報警信息，并可接收北斗衛星回執信息。

（2）自動漂浮式，該設備、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）配有適當的手段以防止意外的啟動；在浮離后自動啟動；能手動啟動和手動關閉；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網，依托國家水上應急搜救系統實現船舶遇險信息的及時推送和應急響應信息的發送（如圖2所示），可實現報警信息、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大數據融合共享。

圖2 基于北斗應急示位標的水上應急搜救系統

2.北斗個人救生設備

北斗個人救生設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。水上人員在執行任務落水后，該設備可自動開機，迅速向指揮用戶機發射求救信號以及位置信息，為搜救人員提供依據，大大加快了搶救時間，提高了遇險者的生還率，節約了時間、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。該設備發射成功率≥95%，捕獲時間≤2秒（開機至解調出信息所需的時間）。

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，內陸山區、丘陵地區對AIS信號的影響以及AIS基站對電源、寬帶等保障系統要求，目前還無法做到AIS在中國領海范圍內以及全部內河通航水域的全覆蓋。為了解決AIS系統無法全覆蓋的問題，利用北斗導航衛星的通信和定位功能 ，開發出了北斗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，是北斗導航技術和船舶自動識別技術的有機結合。目前該產品已在海事航標船、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監控基本全覆蓋，也有利于船舶全面掌握現場交通流情況，避免碰撞危險局面發生，如圖3所示。

圖3 北斗AIS一體機數據傳輸系統

北斗AIS一體機具備以下功能：

（1）AIS功能。終端支持現有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、遠程調取船位、緊急報警、區域報警、導航、船船/船岸/船與手機之間的短消息通信等功能。

（3）AIS信息北斗轉發功能。轉發本船AIS信息，轉發周圍遇險船只和人員的AIS求救信息，轉發周圍船舶MMSI號和位置信息，轉發周圍指定船舶AIS詳細信息，轉發岸臺向本船周圍所有船舶的廣播信息，轉發岸臺向本船周圍指定船舶的AIS短消息。上述轉發功能可由岸臺遙控開啟或關閉。單次發送AIS船舶信息數≥6條，單周期最大發送AIS船舶數≥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，實現對船員、貨物、船舶靜態情況的監管，為船舶安全管理提供便利。

4. 北斗高精度連續定位系統（以下簡稱“北斗CORS系統”）

北斗CORS系統是北斗衛星定位技術、計算機網絡技術、數字通信技術等高新科技多方位、深度結合的產物。北斗CORS系統由基準站網、數據處理中心、數據傳輸系統、定位導航數據播發系統、用戶應用系統五個部分組成，各基準站與監控分析中心間通過數據傳輸系統連接成一體，形成專用網絡。可滿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水上應急搶險提供高精度位置信息。

北斗CORS系統徹底改變了傳統RTK測量作業方式，其主要優勢包括：采用連續基站，用戶隨時可以觀測，使用方便，提高了工作效率；擁有完善的數據監控系統，可以有效地消除系統誤差和周跳，增強差分作業的可靠性；用戶不需架設參考站，真正實現單機作業，減少了費用；使用固定可靠的數據鏈通信方式，減少了噪聲干擾；提供遠程INTERNET服務，實現了數據的共享。

基于北斗CORS系統的“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建設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、雷達等不同船舶數據的接收與顯示，并提供厘米級的高精度導航定位服務，從而為夜航、霧航情況提供技術支持，確保洋山深水港區域內實現全天候、全天時安全快速進出港及靠離泊。因此，北斗高度連續定位系統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.北斗系統數據傳輸鏈路

北斗系統具有高可靠、高保密性的特點，能實現在覆蓋區域的短報文數據傳輸。在船、岸、海洋、海島、礁石、大橋等與航海保障相關的區域安裝相關數據采集設施，通過北斗短報文通道將實時數據傳輸到應急反應指揮平臺。通過對海洋、港口、氣象等事關航海安全的基礎要素的采集和管理，對水上應急反應指揮起到輔助決策的作用。

目前，這些北斗數據采集平臺已經起到非常大的作用。在航標應用中，交通運輸部海事局應用北斗系統在航標遙測系統進行航標移位監測，并依靠北斗系統完成航標工作參數遙測傳輸，有效提高航標效能和維護質量。同時，國家海洋局遠海的水文數據和氣象數據傳輸也已采用北斗系統，目前在遠海燈浮、沿海島礁和沿海燈塔上實時收集現場數據，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、服務質量及監控能力。

四、結束語

依托北斗系統，構筑航海數據收集全覆蓋、信息數據傳輸穩定、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。

[1]吳才聰,蘇懷洪,褚天行,等.基于北斗的移動應急監控與指揮技術[C]//第二屆中國衛星導航學術年會電子文集.2011:60-63.

[2]王興玲.基于北斗衛星的災情信息采集與災害應急指揮系統研究[J].西南師范大學學報:自然科學版,2007(3):136-140.

[3]嚴安,徐灝,鄢博,等.基于北斗導航系統的移動報警應急系統設計[J].空軍預警學院學報,2011(3):213-216.

[4]鄭逸璇,徐灝.基于北斗系統的船舶應急救援及預警系統設計[J].硅谷,2012(15):61-63.

[5]歐健.北斗導航系統在環境自動監測及應急監測中的應用[J].環境監測管理與技術,2011(4):64-67.

[6]胡翔.北斗在水文監測系統中的應用[J].無線電工程,2009 (10):62-64.

[7]成方林,馮林強,張翼飛.“北斗”導航系統在海洋水文、氣象監測系統中的應用[J].海洋技術,2004(3):70-73.

[8]彭偉,徐俊臣,杜玉杰,等.基于北斗系統的海洋環境監測數據傳輸系統設計[J].海洋技術,2009(3):13-15.

[9]東海航保中心成功研發北斗AIS一體化船載終端[N].證券時報網,2014-01-06.

[10]柳邦生.全球衛星搜救系統(COSPAS-SARSAT)的發展與應用[J].世界海運,2006(10):4-6.

[11]譚述森.衛星導航系統集成與實踐初論[J].全球衛星定位系統,2006(2):13-15.

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