一種海上雙船協同作業指揮技術方案

鄭 超 肖 健 葉應樹 陳三三

（福建省地震局，福建 福州350003）

福建省地處我國東南沿海地震帶北段，區內地質構造復雜，由北東向和北西向兩組斷裂控制[1]，存在發生破壞性地震的地質構造背景。根據福建歷史地震資料，1604 年泉州海外發生過8 級大震[2]。因此為進一步查明引發地震的濱海斷裂帶的位置、產狀和深部構造信息，福建省地震局從2013 年開始實施“福建及臺灣海峽地殼深部構造陸海聯測”計劃（以下簡稱“陸海聯測”），開展了地下介質變化的監測等一些列科學實驗，逐步構建起福建及臺灣海峽的一維、二維、三維的地殼上地幔速度結構。2019 年的重點工作是開展臺灣海峽西部殼幔結構體系、海域斷裂的位置、空間形態、精細結構等方面的研究，并首次開展海上雙船協同作業的試驗。圖1 為2019 年部署在廈門地震勘測研究中心的福建及臺灣海峽地殼深部構造陸海聯測總指揮部。

圖1 2019 年福建及臺灣海峽地殼深部構造陸海聯測指揮部實景

在陸海聯測中，由于有海上試驗項目，為能在陸地及時了解海上作業情況同時向海上作業組反饋陸上指揮部的指示要求，需要在海上與陸地架設通信設備進行雙向數據通信。通信內容包括語音、視頻、試驗工作數據等。為此，在2013-2015 年的陸海實驗中，福建省地震局應急指揮與宣教中心[3-4]開發了相關軟件，利用海事衛星設備實現了對震源船航行軌跡的跟蹤。2017 年，王青平等人[5]研發了“基于北斗短報文的震源船跟蹤系統”，利用我國自主知識產權的北斗短報文將震源船上多個點的位置信息推送到陸海聯測指揮部，實現了指揮部對震源船航速、航向的實時監控等功能。

在2019 年陸海聯測實驗中，首次提出雙船協同作業的試驗（主船“延平2 號”震源船、副船“上和號”科考船，兩船間隔約1.5km）。實驗要求：

（1）廈門現場總指揮部可以與雙船進行視頻通話，隨時掌握海上工作情況。

（2）廈門現場總指揮部準實時查看兩船的位置（更新頻率應在1 分鐘左右），便于對整個陸海聯測工作進度的總體把握。

（3）主船實時查看兩船的位置（更新頻率應控制在10 秒內），便于控制兩船的相對位置。

在前幾次陸海聯測工作的通信系統搭建方案中，主要是依靠海事衛星來作為海上作業船與陸上指揮系統的信息通道的橋梁。在滿足視頻通話方面，單船模式與雙船模式無太大區別，通過利用主船自帶的海衛通和副船的海事衛星設備，借助視頻會議終端即可實現（解決了第一條“實驗要求”）。但是僅僅照搬以往的實施方案，較難滿足在本次實驗出現的對主副船之間的數據通信，以及與陸上指揮部數據傳輸實時性的新要求。在本次實驗中，主副船將協同工作，所進行科學實驗對船的位置、方向有較高要求。主船作為海上指揮需要對副船作業進行實時監控和管理。如果不對原有方案進行升級改造，雙方之間的通信仍然還是依靠海事衛星設備的話，根據以往經驗和實施效果，雙方之間通信將有較大的數據時間延遲且無法避免。由于主船在關鍵時刻是需要副船準確的實時位置的，而較大的數據延遲將使得主船與副船位置數據不能實時同步，從而導致雙船協同工作難以開展。同時在陸上指揮部，雙船各自獨立的數據反饋通道也將增大陸上指揮部對這兩路數據的同步匹配工作，數據不同步以及時效性差也對陸上技術系統的數據實時處理造成較大影響。因此如果不修改舊方案，將無法滿足“實驗要求”第二條和第三條，因此亟需一種新的技術方案解決雙船協同作業指揮。

根據陸海聯測工作方案要求，兩船之間的距離在1-2km 范圍內，同時海上作業時，兩船之間并沒有障礙物，因此通過電波方式直傳數據是可以滿足雙船之間的數據交互需求的。基于該思考角度出發，從而提出本次實驗完整的海上雙船協同作業的技術方案，如圖2 所示。

首先，沿用過去成熟的通信方案，使用主船“延平2 號”自帶的海衛通衛星設備保障其與現場指揮部之間的視頻會議。雖然副船“上和號”自身沒有衛星通訊，不過可以將以往使用的海事衛星設備供其使用，保障副船與指揮部之間的視頻通話，解決第1 條實驗要求。

其次，副船的服務系統可以通過副船的局域網訪問GPS 接收機，獲取副船的實時位置信息，通過部署在副船上的無線數傳電臺發射單元將副船的實時信息推送給主船。主船的服務系統也可以在主船的局域網內訪問多個GPS 接收機，獲取主船多個控制點的實時位置信息。在與無線數傳電臺接收單元接收的副船實時信息進行融合后，就可以實現雙船的實時同步監控。由于局域網的網絡延遲小，無線數傳的傳輸速度快，足以保證主船上更新兩船位置的頻度，也完美解決第3 條實驗要求。

最后，通過主船的海衛通衛星通訊，將一段時間內匯集的兩船位置數據通過海事衛星推送給陸上指揮部技術處理團隊并在雙船監控系統上進行處理展示，解決了第2 條實驗要求。

圖2 基于無線數傳電臺的雙船協同作業技術方案

本文提出一種利用無線數傳電臺進行雙船協同作業的技術方案。借助無線數傳電臺將副船位置信息回傳至主船，便于主船本地顯示雙船的位置信息，同時通過衛星將雙船的位置信息推送至陸地的廈門現場指揮部，實現對雙船的航速、航向等實時監控，有效提升安全生產的風險控制能力，也保障整體實驗的進度，為圓滿完成2019 年陸海聯測實驗奠定基礎。