卫星通信导航在海上搜救的应用

李洪烈，王 倩，宋 斌

(1.海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 266041；2.中国人民解放军第6905工厂，重庆 北碚400700)

卫星通信导航在海上搜救的应用

李洪烈1，王 倩1，宋 斌2

(1.海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 266041；2.中国人民解放军第6905工厂，重庆 北碚400700)

针对海上搜救存在的定位难、通信难等问题，将北斗卫星导航技术应用于海上搜救以实现遇险主动报位和远距离通信。充分综合运用北斗卫星定位、通信和指挥等功能简化救生信息传递流程，缩减海上搜寻过程，为救援行动实施争取宝贵的时间。通过分别对找人、找物、找平台以及不同平台对象的搜寻应用特点和模式的分析和讨论，形成海上搜救体系建设方案。该体系与现有体制进行有机结合，能够为救援行动提供及时的信息支持。应用结果表明，提出的应用模式达到了预期效果。

北斗卫星导航；卫星通信；海上搜救；主动报位

0 引言

海上环境的固有特性决定了海上搜救的问题和难点，为此国际社会一直在致力于改进提升相应技术手段和措施，提升海上搜救效能。国际上采用GPS卫星定位、卫星示位信标、卫星移动通信、船舶AIS系统、短波和超短波等多种技术手段，建立了COMPASS系统、全球搜救卫星系统和国际海事卫星系统等全球化搜救系统，来解决海上遇险信息传递的及时性、有效性和准确性问题，并且取得了较好的效果。但目前国内由于存在信息保密和安全等问题，无法较好地利用国际化技术成果，迟迟未能得到有效的解决。当前海上搜救仍在沿用超短波无线电示位信标示位、搜寻的机制，在新要求、新常态下，已不足以应对海上安全保障需求。主要体现在作用距离受限、不能主动报送遇险位置，导致搜寻时间长、人力耗费大[1]。近年来，北斗广泛应用于军事方面，海上搜救上的应用也逐步在开展，实用效果并不理想，一是实用性不强，没有充分考虑应用场景主要应用特点和需求；二是设备单一不成体系，仅在救援端或平台端配备，且相互间没有建立起互联互通关系；三是用于人员搜救、舰艇、潜艇以及设备打捞方面应用较少[2-3]。本文结合原有的体制、设备现状和当前及未来技术发展趋势，对海上搜救系统进行深入研究，将原本孤立的技术、成果综合起来，并引入卫星定位、通信最新技术成果，成体系、成规模地融合北斗卫星系统、卫星通信系统和信息通信等，形成综合化的海上搜救体系并提出系统模式，集找寻人、飞参记录器和飞机、舰艇、船艇等残骸于一体的遇险及时、有效报位机制，且相互间互为备份补充。

1 海上搜救发展现状

1.1 海上搜救工作流程

目前海上搜救体制主要是由遇险救生通信岸基系统、作战值班系统、通信值班系统、搜救直升机、搜索引导飞机和搜救舰船等组成[4]。遇险救生通信岸基系统是海上险情统一监控中心，负责将遇险救生信息引接到各级作战单位的作战值班部位和通信值班部位。遇险救生通信岸基系统主要由短波、超短波电台接入综合业务承载网组成，短波、超短波收到遇险救生信息后，通过网络传递到最高一级值班部位，再推送到各级值班部位，上报指挥机构，最后调派搜救兵力前往搜寻。

目前我国的海上搜救主要是以短波、超短波技术手段为主[5]，搜救流程如图1和图2所示，搜寻时采用探寻手持救生电台，搜寻无线电示位信号的方式。

图1 信息流转

图2 海上搜救流程

1.2 海上搜救存在的难点

目前海上搜救系统仍处于搜救力量、技术手段、体制机制建设的初级阶段，搜救模式单一，技术手段缺乏，尚未形成集通信、指挥、定位、报位、远程数据传输采集、飞参数据记录以及航迹推论分析于一体的综合海上搜索救援体系，功能应用实战化、体系化水平较弱，未能充分解决海上准确定位、遇险及时报位和远程通信等难点，不能有效保障海上遇险人员的生命安全。

1.2.1 海上通信困难

海上通信是海上搜救需要解决的重要问题之一，从目前海上任务情况看，海上搜救至少需要半径2 000 km的通信覆盖范围，且设备形态、能耗等应能普遍适用于飞机、舰船和人等各种平台。但目前这些设备的体积、重量和功耗都很大，仅能在较大的平台如陆地、大中型舰船上应用，且海上长波、中长波、短波设备的通信距离只能达到1 000 km左右，超短波仅能达到100 km，不能完全满足海上搜救行动范围的需要，特别是对于遇险飞机、飞行员和舰员的遇险远程通信问题亟待解决。

1.2.2 海上搜寻困难

获取被救对象的位置是海上救援行动的关键。海上面积广阔，大部分海域人迹罕至，没有任何参照或可依赖的环境，被救对象的位置还会跟随洋流随时发生变化，且被救对象还将面临海上生存的难题与各种危险，在不明位置的情况下即使跟随航线搜寻，也是以航线为半径的海域为范围进行，动辄几百上千平方千米的搜寻范围，救援行动极为困难，难以达到快速救援的能力要求[6]。

1.2.3 海上生存困难，搜救时间有限

海上遇险人员的生存环境及其恶劣，缺乏食物、淡水和保暖等生存必须物资，海上风浪大、温度低，保障海上遇险人员生还的救援时间冬天最长不超过4 h，夏天也不会超过12 h。要达到4 h到达任何海上遇险位置施救的能力，需要有一支能快速响应、机动能力强、航速快、航程远的专业搜救力量和队伍，同时建立起海上巡航机制，以便于快速响应遇险事故，达到遇险位置施救[7]。在实际情况中，有可能存在距离远、实在无法在短时间到达的情况，还需要采用向被救对象空投物资的手段，以提高被救对象的生存能力，为救援行动争取时间。

2 北斗卫星定位导航系统

北斗卫星定位导航系统是我国自主研制具有自主知识产权的卫星定位导航系统，是我国重要的战略资源。与国外其他卫星定位导航系统相比，除定位、导航和授时功能外，还具有通信功能，这对于海上救援具有重要的意义[8]。

2.1 卫星定位导航系统能解决的问题

北斗系统不仅能解决自身定位问题，还能解决位置共享问题，在此基础上扩展的指挥功能还能实现位置监控跟踪功能。卫星通信链路不受距离限制，受地理环境影响小，特别是空旷的海面几乎不受任何影响，能极大地解决海上遇险的远程通信报位问题[9]，具体包括如下几点：

① 解决远距离求救报位通信问题，只要卫星覆盖区域都可达。

② 解决遇险主动报位问题。北斗卫星定位、短报文通信可无视距离直接向地面、舰船、搜救飞机主动发布遇险位置。

③ 多目标同时快速救援。卫星通信链路可同时容纳成百上千用户通信使用，不存在相互干扰，可同时接收多个遇险求救信号和位置，同时派出多个搜救力量分别直达遇险位置施救。

④ 北斗卫星终端已实现高度自动化、智能化、小型化，操作简捷，便携易用。

2.2 卫星定位导航系统在海上搜救应用

北斗卫星定位导航系统的RNSS(无源定位)体制提供给北斗终端用户的功能有定位、导航和授时；RDSS(有源定位)体制提供给北斗终端用户的功能有定位、授时、短报文通信、指挥和位置报告。在海上搜救系统中主要使用的有RNSS的定位、授时，RDSS的定位、短报文通信、指挥和位置报告。

2.2.1 RNSS定位作用

RNSS定位精度优于RDSS定位精度，为岸基、海基、舰艇、飞机、遇险人员、ELT和飞参提供自身定位能力[11]。

2.2.2 RNSS授时作用

RNSS授时精度优于RDSS授时精度，为岸基、海基、舰艇和飞机提供统一时钟基准便于协同。

2.2.3 RDSS定位作用

RDSS定位作为RNSS定位的补充和备份，为岸基、海基、舰艇、飞机、遇险人员、ELT和飞参提供自身定位能力。

RDSS定位功能与RDSS指挥功能结合可实现位置的被动实时监控、跟踪。

2.2.4 RDSS短报文通信作用

RDSS短报文通信为卫星通信链路，不受距离限制，能实现海上远程信息传输。在海上搜救中主要用于遇险时的求救信息、位置信息发送和接收，在遇险的第一时间和遇险后持续回传求救和位置信息，提升求救报位及时性和有效性。其次用于飞行器关键飞参信息传输。

2.2.5 RDSS指挥功能作用

在北斗系统中RDSS指挥功能是被动接收下属用户的RDSS定位、短报文通信信息。在海上搜救系统中可用于监控被管理级的实时位置、短报文信息。

2.2.6 RDSS位置报告功能作用

在北斗系统中RDSS位置报告功能是终端用户之间可互相报送位置。在海上搜救系统中主要用于向已知的非上级用户或平级用户发送遇险位置，便于更及时地获得救援[12]。

3 海上搜救总体方案

3.1 系统组成

海上搜索救援系统主要功能是海上遇险信息的及时告知、遇险准确定位并及时回传位置信息、及时派遣搜救力量前往救援打捞。

为减少信息流转环节，整个系统以岸基、海基、舰载搜救站、航空团监控站、机载双星多模搜救台为上级管理级，形成了飞行员救生报位系统、飞行器应急定位系统、飞参远程数据传输系统、飞参记录器遇险报知系统、海上小分队出行保障系统等5个子系统，另外还需要预研新型无线通信系统、海上搜索智能辅助决策系统，用于岸基、海基和舰载的双星多模搜救站。

飞行员救生报位机、飞行器应急定位设备、飞参远程数据传输设备、具有遇险报知的飞参记录器为下属被管理级。

系统总体规划充分运用了北斗卫星定位导航系统、卫星移动通信系统和新型电台通信等技术手段实现多体制、多重通信手段备份互补的海上搜救系统，充分保障遇险信息、位置的及时有效传递，确保及时救援打捞，保障遇险人员生命安全和飞参数据的有效回收。

3.2 遇险人员求救报位系统

遇险人员求救报位系统主要由人员求救报位设备和搜救指挥中心的险情监控子系统构成，主要完成遇险主动报位任务，也能通过被动搜寻方式，引导搜救兵力前往施救[13]。人员救生报位系统组成由图3所示。

图3 人员救生报位系统组成

系统采用扁平化管理，分别由岸基搜救站、海基搜救站、机载搜索引导任务系统以及其下属用户(飞行员/舰员救生报位机)等组成。

飞行员救生报位设备主要是通过救生报位机、通信电台(含示位标)完成主动、被动式遇险求救报位，由搜救中心监控接收，派遣救援力量前往施救，实现飞行员的高效救援。

通信机主要是通过采用超短波频段发送无线电示位信号，并带有话音通话功能，搜救兵力一旦搜寻到该信标信号，即可解析其位置信息前往施救。

手持多模终端是卫星定位、报位、话音通信为一体的能主动、被动求救报位的设备，由搜救中心监控接收，派遣救援力量前往施救，实现人员的高效救援[14]。

3.3 飞行器求救报位系统

飞行器求救报位系统主要是采用卫导、卫通以及无线电示位信标等技术手段，在飞行器遇险后主动定位、报位、发射无线电示位信号，引导搜救兵力打捞飞行器残骸、黑匣子等[15]。系统组成如图4所示。

图4 飞行器求救报位系统组成

飞行器、舰艇求救报位设备分为：抛放式飞参记录器、机载应急报位机、“黑匣子”。搜救指挥中心的险情监控子系统共同组成飞行器求救报位系统。

抛放式参数记录器是在飞行器或舰艇遇险时自动脱落，在水面漂浮，具有主动定位、报位、示位和关键参数数据记录存储的设备，便于搜救兵力打捞回收，进行事故分析。

应急报位机是在飞行器、舰艇遇险时自动脱落，在水面漂浮，具有主动定位、报位、示位、关键参数数据备份的设备，便于搜寻残骸，回收参数数据，进行事故分析，对于参数数据多一种备份手段。

“黑匣子”为所有飞行器、舰艇都必备的参数数据采集存储设备，遇险后，自动脱落，沉入水中，需要在水下寻找示位信号，打捞困难。

抛放式飞参数记录器是集北斗、卫通、示位信标的一体化设备。能够感应过载信号，通过自动方式离机，在水面漂浮，具备飞参数据采集存储功能、具备主动定位报位、被动示位功能。能通过卫星链路主动向搜救中心报位，也能通过搜寻示位信号确定位置，引导搜救力量前往目标地点打捞。具备近、中、远程的通信报位覆盖能力，且能与其他主动报位设备互为备份，只要找到任何一个都能在其附近找到人员、机载应急报位器以及“黑匣子”，救援成功率提高了3倍。

机载应急保卫器是集北斗、卫通、示位和信标的一体化机载设备。能够感应过载信号，通过自动方式离机，在水面漂浮，具备飞参数据备份功能、具备主动定位报位、被动示位功能。能通过卫星链路主动向搜救中心报位，也能通过搜寻示位信号确定位置，引导搜救力量前往目标地点打捞。具备近、中和远程的通信报位覆盖能力，且能与其他主动报位设备互为备份，只要找到任何一个都能在其附近找到人员、抛放式记录器以及“黑匣子”，救援成功率提高了3倍。

状态参数远程传输设备主要集北斗、卫通一体化机载和舰载设备。配备在各类飞行器、舰艇上通过总线搜集关键运行状态数据，通过北斗实时回传位置，对数据进行加密并通过卫星数据链路回传，与监控台组成航行安全监控系统。

3.4 舰艇求救报位系统

舰艇求救报位系统主要是采用短波、超短波通信设备，卫导、卫通以及无线电示位信标等技术手段，在舰艇遇险时通过话音、数据等方式向搜救指挥中心进行告警[16]。

还应装备具有遇险时自动/人工脱落船体，能在海面漂浮的主动定位、报位、发射无线电示位信号的设备，当短波、超短波等固有设备失效时，引导搜救兵力打捞舰艇残骸、黑匣子等。本设备与搜救指挥中心的救生监控子系统、业务承载网等构成舰艇求救报位系统，系统具体组成如图5所示。

图5 舰艇求救报位系统组成

舰艇求救报位由舰载应急报位器与搜救指挥中心的险情监控子系统共同组成舰艇求救报位系统。

舰载应急报位器是在舰艇遇险时自动脱落，在水面漂浮，具有主动定位、报位和示位功能的设备，便于搜寻残骸。

漂浮式应急报位器是集北斗、卫通和示位信标的一体化舰载设备。能够通过自动/人工方式离舰，在水面漂浮，具备主动定位报位、被动示位功能。能通过卫星链路主动向搜救中心报位，也能通过搜寻示位信号确定位置，引导搜救力量前往目标地点打捞。具备近、中和远程的通信报位覆盖能力。

3.5 潜艇求救报位系统

潜艇分为水面遇险求救和水下求救报位2种情况，在水面遇险或水下遇险时还能浮上水面的情况下，与舰艇求救相似，可通过短波、超短波通信手段求救报位，同时抛出潜用应急定位浮标求救报位；在水下遇险时，与地面、搜救指挥中心等机构无法联系，通过抛出潜用应急定位浮标求救报位。该浮标能自动脱落船体，漂浮于海面，通过北斗、卫通向搜救力量主动报位，另外还具有无线电示位标，引导搜救兵力打捞。

潜用漂浮式应急报位器与搜救指挥中心的险情监控子系统共同组成潜艇求救报位系统，系统组成如图6所示。

图6 潜艇求救报位系统组成

应急报位器是在潜艇遇险时自动脱落，在水面漂浮，具有主动定位、报位和示位功能的设备，便于搜寻残骸，打捞“黑匣子”，进行事故分析。

潜用漂浮式应急报位器是集北斗、卫通和示位信标的一体化艇载设备。能够通过自动/人工方式离舰，在水面漂浮，具备主动定位报位、被动示位功能。能通过卫星链路主动向搜救中心报位，也能通过搜寻示位信号确定位置，引导搜救力量前往目标地点打捞。具备近、中和远程的通信报位覆盖能力。

4 结束语

目前北斗相关基带、射频芯片技术成熟，终端设备向着小型化、低功耗方向发展，我国自主的天通1号卫星移动通信系统已在逐步开始建设，其具备实时话音、数据通信能力，北斗定位结合卫星通信技术是解决海上遇险搜寻最为有效的手段，而无线电示位方式作为补充备份手段还在一定情况下具备应用价值。在研究过程中开展了相关试验验证，只要在北斗卫星覆盖范围内，救生的终端设备开启2 min以内，能够向地面、机载、舰载北斗指挥型用户机报送自身位置，定位的实际位置偏差小于80 m范围，搜救人员能够准确找到待救目标。通过研究分析以及实践两方面证明，运用卫星定位、通信技术手段搭建新型的海上搜寻系统可行，具有较强的实用性，能够解决当前海上救援的现实需求。本文率先提出多体制、多手段的综合化海上搜救体系，并具备可扩展性和可延伸性，对保障海上安全具有重要意义。

随着技术的不断进步和发展，今后将会出现更新颖的技术和手段，将会持续关注并不断综合各种技术，丰富完善该体系。同时海上搜救还将进一步进行军民融合发展，形成具有我国特色的全面的系统化、一体化海上搜救体系和机制。

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Application of Satellite Communication and Navigation inMaritime Search and Rescue

LI Hong-lie1,WANG Qian2,SONG Bin2

(1.QingdaoBranchofNavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,QingdaoShandong266041,China;2.Factory6905,PLA,BeibeiChongqing400700,China)

To address the challenges of positioning and communication in maritime search and rescue,the Beidou satellite navigation system is applied in maritime search and rescue for active position reporting in an accident as well as long-distance telecommunication.The Beidou satellite positioning,communication and commanding are fully integrated to streamline the flow of saving information transmission and shorten the process of maritime search,which saves the valuable time for rescue operations.A new maritime search and rescue architecture construction scheme is formed through analyzing and discussing the application features and modes of searches for human,materials and platforms respectively.And combined with the existing system,the architecture can provide information support timely for rescue operation.The application results show that the effectiveness of the application model proposed meets the expectation.

Beidou satellite navigation;satellite communication;maritime search and rescue;active position reporting

2017-02-27

山东省“泰山学者”建设工程专项基金资助项目(ts20081330)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.04

李洪烈，王 倩，宋 斌.卫星通信导航在海上搜救的应用[J].无线电工程,2017,47(6):15-19，37.[LI Honglie,WANG Qian,SONG Bin.Application of Satellite Communication and Navigation in Maritime Search and Rescue[J].Radio Engineering,2017,47(6):15-19，37.]

V249.32

A

1003-3106(2017)06-0015-05

李洪烈 男，(1963—)，硕士,教授。主要研究方向：航空搜救和航空导航。

王 倩 女，(1982—)，硕士，讲师。主要研究方向：航空通信与搜救。