海上应急定位呼救智能装置设计

（无锡市电子仪表工业有限公司，江苏 无锡 214000）

0 引 言

随着世界经济一体化和信息全球化进程的加快，国际航运事业得到了飞速发展。海洋经济已成为国民经济的重要组成部分，我国沿海省市把海洋经济作为新的战略重点。然而，伴生而来的是海上和水上险情和事故多发，海难事故发生概率的不断增加。由于海上事故的突发性，人员落水后受风向、海流、海潮等因素影响，位置随海浪不断移动呈动态分布，且漂流方向无任何规律可循，同时海难事故大多在恶劣气象时突发，夜间能见度更差，搜寻更为困难。因此，海上应急救援过程中如何及时、准确、持续地将落水人员的位置发送给救援人员就成为决定海上应急救援成功的首要条件。

本设计旨在面向广大海洋用户，解决公务船、中小型船舶、涉海个体、海上军队在海难发生时应急响应速度慢、搜寻效率低、定位精度差、通信困难等问题，提高海上应急搜救效率。该设计实现“芯片-算法-终端”的完全国产化，使得产品能够军民两用，降低在海难中的生命财产损失。

1 海上应急定位呼救装置设计

本文研究的海上应急定位呼救智能装置内置在救生衣肩膀位置处。当穿戴者遇险落水后，该装置个人终端能够智能感知到人员落水，第一时间向搜救中心发送求救信号和位置信息，以便搜救中心在最短时间内获知使用者处于落水状态，并及时进行救援。海上应急定位呼救智能终端在触发紧急报警或落水报警后，周期性地向搜救中心返回落水人员的位置信息，引导搜救船及时、准确地实施救援。实现在数分钟内将报警信息（包括落水人员位置、水流方向、人员信息等内容）上传到后台服务器中，为营救组织第一时间组建救援力量并准确获知营救方向提供了有力的支持。

项目产品整体框图如图1所示。设计中，使用北斗1代模块进行短报文发送服务，北斗2代模块高精度定位能力，设计RNSS多模多频段射频芯片，确保稳定可靠的接收卫星信号，即使在接受环境十分不利的情况下也能保证导航定位的连续性、可用性和完善性。产品设计了LoRa组网算法降低区域内落水人员发送短报文频率技术，实现单终端低频率、区域内高频率发送应急呼救信息，72 小时黄金救援时间内不间断。作为海上应急定位呼救智能装置，本产品还设计了落水智能感知，一键呼救等功能，通过多智能体数据协同技术，使得设备100%报警成功。本产品根据在海洋个人应急时的使用特点，使用了拥有自主知识产权的高效防水技术和小型化轻量化技术，防水等级达到IP68最高等级。

图1 项目产品整体框图

本文通过LoRa组网算法、低电压设计、电源管理设计、深度睡眠设计来实现装置的低功耗。应急呼救智能装置的一个最为关键的性能指标是持续有效运行时间。从事故发生到人员调配，准确定位实施救援需要有一个过程，终端能够长时间持续为搜救中心持续提供落水人员的位置信息，为高效营救提供切实可靠的信息保障。作为一款遇险人员可方便穿戴的呼救终端，需要小型化轻型化，所以内置电池不宜过大。然而要确保黄金救援72小时的持续发送定位信息就对整个装置提出了低功耗的要求。目前降低终端功耗的措施主要集中在降低基带芯片、射频模块、晶振等单个部件的功耗上。

（1）LoRa组网算法的研发。对北斗呼救进行降频，实现单终端低频率发送，区域内高频率发送报警信息。为了合理节约设备电量，装置引入LoRa组网机制，在硬件上增加LoRa无线设备，从软件算法上进行优化发送频率。深入研究通过区域内通过LoRa组网算法对北斗1代发送装置进行降频，区域范围内只发送一次呼救信息，节约因发送短报文产生的电量损耗。每个设备启动后，与周边区域通信范围内设备通过LoRa组网，并推举一个节点发送北斗短报文数据帧，而其他节点则进行休眠以节约电量。发送报文的节点推举方式采用随机数和队列剔除的方式，每个节点在自动发送时间间隔上随机加入一个1～2 min的随机数。先定时结束的节点先发送报文，并向周围广播已发送信息，其他节点收到这一信息则取消该次发送，并且该次发送的节点将被剔除出一轮的发送队列，以免某一节点多次连续发送。最终实现单终端低频发送求救信息，区域范围内高频率发送呼救信息。

（2）智能装置的低电压设计。个人终端采用的芯片的核心电压不超过1.8 V，部分I/O接口工作电压不超过3.3 V。

（3）智能装置的电源管理设计。对主要耗电电路北斗1代模块的供电采用了专门的电源芯片，在需要发送信息之前打开北斗1代模块供电电源，在完成发射之后立即关闭电源，将电路的待机功耗降到最低。

（4）智能装置的深度睡眠设计。个人终端在触发报警事件前，处于深度睡眠状态，控制电路输入时钟关闭，整个终端进入功耗极低的待机水面状态，触发报警事件之后，控制电路立即唤醒，进行定位解算，并将告警信息和位置信息上报指挥机，之后终端再次进入睡眠状态，仅部分计时电路处于工作状态，直到下一次警情上报时间间隙再次唤醒工作。

海上应急定位呼救智能装置采用分体式结构设计、机构防水设计技术实现装置的可靠性设计。在海上应急过程中，装置在水下的可靠性运行是设计的重中之重，如何确保装置的天线对准北斗卫星，有效发送警报信息是可靠性研究的一个重点。装置在水下有效工作，整机防水性能要求实现最高的防水防尘等级IP68。智能装置的分体式设计，整个装置主要由通信机与电池盒两个部分组成，整个模块外形设计主题为枪械元素，具有很强视觉冲击力。通信机带有135°夹角，在使用过程中易于固定在人员肩膀位置并可以保证内部天线正对准北斗卫星。单独的电池盒设计可以保证整个模块持续工作72小时。个人求救终端的壳体材料选用高强度、憎水性、耐腐蚀性塑料，整个模块壳体基本厚度为3 mm，可以保证壳体具有高强度、耐摔性；在高盐、高湿环境下长期使用不会产生变形、开裂等现象，即使受到挤压、碰撞时也不易发生形变。产品外观结构示意图如图2所示。

图2 产品外观结构设计示例图

2 结 语

本文设计了一种海上应急定位呼救智能装置。海上应急定位呼救智能装置的设计研发能够推动北斗在海上搜救领域的应用，既符合国家发展北斗的战略，也是响应海上应急搜救的实际需求。海上应急定位呼救智能装置的关键技术研发是海上遇险搜救手段和技术的一项重大突破，将在某种意义上极大改变目前拉网式搜救的传统方法，提高搜救效率，减少国家的搜救损失，具有革命性意义。