专利名称：海上个人应急示位跟踪设备及其定位方法
技术领域：
本发明涉及个人使用的海上呼救设备。
背景技术：
按照国际海事组织及我国海事局有关规定，海船上大多安装有VHF电台、海事无线电话、GPS定位系统以及卫星船站等通信救援设备。事故发生时，船只可以通过这些设备向搜救部门求救。但船员落水后，在水流的作用下，将漂离失事地点。由于落水船员基本无个人用通讯或示位设备，因此当救援人员赶到失事地点能很快发现失事船只，却很难确定落水船员的具体方位。目前，搜救人员的技术手段只能分析失事区域的水流情况，推断船只上落水人员可能漂流到的位置；通过摄像系统、照明系统和红外夜视系统搜寻海面，进行拉网式查找。在沿海岛礁较多区域，岛礁环流复杂多变，更难以推测落水者的方位，搜救更为困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对目前对实施人员救援手段落后问题，提供一种海上个人应急示位跟踪设备及其定位方法，便于救援人员发现落水者，以提高救援的成功概率。
为解决上述技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的海上个人应急示位跟踪设备，其特征在于所述海上个人应急示位跟踪设备主要由个人便携式信标机和船/飞机载搜索机两部分组成；所述搜索机安装在搜救直升机和搜救船上，所述信标机由船员随身携
带；
所述信标机主要由电源供电控制电路、微处理器模块、声光系统、通
信模块组成；所述电源供电控制电路包含有手动开关和自动开关，用于手动或自动开启工作；所述电源供电控制电路分别与微处理器模块、声光系统、通信模块相连进行供电；所述微处理器模块与声光系统相连用于将声光驱动信号输入声光系统；所述微处理器模块与通信模块相连用于接收搜索机的询问信号并将信标信号传输到搜索机。
所述搜索机主要由微处理器模块、人机交互单元、通信模块、无线电测向模块以及GPS接收机组成；所述GPS接收机与微处理器模块相连，用于GPS定位；所述微处理器模块与通信模块相连，用于发射询问信号并接收信标机的信标信号；所述微处理器模块与人机交互单元相连，用于接收指令、发出报警并显示搜索目标的位置。
以下对信标机的各个组成单元进行说明所述声光系统主要包括发光装置和声响装置；
所述微处理器模块主要包括数据处理/编码模块、与声光系统连接用于驱动发光装置的光源驱动模块、与声响装置连接的声音编码模块；
所述通信模块主要包括接收机模块、发射机模块、收发开关以及天线；所述收发开关用于接受微处理器模块的控制信号对天线进行收发切换；所述接收机模块将天线接收到的询问信号解调后输入微处理器模块的数据处理/编码模块进行解码；所述发射机模块将从微处理器模块的数据处理/编码模块接收到的编码信号进行调制放大后通过天线向外发射。所述增强版信标机还包括GPS接收机；所述GPS接收机与微处理器模
块中的数据处理/编码模块相连用于输入GPS定位数据，该GPS定位数据经
微处理器模块编码后经无线电信号发射机模块调制放大后通过天线传送给搜索机。
以下对搜索机的各个组成单元进行说明
所述人机交互单元主要包括键盘、显示器、声光报警器、控制器；
所述通信模块主要包括接收机模块、发射机模块、收发开关、收发天
线；所述收发开关用于接受微处理器模块的控制信号对收发天线进行收发切换；
所述无线电测向模块包括三单元测向天线系统及后端处理单元。
所述海上个人应急示位跟踪设备的定位方法，其特征在于
所述海上个人应急示位跟踪设备采用以下方法实现无线电测向
所述测向天线系统为采用相同的三个天线单元A、 B、 C安装在等边三
角形的三个顶点上组成，设等边三角形的边长为2/;
测向天线系统接收到的三路测向信号输入后端处理单元进行低噪放
大、带通滤波、限幅放大后，同时进行A/D采样，数据输入微处理器模块进行测向运算；并将测向结果输出到人机交互单元进行显示所述微处理器模块根据以下运算公式进行测向运算
安装在等边三角形的三个顶点上的三个天线单元A、 B、 C之间分别构成基线AB、基线BC、基线CA;
取D为等边三角形ABC的重心，过重心D分别平行于基线AB、 CA、 BC做辅助线JG、 IF、 EH将360度圆面分成六个测向区域EDF、 FDG、 GDH、HDI、 IDJ、 JDE区域:
计算信号入射方向与基线AB之间的夹角^ 为
义
^ab :arccos["arg( ^)];i4;r/
(i)
其中^b为信号入射方向与基线AB的夹角，"ab为阵元A、 B接收信号的互相关，A为信号波长，/为基线长度的一半；
计算信号入射方向与基线BC之间的夹角&c为
/1
6 BC 二arccos[y^argOBc)];i4;r/
(2)
其中&c为信号入射方向与基线BC的夹角，，Bc为阵元B、 C接收信号的互相
关，A为信号波长，/为基线长度的一半；
计算信号入射方向与基线CA之间的夹角^^为
义
6>CA 二arccos[;argOcA)];i
4;r/
(3)
其中^为信号入射方向与基线AC的夹角，^为阵元A、 C接收信号的互相关，^为信号波长，/为基线长度的一半；
计算出的来波方向与基线AB的夹角^e(;,与]时，使用AB作为主基
3 3
2;r
线测量角度；若来波方向与辅助基线BC、CA的夹角范围分别为^ce(^,;r]、
4Ae[^,;r)，则来波在EDF区域；若来波方向与辅助基线BC、 CA的夹角范
3
围分别为&e
，则来波在工DH区域；
计算出来的来波方向与基线BC夹角在^e(l,宇]时，使用BC为主基
线，AB、 CA作为辅助基线进行测量；若来波方向与辅助基线AB、 CA的夹
.2;r
角范围分别为^e
、 ^Ae(0,|]，则来波在IDJ 区域；
计算出来的来波方向与基线CA夹角在^^《,，]时，使用CA为主基 线，AB、 BC为辅助基线进行测量。若来波方向与辅助基线AB、 BC的夹角 范围分别为^^
，则来波在HDG区域；若来波方向与辅助 基线BC、 CA的夹角范围分别为^e(,，;r]、 ^[警,勾，则来波在EDJ区
域；
所述海上个人应急示位跟踪设备采用以下方法实现无线电测距； 当救助船在距离信标机为rf时，
发送询问信号，此时设时间标记为、信标机在^寸刻收到询问信号， 延时T，往外发送应答信号；应答信号到达救助船的时间标记为、此时救 助船距离A信标机的距离变为《；微处理器模块根据以下关系式进行测距 并将计算结果输出到人机交互单元进行显示
1 一 ^
其中，"=^/表示电波传播速度，A、 /分别为电波的波长和频率；v。表 示船航行速度，船朝向信标机航行时，v。取正值，否则v。取负值；
本发明可以在采用以上方法的同时通过测量接收到信标信号的强度， 进行距离估算
搜索机中的接收机模块根据接收到的信号强弱不同，给出相应的信号 电平指示信号输入微处理器模块；微处理器模块根据如下公式估算距离， 距离每增加一倍，信号衰减6dB:
Zsb =32.5 + 201g/ + 201gfi 其中，y为载波频率，单位腿Z;"为传输距离，单位Km; Lb为电磁 波的路径损耗。
本发明带来以下有益效果
搜索机发出询问信号，落水者携带的信标机收到询问信号后，发出无 线电信标信号，为海上救助队伍提供落水者的方位和距离信息。救援人员 通过搜索机测量信标信号的方位和距离，快速确定落水人员的位置，大大 提高救援成功率；加快救助进程，改变依靠肉眼观测搜救，搜救时间长、 效果差的现状。
图1:信标机原理方框图 图2:搜索机原理方框图
图3 (a)、图3 (b):三单元天线阵列组成的专用测向天线系统的工 作原理示意图
图4:落水者携带信标机的效果显示图
图5:在搜索机的显示屏上信标机的位置显示图
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的描述 本发明主要由个人便携式信标机和船(飞机)载搜索机两部分组成。 搜索机安装在搜救直升机和搜救船上，信标机由船员随身携带。船员落水 后，信标机可以发出无线电信标信号，机载或船载的搜索机根据此信号， 确定呼救人员的位置，实施快速救助。为加强搜救效果，信标机还能发光、发声，在近距离情况下和黑夜中，吸引救助者的注意。信标机应有良好的 便携性、密封性、美观性和较长的续航能力，利于船员随身携带，浸入水 中时，也能长时间的正常工作。其基本工作原理是利用信标机发出的信 标信号进行方位和距离的测量，或根据信标机发出信号中带有的位置和距 离信息，判断落水者距离搜救人员的距离和方位，便于及时施救。
如图l所示本实施例中信标机主要包括电源供电控制电路、GPS接 收机、微处理器模块、声光系统、通信模块；电源供电控制电路包含有手
动开关和湿度传感器，用于手动或自动开启工作；GPS接收机将GPS位置 数据输入到微处理器模块；接收机模块将天线接收到的无线电询问信号解 调后输入微处理器模块的数据处理/编码模块进行解码；所述发射机模块将 从微处理器模块的数据处理/编码模块接收到的编码信号进行调.制放大后 通过天线向外发射；信标机和搜索机之间进行双向通信，完成状态控制、 测距测向的功能。
信标机可分成两部分主机和附件。附件包含发光项圈、声响装置和 天线。携带时，将软项圈套在脖子上或手腕上，利于搜救人员发现闪光和 声音，同时也利于发送信标信号。主机包含信标机中的其余部分。主机通 过机身的挂钩或扣带，固定在携带者救生衣或腰带上，主机尺寸尽量小。 主机和附件通过数据线连接。主机面板上手动开关和湿度传感器，可以手 动或自动开启工作。参见图4，使用时可将信标机佩戴在船员身上或救生 衣上，天线挂在人的颈部，落水时信标机自动或手动打开。落水后，发射 机模块将编码信号调制到VHF频率121.5MHz上，并放大，通过天线，将信 号向外广播。当接收机模块接收搜索机的询问信号，进行解调；微处理器模块将接收机的解调信号进行解码，依据解码结果，决定何时驱动声响装 置和发光装置工作发送呼救声音和闪光信号，何时进行信标信息编码并送 入发射极，并切换收发开关。在恶劣天气和携带者失去知觉时，声音和闪 光可以吸引附近搜救人员的注意，提高搜救成功率。
搜索机的主要功能是根据无线电信标机发出的信标信号，测量落水者 距离搜索机的方位和距离，以确定落水人员的位置。搜索机的天线可安装 在搜救船的桅杆上，尽量支高，保证一定的搜索距离。安装时尽量保证天 线的测量中线与船轴线保持一致，以保证搜索机能准确测量出信标机与船 只航向的方位角度，弓i导搜救船只始终向落水者方向航行。
搜索机的原理框图见图2。搜索机主要由微处理器模块、人机交互单 元、通信模块以及GPS接收机组成；GPS接收机将GPS位置数据输入微处 理器模块；通信模块主要包括接收机模块、发射机模块、收发开关、收发 天线以及使用三单元天线阵列组成的专用测向天线系统；收发开关用于接 受微处理器模块的控制信号对收发天线进行收发切换；微处理器模块输出 编码数据经发射机模块调制放大后经收发天线将询问信号发送出去。
无线电测向采用的是相位干涉仪原理，测向依靠安装在搜救船/飞机上 的三单元天线阵实现。
如图3 (a)，相同的三个天线单元A、 B、 C安装在等边三角形的三个 顶点上，等边三角形的边长为2/。计算可得信号入射方向与基线AB的夹
= arccos[^^argOAB)]义 (1 )
其中^B为信号入射方向与基线AB的夹角，'^为阵元A、 B接收信号的互相关，A为信号波长，d为基线长度的一半。根据式1测得的角度"AB范围为 [G，d，即系统无法分辨信号来向在基线AB的哪一侧，第三根天线C可以用
来区分信号来向是在AB的哪一侧，完成360度测向。如图3 (b)所示。
其基本方法是在测向计算时，三根天线将360度分成六个测向区域D 为等边三角形ABC的重心，过重心D的虚线JG、 IF、 EH分别平行于基线 AB、 CA、 BC。来波方向与基线AB的夹角 e(l,，]时，使用AB作为主基
线测量角度。来波在EDF区域时，来波方向与辅助基线BC、 CA的夹角范围 分别为^e(，，"]、 ^e[，,;r);来波在IDH区域时，来波方向与辅助基 线BC、 CA的夹角范围分别为6^e
。根据主基线AB可以在范围内测量来波与基线AB的夹角，加上辅助基线BC、 CA后，可以判 断出来波处在主基线AB的那一侧，即可区分来波是处于EDF区域还是IDH区域。
同样，来波方向与基线BC夹角在&e(l,，]时，使用BC为主基线， AB、 CA作为辅助基线进行测量；来波方向与基线CA夹角在^e(l，，]时， 使用CA为主基线，AB、 BC为辅助基线进行测量。
无线电测距采用两种方法进行 一种方法是通过测量无线电信号应答 的传输延时，确定距离；另一种方法是通过测量接收到信标信号的强度， 进行距离估算。实施中可采用两种测距方法相融合，给出搜索机和信标机 之间的距离远近信息。
救助船在距离A信标机为^时，
发送询问信号，此时时间标记为纟。。A信标机在^时刻收到询问信号， 延时r，往外发送应答信号。应答信号到达救助船的时间标记为、此时救助船距离A信标机的距离变为^。存在以下关系式
<formula>formula see original document page 16</formula>
其中，"=2/表示电波传播速度，2、 /分别为电波的波长和频率；V。 表示船航行速度，船朝向信标机航行时，v。取正值，否则v。取负值。由上 述三式，有
<formula>formula see original document page 16</formula>
测量出救助船发出询问信号与接收到某个应答的时间差^—、则可确 定接收到应答信号时，救助船与信标机的位置。
信号强度法测距原理比较简单。根据距离远近不同，接收机接收到的
信号强弱不同，给出相应的信号电平指示信号(RSSI)。根据公式3，
Zsb=32.5 + 201g/ + 201gJ (3)
其中，,为载波频率，单位丽z;"为传输距离，单位Km， Lsb为电磁 波的路径损耗。距离每增加一倍，信号衰减6dB。
测向天线系统将接收到的三路测向信号输入接收机模块进行低噪放 大、带通滤波、限幅放大后，同时进行A/D采样，数据输入微处理器模块 进行测向运算；同时，收发天线接收到的信标机发送的信标信号，输入接 收机模块进行低噪放、下变频、带通滤波处理，进行解调，解调信号送入 微处理器模块解码，得到信标信息；微处理器模块将信标信息、测向结果 数据、接收机模块送来的信号强度指示数据及GPS接收机送来的GPS位置 信息一同打包输出至人机交互单元的控制器进行显示；落水者距离搜索船的位置即可在搜索机的显示屏幕上显示，如图5所示，其中圆心即为搜索 船的位置，五星即是落水者相对搜索船的位置。同时，微处理器模块依据 信标信号及控制器送来的指令信息，对下一次询问数据编码，切换收发开 关，发送询问信号。
权利要求
1、海上个人应急示位跟踪设备，其特征在于所述海上个人应急示位跟踪设备主要由个人便携式信标机和船/飞机载搜索机两部分组成；所述搜索机安装在搜救直升机和搜救船上，所述信标机由船员随身携带；所述信标机主要由电源供电控制电路微处理器模块、声光系统、通信模块组成；所述电源供电控制电路包含有手动开关和自动开关，用于手动或自动开启工作；所述电源供电控制电路分别与微处理器模块、声光系统、通信模块相连进行供电；所述微处理器模块与声光系统相连用于将声光驱动信号输入声光系统；所述微处理器模块与通信模块相连用于接收搜索机的询问信号并将信标信号传输到搜索机；所述搜索机主要由微处理器模块、人机交互单元、通信模块、无线电测向模块以及GPS接收机组成；所述GPS接收机与微处理器模块相连，用于GPS定位；所述微处理器模块与通信模块相连，用于发射询问信号并接收信标机的信标信号；所述微处理器模块与人机交互单元相连，用于接收指令、发出报警并显示搜索目标的位置。
2. 照权利要求1所述的海上个人应急示位跟踪设备，其特征在 于信标机的各个单元组成如下所述声光系统主要包括发光装置和声响装置；所述微处理器模块主要包括数据处理/编码模块与声光系统连接用于驱动发光装置的光源驱动模块与声响装置连接的声音编码模 块；所述通信模块主要包括接收机模块激t机模块^:开关以及天线；所述收发开关用于接受微处理器模块的控制信号对天线进行收发 切换；所述接收机模块将天线接收到的询问信号解调后输入微处理器 模块的数据处理/编码模块进行解码；所述发射机模块将从微处理器 模块的数据处理/编码模块接收到的编码信号进行调制放大后通过天 线向外发射
3.按照权利要求2所述的海上个人应急示位跟踪设备，其特征在于所述信标机还包括GPS接收机；所述GPS接收机与微处理器模 块中的数据处理/编码模块相连用于输入GPS定位数据，该GPS定位 数据经微处理器模块编码后经无线电信号发射机模块调制放大后通 过天线传送给搜索机
4.按照权利要求2所述的海上个人应急示位跟踪设备，其特征在于所述搜索机的各个单元组成如下所述人机交互单元主要包括键盘显示器声光报警器控制器；所述通信模块主要包括接收机模块激f机模块收发开关收发天线；所述收发开关用于接受微处理器模块的控制信号对收发天线进行 收发切换；所述无线电测向模块包括三单元测向天线系统及后端处理单元
5.按照权利要求1所述的海上个人应急示位跟踪设备的定位方 法，其特征在于所述海上个人应急示位跟踪设备采用以下方法实现无线电测向所述测向天线系统为采用相同的三个天线单元(a)、 (b)、 (c) 安装在等边三角形的三个顶点上组成，设等边三角形的边长为2/;测向天线系统接收到的三路测向信号输入后端处理单元进行低噪放大带通滤波P融高放大后，同时进行a/d采样，数据输入微处理器模块进行测向运算；并将测向结果输出到人机交互单元进行显示所述微处理器模块根据以下运算公式进行测向运算安装在等边三角形的三个顶点上的三个天线单元abc ^j司分别 构成基线ab基线bc基线ca;取d为等边三角形abc的重心，过重心d分别平行于基线ab q bc做辅助线jg i ffl将360度圆面分成六个测向区域e服h)g gdh hm idj jde区域计算信号入射方向与基线ab之间的夹角^b为<formula>formula see original document page 4</formula>其中为信号入射方向与基线ab的夹角，"ab为阵元a b接收信号的 互相关，a为信号波长，/为基线长度的一半； 计算信号入射方向与基线bc之间的夹角&e为<formula>formula see original document page 5</formula>( 2 )其中^:为信号入射方向与基线BC的夹角，^为阵元BC接收信号的互相关，A为信号波长，/为基线长度的一半； 计算信号入射方向与基线CA之间的夹角^,为<formula>formula see original document page 5</formula>(3 )其中^a为信号入射方向与基线AC的夹角，^为阵元A C接收信号的互相关，A为信号波长，/为基线长度的一半；计算出的来波方向与基线AB的夹角^ e《,，]时，使用AB作为主基线测量角度；若来波方向与辅助基线BCQl的夹角范围分别为 eBce(，,;r]》CAe[，,;r)，则来波在EDF区域；若来波方向与辅助基线bc a的夹角范围分别为& e[o,l) ^A e(o,l]，则来波在idh区域；计算出来的来波方向与基线BC夹角在^ 时，使用BC为主基线，ABQ作为辅助基线进行测量；若来波方向与辅助基线ABCA 的夹角范围分别为^e
《A e(0,|]，则 来波在IDJ区域；计算出来的来波方向与基线CA夹角在^e《,，]时，使用CA 为主基线，ABBC为辅助基线进行测量；若来波方向与辅助基线ABBC的夹角范围分别为^e
，则来波在HDG区域；若来波 方向与辅助基线BCCA的夹角范围分别为^e(,，;r]《^[，,;r)，则来波在EDJ区域；所述海上个人应急示位跟踪设备采用以下方法实现无线电测距； 当救助船在距离信标机为"时，发送询问信号，此时设时间标记为、信标机在"寸刻收到询问 信号，延时T，往外发送应答信号；应答信号到达救助船的时间标记 为^，此时救助船距离A信标机的距离变为《；微处理器模块根据以 下关系式进行测距并将计算结果输出到人机交互单元进行显示<formula>formula see original document page 6</formula>其中，v:V表示电波传播速度，A/分别为电波的波长和频率； v。表示船航行速度，船朝向信标机航行时，、取正值，否则、取负值
6.按照权利要求5所述的海上个人应急示位跟踪设备的定位方 法，其特征在于还同时采用通过测量接收到信标信号的强度的方法，进行距离估算搜索机中的接收机模块根据接收到的信号强弱不同，给出相应的 信号电平指示信号输入微处理器模块；微处理器模块根据如下公式估 算距离，距离每增加一倍，信号衰减6dB:Zsb =32.5 + 201g/ + 201gd其中，,为载波频率，单位MHz;"为传输距离，单位Km; Lsb 为电磁波的路径损耗。
全文摘要
本发明涉及个人使用的海上呼救设备。所要解决的技术问题是针对目前对实施人员救援手段落后问题，提供一种海上个人应急示位跟踪设备及其定位方法，便于救援人员发现落水者，以提高救援的成功概率。其特征在于所述海上个人应急示位跟踪设备主要由个人便携式信标机和船/飞机载搜索机两部分组成；搜索机发出询问信号，落水者携带的信标机收到询问信号后，发出无线电信标信号，为海上救助队伍提供落水者的方位和距离信息。救援人员通过搜索机测量信标信号的方位和距离，快速确定落水人员的位置，大大提高救援成功率；加快救助进程，改变依靠肉眼观测搜救，搜救时间长、效果差的现状。
文档编号G01S3/14GK101661094SQ20081004224
公开日2010年3月3日 申请日期2008年8月29日 优先权日2008年8月29日
发明者严小商, 欧阳慧 申请人:上海无线电设备研究所