新型船載EPIRB讀碼設(shè)備的設(shè)計(jì)

彭曉星，周美慶，錢立軍

(1.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.寧波潤楊通訊導(dǎo)航有限公司，浙江 寧波 315100)

新型船載EPIRB讀碼設(shè)備的設(shè)計(jì)

彭曉星1，周美慶1，錢立軍2

(1.浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.寧波潤楊通訊導(dǎo)航有限公司，浙江 寧波 315100)

針對緊急無線電示位標(biāo)(Emergency Position Indicating Radio Beacon,EPIRB)存在誤報(bào)警、頻率偏差大、電池功率小和水密性能差等問題，僅依靠船員的自測試和常規(guī)檢查無法確保設(shè)備的可靠性，而通過無線電檢測機(jī)構(gòu)使用專門的讀碼器進(jìn)行年度檢驗(yàn)周期太長，設(shè)計(jì)一種新型船載EPIRB讀碼設(shè)備。該新型EPIRB讀碼設(shè)備采用數(shù)字接收方案，通過變頻將406 MHz信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻數(shù)字信號(hào)，采用單片機(jī)進(jìn)行解碼，通過RS232串口連接PC電腦輸出讀取的水上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)碼(Maritime Mobile Service Identity,MMSI)和頻率等測試結(jié)果，同時(shí)設(shè)計(jì)讀碼器與手機(jī)無線連接，通過手機(jī)APP直接查看設(shè)備的性能。實(shí)踐證明，該新型EPIRB讀碼設(shè)備適合船員操作，使用方便，性價(jià)比較高，能從根本上消除業(yè)界認(rèn)定的EPIRB的不可靠性給船舶安全航行帶來的隱患。

船舶工程；緊急無線電示位標(biāo)；檢測；讀碼設(shè)備；設(shè)計(jì)

自全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System,GMDSS)全面實(shí)施以來，船用緊急無線電示位標(biāo)(Emergency Position Indicating Radio Beacon,EPIRB)一直是船舶必配的遇險(xiǎn)報(bào)警設(shè)備。為方便船舶在遇險(xiǎn)時(shí)自動(dòng)釋放并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，該設(shè)備必須安裝在船舶羅經(jīng)甲板上或駕駛臺(tái)左右兩翼，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備因長期暴露在惡劣的環(huán)境中而使水密性和收發(fā)信號(hào)的能力受損及發(fā)生誤報(bào)警。由于設(shè)備的頻率精度、相位偏移和信號(hào)穩(wěn)定度等方面的問題會(huì)導(dǎo)致無法報(bào)警，因此需通過適當(dāng)?shù)臏y試和維護(hù)來保證設(shè)備的可靠性。[1]為此，國際海事組織(International Maritime Orgonization,IMO)規(guī)定EPIRB設(shè)備需進(jìn)行年度檢驗(yàn)和5 a特檢，但是船員的自測試、海事局的港口國監(jiān)督(Port State Control,PSC)檢查和船檢檢查因缺乏專門的檢測設(shè)備而只能流于形式。雖然船舶上的常規(guī)檢查按規(guī)定每季度進(jìn)行一次，但因船舶未配置專門的檢測設(shè)備而不能達(dá)到確保EPIRB可靠的目的。目前，EPIRB的年度檢測只是由船檢部門指定的第三方無線電檢測機(jī)構(gòu)使用進(jìn)口的專門儀器進(jìn)行，給船舶航行安全帶來了極大的隱患，相關(guān)部門需予以重視并采取合適的防治措施。

1 典型EPIRB的工作原理及誤報(bào)警分析[2]

按照IMO的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)A.569(14),A.611(15)和A.661(16)決議及國際無線電咨詢委員會(huì)(International Radio Consultative Committee,CCIR)的632標(biāo)準(zhǔn)和633標(biāo)準(zhǔn)的建議，國內(nèi)外生產(chǎn)的EPIRB基本上都是由發(fā)射機(jī)、電源和天線等部分組成的，典型的406 MHz EPIRB的工作原理見圖1和圖2。目前普遍采用3個(gè)或4個(gè)開關(guān)設(shè)置(手動(dòng)、自動(dòng)、測試及關(guān)閉)。需特別指出的是，自動(dòng)開關(guān)大多通過觸發(fā)水敏開關(guān)、磁性開關(guān)和水銀開關(guān)共同完成報(bào)警信號(hào)的發(fā)射，其中：手動(dòng)MANNUAL接通將立即發(fā)射遇險(xiǎn)報(bào)警(一般設(shè)置防誤操作裝置)；AUTO用于在航時(shí)設(shè)置，一旦船舶遇險(xiǎn)，自動(dòng)啟動(dòng)釋放后報(bào)警；TEST用于平時(shí)測試時(shí)使用，主要用來檢查電池能否正常工作，但無法判斷設(shè)備的工作性能是否正常；OFF開關(guān)主要在拆裝、維修和搬運(yùn)時(shí)設(shè)置用。經(jīng)典的JRC JQE-3A EPIRB的工作原理見圖1。

圖1 JRC JQE-3A EPIRB工作原理

圖2 TRON 30S/40S EPIRB工作原理

406 MHz EPIRB作為GMDSS中的輔助報(bào)警設(shè)備，幾乎所有船舶都配置，但其仍存在一些問題。近年來發(fā)生過許多EPIRB誤報(bào)警事件，且直到岸上RCC (Rescue Coordination Center)通知船舶所有人后才能進(jìn)行處理。這些事件大多數(shù)是人為操作失誤造成的。此外，該設(shè)備還存在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和安裝維護(hù)方面的問題，因此若要最大限度地解決該問題，需為船舶配置一個(gè)專用EPIRB讀碼設(shè)備。然而，市場上的EPIRB讀碼設(shè)備(如ARG 5410，JOTRON TRON UNIDEN)主要來自于歐美國家,價(jià)格昂貴，少數(shù)國產(chǎn)設(shè)備是為船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的，維修保養(yǎng)及產(chǎn)品計(jì)量檢驗(yàn)極為不便。[3]因此，設(shè)計(jì)一個(gè)滿足船舶駕駛員測試需要且性價(jià)比高的EPIRB讀碼設(shè)備十分必要。當(dāng)前EPIRB存在的問題可通過以下措施應(yīng)對：

1) 在EPIRB上安裝蜂鳴器，在發(fā)送遇險(xiǎn)報(bào)警的同時(shí)發(fā)出聲響提示船員，以便船員及時(shí)發(fā)現(xiàn)誤報(bào)警等問題。

2) 在EPIRB容器的頂部設(shè)置一個(gè)透明窗口，以便船員在進(jìn)行常規(guī)檢查時(shí)通過EPIRB的閃光燈確定其工作狀態(tài)。

3) 在EPIRB容器上開一個(gè)小孔，保持容器內(nèi)部干燥，以免積聚的水分引起海水開關(guān)誤動(dòng)作，進(jìn)而引發(fā)誤報(bào)警。

4) 將測試開關(guān)和發(fā)射開關(guān)分開設(shè)置，并設(shè)置防止意外操作的保險(xiǎn)裝置。

5) 若拆船時(shí)發(fā)生誤報(bào)警，確定拆解前拆船廠是否按規(guī)定向當(dāng)?shù)刂鞴軝C(jī)關(guān)報(bào)告,是否有操作規(guī)程,相關(guān)人員是否熟悉具體操作程序。

6) 檢查船上是否有EPIRB操作和檢測方法說明及誤報(bào)警解除操作規(guī)程。

2 船用EPIRB讀碼設(shè)備方案設(shè)計(jì)

2.1方案設(shè)計(jì)思路

該方案的目的是設(shè)計(jì)一種低成本的船用EPIRB讀碼設(shè)備，供船舶駕駛員對EPIRB設(shè)備進(jìn)行日常檢測和維護(hù)，利用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)隨時(shí)檢查EPIRB的性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并防止誤報(bào)警發(fā)生。其基本原理為：接收EPIRB發(fā)射的無線電信號(hào)，采用數(shù)字中頻解調(diào)技術(shù)進(jìn)行解調(diào)，對協(xié)議數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并輸出測試結(jié)果，以檢測其是否處于正常工作狀態(tài)；同時(shí)，根據(jù)測試結(jié)果判斷EPIRB的頻率精度和頻率穩(wěn)定性測量是否滿足《國際海上人命安全公約》(International Convention for Safety of Life at Sea,SOLAS)的相關(guān)要求。[4]

2.2基本電路設(shè)計(jì)

船用EPIRB讀碼設(shè)備主要由接收機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理電路和接口電路等組成，首先由天線接收EPIEB的4種標(biāo)準(zhǔn)頻率(406.25 MHz,406.028 MHz,406.037 MHz,406.040 MHz)±0.005 MHz的發(fā)射信號(hào)，隨后混頻輸出調(diào)制信號(hào)，中放,由A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行解調(diào)，完成數(shù)字解析，送到PC上顯示及打印測試結(jié)果；同時(shí)，該讀碼器與手機(jī)無線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP瀏覽和EPIRB的各種性能指標(biāo)查看，分析其參數(shù)，判斷EPIRB是否正常工作，從而確保船舶安全航行。圖3和圖4分別為船用EPIRB讀碼設(shè)備整體框圖及電路圖。

2.3核心電路板的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)思路進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并根據(jù)性能要求研發(fā)出模板;船用EPIRB讀碼設(shè)備的作用是接收EPIRB發(fā)送的信號(hào)，完成有關(guān)檢測工作。信號(hào)測試儀基于中頻軟件無線電技術(shù)，采用數(shù)字化方案，在中頻上對信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，采用ARM完成后續(xù)的頻率測量、信號(hào)解調(diào)和協(xié)議解析工作。船用EPIRB讀碼設(shè)備整體電路圖見圖5，主要由中頻接收、數(shù)據(jù)采集及基于ARM實(shí)現(xiàn)的信號(hào)載頻測量、解調(diào)與協(xié)議解析等3部分組成。[5]

圖3 船用EPIRB讀碼設(shè)備整體框圖

圖4 船用EPIRB讀碼設(shè)備電路圖

圖5 船用EPIRB讀碼設(shè)備整體電路圖

3 EPIRB讀碼設(shè)備硬件設(shè)計(jì)效果圖

經(jīng)過理論分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在考慮海上復(fù)雜環(huán)境條件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)滿足EPIRB讀碼設(shè)備要求的設(shè)備，其外形見圖6。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多次使用和驗(yàn)證，結(jié)果表明，按照上述主要電路設(shè)計(jì)的讀碼器能正常穩(wěn)定工作。利用EPIRB真機(jī)讀碼的效果圖見圖7。

圖6 EPIRB讀碼設(shè)備外形

圖7 利用EPIRB真機(jī)讀碼的效果圖

4 結(jié)束語

將設(shè)計(jì)的船用EPIRB讀碼設(shè)備提供給船舶駕駛員使用，可通過手機(jī)APP查看EPIRB的性能，主要包含信號(hào)的高精度測頻、硬件設(shè)備和樣機(jī)的工作效能分析。EPIRB信號(hào)解調(diào)后的數(shù)據(jù)解譯可根據(jù)EPIRB數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行。設(shè)計(jì)方案簡單清晰，對硬件的要求相對較低，主要測量工作均由軟件算法實(shí)現(xiàn)，無實(shí)時(shí)性要求，具有較高的可行性?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)設(shè)備的樣機(jī)初步使用，樣品性價(jià)比高，穩(wěn)定可靠，能解決長期存在的保持EPIRB可靠性的難題，其作用已得到船員、海事檢查部門和通導(dǎo)行業(yè)人員的肯定。此外，在EPIRB誤報(bào)警時(shí),船舶駕駛員可通過船用EPIRB讀碼設(shè)備主動(dòng)檢測、及時(shí)處理，防患于未然，避免因此造成嚴(yán)重后果。

[1] 金光，常滿文，姜弢.嵌入式EPIRB檢測儀的GUI設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科技，2010，37(2)：48-51.

[2] 彭曉星.GMDSS系統(tǒng)存在問題及應(yīng)對措施 [J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào),2008,29(1):37-40.

[3] 祁德桂，常滿文，鄭志，等.基于ZEVIO1030的EPIRB檢測儀設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),2010(5):46-48.

[4] 中國交通信息中心.衛(wèi)星應(yīng)急無線電示位標(biāo)性能要求： GB 14391—1993[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

[5] 李仕桂.EPIRB檢測儀的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

DesignofNewShipborneEPIRBDecoder

PENGXiaoxing1，ZHOUMeiqing1，QIANLijun2

(1.Zhejiang International Maritime College,Zhoushan 316021,China;2.Ningbo Rayoung Electronics Co.,Ltd.,Ningbo 315100,China)

It is not uncommon that an EPIRB (Emergency Position Indicating Radio Beacon) produces false alarms or has frequency deviation,poor equipment battery power,poor watertight,etc.Testing and routine inspection by crew can not ensure the reliability of the equipment,and the professional inspections with special instruments are normally conducted by radio inspection agencies on the annual bases,which is not frequent enough for practical operation.A new shipborne EPIRB decoder for testing EPIRB equipment is proposed.The decoder receives the EPIRB 406 MHz signal,converts it into the intermediate frequency digital signal,and then demodulates and decodes with a single chip microcomputer.A PC computer can be connected to the decoder via a RS232 serial port to check the transmitted frequency and MMSI (Maritime Mobile Service Identity,MMSI) and other parameters.The decoder can also output test data to mobile phones via the wireless link and display them by means of a mobile phone APP.Practical tests prove that the new device is easy to use and cost-effective and suitable for routine use on board.The decoder will be the tool for handling the potential safety trouble caused by the EPIRB unreliability,which has been recognized by the industry.

ship engineering; EPIRB；inspection；decoder；design

U675.7

A

2017-02-27

2016年度浙江省高等學(xué)校訪問工程師項(xiàng)目(FG2016177)

彭曉星 (1972—),男,湖南岳陽人，副教授，碩士，從事船舶通信導(dǎo)航研究。 E-mail:pxx@post.zimc.cn

1000-4653(2017)02-0011-03