梁峰

摘 要 隨著美國海岸警衛隊近海與內陸通航水道搜救系統Rescue 21的順利實施，海岸警衛隊的任務執行能力獲得實質性提升，水上/海上搜救能力躍上一個新臺階。本文對Rescue 21系統的研制背景、發展歷程以及遇險報警信號的檢測與測向技術進行分析和闡述，為我國相關職能部門的搜救系統和能力建設提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞： 美國海岸警衛隊 海上搜救 Rescue 21 測向

1 前言

成立于1915年的美國海岸警衛隊（United States Coast Guard，USCG）是美國本土安全保護的關鍵力量，隸屬于國土安全部（DHS），是美國五大武裝力量之一，致力于保護公眾、環境、美國經濟利益以及海域內的國家安全。平時負責美國沿海水域和航道的執法、水上安全、遇難船只及飛機的救助、污染控制等任務。戰時歸美國海軍指揮，是海軍的一個高度專業化的組成部分，承擔諸如海岸防衛、港口保衛、警戒護航、海上搜救等系列軍事任務，有時也會直接參與作戰行動。

根據海岸警衛隊官方統計[1]，截至2016年10月，海岸警衛隊成員人數超過56000，志愿者超過31000人，擁有243艘各型艦船、201架各型固定翼飛機和直升機以及1650艘小型巡邏艇、救生艇。負責兩大管轄區（太平洋轄區和大西洋轄區，分成9個責任區）沿海和內陸通航水道（總長度超過10萬英里）的安全和保護，在全國部署了35個基地，6個后勤保障中心。

在海岸警衛隊眾多任務中有一項比較常見但很重要，即水上/海上搜救。USCG規定：負有搜救職責的救助單元在接到遇險通知后30分鐘內，將所有搜救資源準備就緒。搜救力量從開始行動到抵達遇險現場所用的時間不超過90分鐘，總的應急響應時間不超過2小時。根據官方統計[2]，2018年海岸警衛隊平均每天執行44起搜救任務，挽救12條生命，救助60余人。相應的搜救系統和裝備發揮了重要作用，其中就包括Rescue 21救援系統。

本文將對Rescue 21救援系統的研制背景、發展歷程以及遇險報警信號的檢測與測向技術進行分析和總結，為我國相關搜救職能部門的搜救體系和系統能力建設提供有益的參考和借鑒。

2 Rescue 21系統研制背景

1995年7月，USCG實施一項計劃，通過對已有近30年歷史的國家災害和應對系統（National Distress and Response System，NDRS）所使用的技術進行現代化改造，實現21世紀救援計劃。當時項目名稱叫NDRS現代化計劃（NDRSMP），后于2002年9月改名為Rescue 21（得名于Rescue System for 21th Century）[3]。

建于上世紀70年代的NDRS系統原是USCG對遇險求救信號進行測向定位的無線電搜救系統，通過NDRS系統可對在95000英里長的海岸線（近海）和內陸水路上開展的搜救行動進行輔助和協調。由于技術原因，NDRS系統存在一些不足：通信距離約20海里（即能覆蓋海區A1，該區域指至少由一個具有連續數字選擇呼叫報警能力的甚高頻（VHF）岸臺無線電話所覆蓋的區域），存在一定的覆蓋盲區，約占整個海岸線的14%；不具備測向能力，該能力對遇險求救信號的位置確定非常關鍵；不具備數字選呼（DSC）功能；與其它通信系統的兼容能力較弱；缺乏保密通信手段。此外，經過20多年的使用，NDRS系統設備運營維護費用較高，且難以進行功能升級。

為此，USCG計劃利用Rescue 21系統將覆蓋盲區減少到2%以下，并能快速檢測和定位遇險求救信號，有效提高USCG的應急響應能力。

Rescue 21系統不僅用于USCG的搜救任務，亦可支持USCG包括國土安全在內的其它任務，進一步完善美國海岸水域和通航河道及湖泊的報警系統，相當于USCG版911報警系統，如圖1所示[4-5]。

   

圖1 Rescue 21救援系統

3 Rescue 21系統發展歷程

2002年9月24日，USCG將一份價值6.11億美元（1999年的預算費用為2.5億美元，后來由于2003成立了國土安全部DHS，任務要求有所調整，預算增加到2006年的7.302億美元[6]）的合同授予亞利桑那州蘇格茨德利的通用動力決策系統公司（GDDS），用于建設Rescue 21系統。

原計劃Rescue 21建設過程分成兩步：2003年9月完成2個地點Rescue 21設備的建設，并達到基本功能狀態（IOC）。實際上后來推遲到2005年12月20日才達到預期目標；2006年9月完成其它地點的Rescue 21系統建設，后延遲到2013年8月將設備交付給USCG。

后來Rescue 21系統建設分成兩個階段實施：完成美國大陸及相關島嶼的沿海通信鐵塔的建設；完成美國內陸通航水道、湖泊及阿拉斯加地區的通信鐵塔的建設。

2015年2月3日，隨著沿海最后一座通信鐵塔投入使用，標志著Rescue 21系統建設的第一階段正式完成，總計258座鐵塔，覆蓋沿海26萬平方海里（約89萬平方公里）。

隨后不久USCG啟動Rescue 21系統第二階段建設。2015年7月6日，USCG將一份價值890萬美元的合同授予“Eyak Technology”公司，用于生產用于密西西比河、密蘇里河和俄亥俄河谷沿線的47座基站鐵塔的通信設備（USCG稱之為西部河流區域）；7月14日，USCG將另一份價值960萬美元的合同授予通用動力旗下的“One Source”公司，用于升級阿拉斯加州的30座基站鐵塔的相關設備。

2016年10月13日，通用動力任務系統公司（GDMS）宣布獲得USCG授予的一份金額1.256億美元的合同，用于提供Rescue 21項目管理、系統支持與維護以及對海岸警衛隊“通信、指揮與控制工程中心”持續的技術支持。合同為期36個月，從2016年9月延續至2019年8月。

2017年5月2日，USCG開始有條件地在上密西西比河責任區（AoR）運行Rescue 21系統，該區覆蓋7個州，即威斯康辛州、伊利諾斯州、明尼蘇達州、愛荷華州、密蘇里州、內布拉斯加州和堪薩斯州。5月23日在下密西西比河責任區、5月31日在俄亥俄河谷責任區運行Rescue 21系統。

由于阿拉斯加地區的極端氣候條件和后勤維護困難，相應的Rescue 21系統建設進度較慢，如圖2所示。2017年10月10日，USCG接收阿拉斯加地區最后一座基站鐵塔，標志著歷時超過20年的Rescue 21系統研發與建設的最終完成。

Rescue 21系統基本分布如圖3所示[7]，不同地區Rescue 21通信鐵塔的覆蓋范圍可以參見官方網站[8]。

   

圖2 阿拉斯加州的Rescue 21通信鐵塔

   

圖3 Rescue 21系統部署示意圖

4 Rescue 21系統概述

4.1 Rescue 21基本功能

Rescue 21系統包括VHF-FM電臺、通信鐵塔（總計335座，其中沿海258座，內陸河流與湖泊47座，阿拉斯加地區30座，通常高300～400英尺）和相應的通信中心（46個），主要用于監測來自遇險艦船的求救信號，組織協調搜救行動以及相應的指揮與控制任務。

與NDRS系統相比，Rescue 21性能得到跨越式提升[7]，包括：

通信覆蓋盲區從14%降低到10%（原計劃降低到2%）；

利用DSC和測向技術實現遇險目標船只的定位；

實現USCG對移動船只的實時跟蹤；

能夠與其它通信系統和應急系統進行互聯互通；

提供敏感信息的保密通信；

能夠同時實現話音和數據傳輸；

能夠在多個頻率上同時進行信號監測和中繼；

海事緊急信息的自動廣播發送。

NDRS與Rescue 21系統的基本能力對比如表1所示。

表1 NDRS與Rescue 21的能力對比

     

4.2 Rescue 21測向能力

測向定位功能是Rescue21的特色和核心。與NDRS系統相比，Rescue21的測向定位能力更強，具有更高的定位精度（測向精度可達2°(RMS)）和可靠性。2014年 7月，USCG對 Rescue 21系統進行了性能測試，結果發現：在救生電臺1W發射功率情況下，海岸線20英里范圍內，Rescue 21能夠提供90%的測向覆蓋和94%的話音與DSC通信覆蓋。如果發射功率更高，覆蓋率可達到95%。此外，測試結果表明Rescue 21的可靠性很高，超過99%。基于通信鐵塔接收天線的測向定位示意圖如圖4所示[6]。

根據Hebert的實際調查[9]，Rescue 21通信鐵塔上的天線采用德國Rohde &Schwarz公司研制的多信道陣列測向天線—R&S?ADD050SR超分辨率VHF測向天線，如圖5所示。

根據R&S?ADD050SR數據手冊[10]，該測向天線陣采用9根天線，基于相關干涉測向原理，在20～450 MHz范圍內的測向誤差不大于2°(RMS)，能達到國際電信聯盟（ITU）推薦標準的A級測向精度，測向誤差如圖6所示。R&S?ADD050SR測向天線內部配備了有效的、可擴展的防雷保護，不會對測向精度造成影響。

   

圖4 Rescue 21系統的側向定位與救援流程示意圖

   

圖5 Rescue 21鐵塔測向天線和ADD050SR測向天線

   

圖6 R&S ADDxSR天線的測向精度

4.3 Rescue 21信號檢測能力

由于搜救任務的特殊性，執行海上搜救任務的使用成本很高，如救援飛機HC-130J的使用成本為15000美元/小時、救援直升機MH-60T(Jayhawk)為10000美元/小時、救援船只(45-foot Response Boat-Medium)為5000美元/小時，惡意報假警的行為將會受到嚴懲。按照聯邦法律（14 US Code &88）[11]，將會面臨最高6年的牢獄、25萬美元的刑事罰款、5000美元的民事罰款以及付還因為救援活動帶來的相關費用。

為了盡可能降低虛假報警信號（由于各種原因會導致遇險求救信號的虛警率較高），節約寶貴的救援資源和時間，以及高昂的救援費用。2017年上半年，位于康涅狄格州的USCG研發中心開發出一種檢測虛假報警信號的方法，結合測向技術（與海軍水面作戰中心NSWC的Carderock分部合作）、語音分析技術（與卡耐基.梅隆大學合作），能夠快速準確識別虛假報警信號，如圖7所示。

   

圖7 Rescue 21系統的虛假報警信號檢測與定位

4.4 Rescue 21系統實施效果

在Rescue 21正式提供服務之前的2005年11月13日，Rescue 21首次成功完成了一次搜救任務（巴爾的摩地區），顯示出較好的性能。

Rescue 21自2006年開始正式提供服務以來，至2011年1月，提供超過21270起救援服務。至2015年1月15日，提供75000起救援服務。至2016年1月15日，提供85167起救援服務。至2017年10月，提供超過98000起救援服務。至2018年2月，提供超過10萬起救援服務[12]。

在2010年6月16日至2016年1月15日期間，Rescue 21平均提供每月1074、每天36起救援服務，在生命安全方面發揮了巨大作用。2016年，挽回經濟損失6300萬美元。2017年，挽回經濟損失2000萬美元。

典型案例[13]：1名漁民在海上失蹤12天獲救。該漁民的電臺天線在風暴中損壞，絕望之下，他用金屬晾衣架來替代電臺天線，想盡辦法發出時長極短的遇險信號，由于信號太弱，USCG瞭望塔值班人員無法定位。不過該信號被幾個Rescue 21系統信號塔收到，利用測向技術準確判斷出遇險地點，USCG協調遇險地點附近的海軍艦船，順利救出該名漁民。

5 結語

隨著美國海岸警衛隊Rescue 21系統的順利實施，USCG的任務執行能力獲得實質性提升。在Rescue 21系統的加持下，USCG的水上/海上搜救能力得到空前增強，借助先進計算機網絡技術、通信技術、無線電測向技術和語音分析識別技術，能夠快速準確檢測定位遇險目標，甄別虛假求救信號，及時高效協調搜救行動，在降低搜救費用、挽救生命和減少財產損失方面做出巨大貢獻。Rescue 21搜救系統的成功實施可以為我國相關職能部門的搜救系統和能力建設提供有益的參考和借鑒。

參考文獻

[1] U.S. COAST GUARD OVERVIEW,OCTOBER 2016.

[2] UNITED STATES COAST GUARD，2019.

[3] New Communication System to Support Search and Rescue Faces Challenges. GAO-03-1111,September 2003 .

[4] https://www.dhs.gov/publication/dhsuscgpia-021-rescue-21.

[5] http://www.dcms.uscg.mil/Our-Organization/Assistant-Commandant-for-Acquisitions-CG-9/Programs/C4ISR-Programs/Rescue-21/.

[6] Improvements Needed in Management and Oversight of Rescue System Acquisition. GAO-06-623，May 2006.

[7] https://gdmissionsystems.com/en/communications/rescue-21.

[8] https://www.navcen.uscg.gov/?pageName=mtNds.

[9] http://continuouswave.com/whaler/reference/Rescue21Stations.html.

[10] R&S?ADDxMultichannel DF AntennasProduct overview. Datasheet.

[11] https://codes. fi ndlaw.com/us/title-14-coast-guard/.

[12] https://www.prnewswire.com/news-releases/rescue-21-system-passes-100000-search-and-rescue-missions-300592635.html.

[13] https://www.dcms.uscg.mil/Our-Organization/Assistant-Commandant-for-Acquisitions-CG-9/Newsroom/R21_103117/.

Review of United States Coast Guard’s Rescue System

LIANG Feng

Abstract: United States Coast Guard has greatly enhanced its maritime search and rescue capability with the fully construction of Rescue 21 system. This paper analyzes the research background, development history, and detection and direction- fi nding technology, which will provide useful reference for search and rescue system and capacity building in China’s maritime rescue center.

Key words: United States Coast Guard; maritime search and rescue; Rescue 21; direction fi nding

作者單位：西安烽火電子科技有限責任公司