● 文|北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 衛(wèi)星與無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗(yàn)室 鄭晴 王冰 程宇新 吳建軍
全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)及其發(fā)展現(xiàn)狀
● 文|北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 衛(wèi)星與無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗(yàn)室 鄭晴 王冰 程宇新 吳建軍
2014年,馬航失聯(lián),韓國(guó)渡輪悲劇,克利伯環(huán)球帆船賽男子落水事件,Cheeki Rafiki游艇4名英國(guó)水手失去生命,華盛頓Mt. Rainier 6名登山者失蹤,這些僅僅是海陸空緊急危險(xiǎn)事故的冰山一角。平均每年有40萬(wàn)人落水而亡,2萬(wàn)多漁民遇難,更有超過(guò)700人在空難中去世,因此,有效的搜救系統(tǒng)——如何更快定位危險(xiǎn)信標(biāo),如何快速調(diào)度救援團(tuán)隊(duì),如何救出更多的人,顯得尤為重要。發(fā)展日趨成熟的衛(wèi)星搜索與救援系統(tǒng)(Search and Rescue,SAR),利用衛(wèi)星來(lái)探測(cè)來(lái)自海上、空中和地面示位標(biāo)發(fā)出的遇險(xiǎn)信號(hào),從而達(dá)到快速確定目標(biāo)位置并進(jìn)行救援的目的。
本文對(duì)衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的現(xiàn)狀,中軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的引入發(fā)展與技術(shù)體制以及下一代衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)介。
由加拿大、法國(guó)、美國(guó)和蘇聯(lián)聯(lián)合發(fā)起成立的全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)(COSPAS-SARSAT)是國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司推行的全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System,GMDSS)的重要組成部分。自1982年以來(lái),該系統(tǒng)已經(jīng)成功救援眾多遇險(xiǎn)人員,僅2010年一年間,就救援了2338人。世界各地的軍事和民用SAR組織通過(guò)該系統(tǒng),與在危急事故中被激活的示位信標(biāo)、發(fā)射機(jī)或者其他定位裝置進(jìn)行通信。
系統(tǒng)具體工作流程如下:當(dāng)危險(xiǎn)事故發(fā)生時(shí),遇險(xiǎn)示位標(biāo)(包括航空用應(yīng)急示位發(fā)射機(jī)ELT、航海用應(yīng)急無(wú)線(xiàn)電示位標(biāo)EPIRB和個(gè)人位置示位標(biāo)PLB)人工或者自動(dòng)激活(信標(biāo)激活可以存活48小時(shí)),發(fā)送遇險(xiǎn)報(bào)警信號(hào),經(jīng)由搜救衛(wèi)星變頻轉(zhuǎn)發(fā)后,由遍布全球的衛(wèi)星地面信號(hào)接收站或稱(chēng)本地用戶(hù)終端(LUT)接收并計(jì)算出遇險(xiǎn)目標(biāo)的位置,將信標(biāo)的報(bào)警數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)信息轉(zhuǎn)發(fā)給任務(wù)控制中心(MCC),MCC收集、整理、儲(chǔ)存和分類(lèi)從用戶(hù)終端與其他控制中心送來(lái)的數(shù)據(jù),過(guò)濾虛假報(bào)警信息,將正確的報(bào)警或定位信息發(fā)送給搜救調(diào)度中心(RCC),RCC將進(jìn)行真正的海陸空搜救工作。
COSPAS-SARSAT組織主要通過(guò)低極軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)(LEOSAR)和對(duì)地靜止軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)(GEOSAR)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。LEOSAR系統(tǒng)采用多普勒效應(yīng)的原理來(lái)計(jì)算遇險(xiǎn)目標(biāo)的位置。舉例來(lái)說(shuō),應(yīng)急無(wú)線(xiàn)電示位標(biāo)發(fā)射406MHz的信號(hào),功率輸出為5W,示位標(biāo)信號(hào)包括用戶(hù)名稱(chēng)、國(guó)籍和類(lèi)型(海上、航空和地面)等信息。衛(wèi)星接收、處理、存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)該信號(hào)給地面接收站。處理信號(hào)時(shí),示位標(biāo)在地面靜止不動(dòng),用準(zhǔn)確的406MHz發(fā)射信號(hào),衛(wèi)星接收到的信號(hào)頻率高或低于該頻率,這取決于衛(wèi)星的速度方向。如果衛(wèi)星軌道、信標(biāo)頻率和衛(wèi)星接收到的多普勒頻移已知,就可以確定示位標(biāo)的位置。GEOSAR因?yàn)镚EO衛(wèi)星相對(duì)遇險(xiǎn)目標(biāo)是靜止的,所以GEOLUT不采用多普勒效應(yīng),而是用信號(hào)自身攜帶的信息完成定位。LEO、GEO的上行頻率分別為406.05MHz、406.025MHz,下行頻率均為L(zhǎng)頻點(diǎn)1544.1MHz,這些均為國(guó)際電聯(lián)規(guī)定的專(zhuān)用搜救頻點(diǎn),其他系統(tǒng)不得使用。
遇險(xiǎn)示位標(biāo)使用的頻率有:121.5/243MHz、406MHz兩種。121.5/243MHz的示位標(biāo)內(nèi)部沒(méi)有登記信息,造成虛假報(bào)警事件太多,為規(guī)范系統(tǒng)運(yùn)營(yíng),國(guó)際搜救衛(wèi)星組織決定到2009年終止對(duì)121.5/243MHz的示位標(biāo)業(yè)務(wù),要求全球所有航空器、船舶、陸地用戶(hù)必須裝備統(tǒng)一的406MHz示位標(biāo)。遇險(xiǎn)報(bào)警信號(hào)以下行L頻段1544.1MHz實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給本地用戶(hù)終端進(jìn)行處理。
因該系統(tǒng)被全球超過(guò)43個(gè)國(guó)家采納,衛(wèi)星覆蓋范圍廣,報(bào)警探測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,信息分布處理,COSPASSARSAT已經(jīng)成為最重要的全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)。目前,LEOSAR衛(wèi)星系統(tǒng)主要由美國(guó)提供的5顆和俄羅斯提供的2顆低極軌道衛(wèi)星組成,GEOSAR系統(tǒng)主要由美國(guó)和印度提供的5顆靜止軌道衛(wèi)星組成。LEOSAR因軌道低,單顆衛(wèi)星覆蓋面積小,遇險(xiǎn)目標(biāo)等待時(shí)間長(zhǎng),GEOSAR軌道高,傳輸時(shí)延大,因此尋求下一代衛(wèi)星搜救系統(tǒng)就顯得極為迫切。
目前全球搜救系統(tǒng)正在通過(guò)在中軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)(MEOSAR)中部署搜救接收機(jī)(比如中繼器或轉(zhuǎn)發(fā)裝置)進(jìn)行升級(jí)。中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)主要包括美國(guó)運(yùn)營(yíng)的GPS,俄羅斯GLONASS,2012年10月開(kāi)始發(fā)射的歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星Galileo。2014年2月,COM DEV國(guó)際公司已成功完成中軌道衛(wèi)星搜索和救援(MEOSAR)項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)評(píng)審(PDR),這是MEOSAR項(xiàng)目里程碑的一步。2013年3月,COM DEV拿到了加拿大國(guó)防部關(guān)于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)MEOSAR中繼器價(jià)值470萬(wàn)美元的合同。加拿大計(jì)劃將MEOSAR中繼提供給美國(guó),美國(guó)將之整合為下一代GPS星座的有效載荷。該MEOSAR項(xiàng)目工作正于劍橋和渥太華的公司緊張進(jìn)行中。
COSPAS-SARSAT在已有的衛(wèi)星系統(tǒng)GEOSAR、LEOSAR的基礎(chǔ)上引入MEOSAR,在示位標(biāo)、空間站、地面站各個(gè)方面進(jìn)一步完善了全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)體制。
1.MEOSAR的優(yōu)勢(shì)
當(dāng)前LEOSAR和GEOSAR系統(tǒng)有各自的缺陷。GEOSAR系統(tǒng)除了高緯度(如極地)地區(qū)外可連續(xù)地覆蓋整個(gè)地球,但前提條件是信標(biāo)位置信息經(jīng)過(guò)編碼。LEOSAR系統(tǒng)可以在沒(méi)有GPS或其他導(dǎo)航信號(hào)幫助下定位信標(biāo),但在任何給定的時(shí)間,LEOSAR衛(wèi)星僅能覆蓋地球一小部分,所以接收到的求救信號(hào)有可能延遲。
與目前COSPAS-SARSAT 已經(jīng)運(yùn)行的12顆衛(wèi)星形成對(duì)比,2018年中軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)完備部署后,MEOSAR將會(huì)包含72顆MEOSAR衛(wèi)星。屆時(shí),全球衛(wèi)星覆蓋范圍廣,而且能實(shí)現(xiàn)目前及下一代應(yīng)急示位標(biāo)的近乎連續(xù)時(shí)間的探測(cè)及定位。表1總結(jié)了MEOSAR相對(duì)于目前COSPAS-SARSAT衛(wèi)星系統(tǒng)的幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。
表1 LEOSAR、 GEOSAR和 MEOSAR的對(duì)比
MEOSAR需要至少3顆獨(dú)立衛(wèi)星傳遞的示位標(biāo)信息來(lái)確定示位標(biāo)的經(jīng)度、緯度和高度。未來(lái)計(jì)劃72顆衛(wèi)星在軌時(shí),本地用戶(hù)終端幾乎能在連續(xù)時(shí)間捕捉到3顆獨(dú)立衛(wèi)星的信號(hào),而LEOSAR因衛(wèi)星覆蓋不全,本地用戶(hù)終端捕捉到信號(hào)需要46min到100min。大部分MEOSAR本地用戶(hù)終端需要4~6根天線(xiàn),用以捕捉至少3個(gè)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)而確定示位標(biāo)的位置。多天線(xiàn)的系統(tǒng)可以保證即使1根天線(xiàn)在修理,仍然有足夠天線(xiàn)可用,進(jìn)而提高系統(tǒng)的可用性。此外,MEOSAR本地用戶(hù)終端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也增加了全球?qū)崟r(shí)覆蓋。舉例來(lái)說(shuō),如果位于大西洋中央的示位標(biāo)被激活,而美國(guó)本地用戶(hù)終端只有2根天線(xiàn)覆蓋了那個(gè)區(qū)域,那么應(yīng)該怎樣確定示位標(biāo)的信息?這種情形下,美國(guó)本地用戶(hù)終端的兩個(gè)數(shù)據(jù)與歐洲本地用戶(hù)終端的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái),便可確定示位標(biāo)信息的第三個(gè)參數(shù),從而確定示位標(biāo)的確切位置。
2. MEOSAR發(fā)展規(guī)劃及應(yīng)用
COSPAS-SARSAT理事會(huì)規(guī)定,MEOSAR系統(tǒng)主要通過(guò)五個(gè)階段實(shí)現(xiàn):①定義和開(kāi)發(fā)階段;②概念證明(POC)/在軌驗(yàn)證(IOV)階段;③演示與評(píng)估(D&E)階段;④初步運(yùn)營(yíng)(IOC)階段; ⑤全運(yùn)營(yíng)階段。定義和開(kāi)發(fā)階段是指空間段中軌道全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)完成。美國(guó)從2001年到2010年底,陸續(xù)發(fā)射了9顆搭載S頻段下行搜救載荷的GPS衛(wèi)星(DASS),歐盟和俄羅斯也在Galileo以及GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)上開(kāi)展MEOSAR驗(yàn)證工作。在2013年年初,全球搜救衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)入了一個(gè)MEOSAR D&E階段,并從可靠性和精確度證明MEOSAR業(yè)績(jī)符合預(yù)期的期望。2015年之后,全球搜救衛(wèi)星系統(tǒng)將進(jìn)入MEOSAR IOC階段;當(dāng)MEOSAR衛(wèi)星和委托地面站可提供全球性、實(shí)時(shí)覆蓋時(shí),MEOSAR系統(tǒng)將進(jìn)入FOC階段。圖1為MEOSAR發(fā)展規(guī)劃圖。
圖1 MEOSAR發(fā)展規(guī)劃
下一代衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的應(yīng)用關(guān)鍵是整合。SAR產(chǎn)品/技術(shù)和工藝整合到應(yīng)用中,如船隊(duì)管理/船舶交通管理,以及交通工具監(jiān)控等多個(gè)行業(yè),也正在成為整合發(fā)展伙伴關(guān)系的催化劑。船隊(duì)管理軟件可以識(shí)別406MHz遇險(xiǎn)信標(biāo)技術(shù)和SAR自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)的危急事件,緊急情況下,將允許運(yùn)營(yíng)商工作船商業(yè)捕魚(yú)船隊(duì)和內(nèi)河運(yùn)輸公司簡(jiǎn)化操作或者挽救生命。在商業(yè)航運(yùn)業(yè)中,SAR整合到海域感知(MDA)的應(yīng)用創(chuàng)造了新一代的e-海事解決方案。
TSi公司,被地面站基礎(chǔ)設(shè)施的全球前兩大供應(yīng)商之一馬克默多集團(tuán)(McMurdo Group)收購(gòu),于2015年1月13日宣布,已由塞浦路斯、文萊、阿根廷和美國(guó)航空航天局選定部署SAR的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施解決方案和下一代MEOSAR系統(tǒng),共計(jì)近500萬(wàn)歐元。主要包括在南美洲部署6通道MEOSAR系統(tǒng),在美國(guó)部署2通道MEOSAR系統(tǒng)作為擴(kuò)展,為歐洲和亞洲搜救機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)救援協(xié)調(diào)中心軟件,這些都更加促進(jìn)MEOSAR的整合應(yīng)用。
本文介紹了全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)(COSPAS-SARSAT)的發(fā)展動(dòng)態(tài),具體描述了中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、發(fā)展規(guī)劃、應(yīng)用前景和技術(shù)細(xì)節(jié)。一方面,我國(guó)的遠(yuǎn)洋、漁業(yè)急需衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的支持;另一方面,我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也逐漸發(fā)展成熟,具有全球的定位授時(shí)功能,而且定位精度高。充分利用我國(guó)對(duì)衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的迫切需求及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的成熟契機(jī),積極參與全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)及活動(dòng),并大力發(fā)展我國(guó)的衛(wèi)星搜救系統(tǒng),具有很大的意義。
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