摘 要：2014年3月8日馬航MH370失蹤的悲劇引起了人們深刻的反思，馬航的搜救為何如此困難？我們都知道，當(dāng)飛機(jī)在天上時(shí)，還能通過(guò)雷達(dá)來(lái)進(jìn)行搜尋，但若是飛機(jī)已經(jīng)墜毀，雷達(dá)自然不可能發(fā)現(xiàn)飛機(jī)的蹤跡。一般來(lái)說(shuō)，海上搜救的主力是艦船，但姑且不論大面積的撒網(wǎng)搜救需要可觀的財(cái)力物力，在搜救過(guò)程中更會(huì)遇到重重困難，從海下看，熱帶海域海水下有熱帶環(huán)流，對(duì)于搜救是不利的；從海面看，常有大風(fēng)大浪，甚至是9級(jí)以上風(fēng)浪，這樣的情況，對(duì)于海上軍艦搜救更是巨大的阻礙。馬航的搜救便如同大海撈針一般困難。然而，衛(wèi)星不但搜索面積廣，而且自然環(huán)境的因素對(duì)衛(wèi)星的搜救尤其是遙感衛(wèi)星的影響相對(duì)較小，同時(shí)現(xiàn)在全球有1100顆人造衛(wèi)星在不同軌道中運(yùn)行，調(diào)用很方便，效率高等多方面有事。因此，衛(wèi)星通信在馬航的搜救中起到了至關(guān)中要的作用。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；搜救；馬航

中圖分類號(hào)：TN927.2

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本概念

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是衛(wèi)星通信是地球上多個(gè)地球站（包括陸地、水面和大氣層）利用空中人造通信衛(wèi)星作為中繼站而進(jìn)行的無(wú)線電通信。人造衛(wèi)星按軌道可分為三種類型：低軌道衛(wèi)星（<5000km）運(yùn)行周期2-4小時(shí)、中軌道衛(wèi)星（5000km到20000km）運(yùn)行周期4-12小時(shí)、高軌道衛(wèi)星（大于20000km）運(yùn)行周期12小時(shí)以上。同步衛(wèi)星（35860km）也稱靜止衛(wèi)星，其軌道在赤道平面上，高度約為35786.6km，其運(yùn)行方向和運(yùn)行周期（24小時(shí)）都與地球自轉(zhuǎn)相同。地球站由天線、發(fā)射、接受、終端分系統(tǒng)及電源、監(jiān)控和地面設(shè)備組成，主要作用是發(fā)射和接受用戶信號(hào)。典型的衛(wèi)星通信地球站的基本組成包括：天線系統(tǒng)、高功率發(fā)射系統(tǒng)、低噪聲接收系統(tǒng)、信道終端系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)用戶間通信，還需有地面接口系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)和信息交換中心。衛(wèi)星通信主要的通信體質(zhì)：多址分配，主要分為頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）。目前的衛(wèi)星通信多采用頻分多址技術(shù)，在微波頻帶，通信衛(wèi)星的工作頻帶占500MHz寬度，為便于放大和發(fā)射以及減少變調(diào)干擾，一般在星上設(shè)置若干個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器。每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器被分配一定的工作頻帶。不同的地球站占用不同的頻率，比較適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)大容量的通信。時(shí)分多址即多個(gè)地球站占用同一頻帶，但占用不同的時(shí)隙。與頻分多址相比，時(shí)分多址技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生互調(diào)干擾、適合數(shù)字通信、可根據(jù)業(yè)務(wù)量的變化按需分配傳輸帶寬。碼分多址是不同的地球站占用同一頻率和同一時(shí)間，但利用不同的隨機(jī)碼對(duì)信息進(jìn)行編碼來(lái)區(qū)分不同的地址。碼分多址采用了擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、有較好的保密通信能力、可靈活調(diào)度傳輸資源等優(yōu)點(diǎn)。它比較適合于容量小、分布廣、有一定保密要求的系統(tǒng)使用。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn)

20世紀(jì)90年代中后期，在數(shù)字技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，衛(wèi)星通信技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。與其他通信技術(shù)相比，衛(wèi)星通信有著與眾不同的特點(diǎn)：

2.1 通信距離遠(yuǎn)，切通信費(fèi)與距離無(wú)關(guān)

衛(wèi)星就是利用距地球三萬(wàn)六千公里的高空的人造衛(wèi)星作為中繼站的一種通信形式。由此可知，衛(wèi)星的通信的距離很遠(yuǎn)，但是其總通信成本卻相對(duì)低廉，所耗資金少，并且隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的設(shè)計(jì)和工藝的發(fā)展，成本將會(huì)進(jìn)一步降低。

2.2 覆蓋面積巨大

一顆同步衛(wèi)星就能覆蓋約地球面積的三分之一，三顆同步衛(wèi)星就能將除南北極以外的地區(qū)全部覆蓋到，覆蓋面積相當(dāng)于三百多個(gè)微波中繼站，在海、陸、空三個(gè)領(lǐng)域的車、船、飛機(jī)等移動(dòng)通信中也在逐步發(fā)展，并且將是我們今后研究的方向。中低軌道通信衛(wèi)星的系統(tǒng)解決了個(gè)人手機(jī)移動(dòng)通信，較著名的“依星”系統(tǒng)、“全球星系統(tǒng)”等。這些系統(tǒng)用十幾顆中低軌道衛(wèi)星把整個(gè)地球表面覆蓋起來(lái)，就像是掛在天上的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，但是每顆衛(wèi)星的覆蓋面積要比地面蜂窩移動(dòng)通信小區(qū)系統(tǒng)的一個(gè)基站要大的多，并且無(wú)論是人煙稀少的山區(qū)、海洋或是沙漠、海島，都能覆蓋到，這一特點(diǎn)使衛(wèi)星成為海上搜救必不可少的方法。

2.3 通信頻道寬，傳輸容量大

衛(wèi)星通信工作再微波頻段，可利用的頻率帶寬達(dá)到500MHZ以上。一顆人造衛(wèi)星，可攜帶幾個(gè)到十個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器可供幾路電視如果用上頻分多址、時(shí)分多址以及碼分多址等接入方式，就能達(dá)到成千上萬(wàn)路電話的使用。一顆人造衛(wèi)星，可攜帶幾個(gè)到十個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器可供幾路電視。

2.4 機(jī)動(dòng)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)

地球站的建立很靈活，在各種環(huán)境的條件下都能建立。衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸同樣也很靈活，它既可以實(shí)現(xiàn)陸地上兩點(diǎn)間的通信，也能實(shí)現(xiàn)船與船、船與陸地、空中與陸地之間的通信，由此形成了一個(gè)多點(diǎn)、多方向的立體通信網(wǎng)絡(luò)。

2.5 通信質(zhì)量好、可靠性高

衛(wèi)星通信電磁波的傳播主要在接近真空的外層空間傳輸，并且轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量少，因此噪聲影響小。對(duì)于極其惡劣的天氣狀況例如暴雨、冰雹、暴雪等，現(xiàn)階段的衛(wèi)星通信使用了KU波段和高功率衛(wèi)星進(jìn)行傳輸，相較于傳統(tǒng)的C波段，這種技術(shù)使其抗天氣干擾能力大大的提升了，這樣就保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

3 衛(wèi)星通信在馬航搜救中的具體應(yīng)用及成效

首先了解一下一般民用飛機(jī)的通信手段。一般的飛機(jī)上都裝有三部甚高頻（VHF）電臺(tái)、兩步高頻（HF）電臺(tái)、和一部衛(wèi)星通信系統(tǒng)（SATCOM）。甚高頻VHF的頻段為118至135.975MHZ，間隔25KHZ，視距：

無(wú)線電波發(fā)射到地面接收機(jī)，為近距離通信。

高頻通信的頻段為3至30MHZ，間隔1KHZ，傳播方式為空間波和地面波。通過(guò)飛機(jī)上的發(fā)射機(jī)將無(wú)線電波發(fā)射到電離層再反射到地面接收機(jī)。由于HF通信質(zhì)量較低等缺陷，僅作為輔助。

在飛機(jī)的飛行過(guò)程中，飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)（ACARS）通過(guò)VHF以報(bào)文的形式發(fā)送給地面工作站，在傳送到地面指定的數(shù)據(jù)控制中心（CPS），由CPS將數(shù)據(jù)傳送至指定航空公司或ACARS地面工作站，地面工作站同時(shí)也可以向飛機(jī)發(fā)信號(hào)和數(shù)據(jù)。ACARS的主要功能之一就是在飛機(jī)移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行鏈路建立、維護(hù)和斷鏈。因此在飛機(jī)上VHF電臺(tái)超出與地面工作站通信距離或者出現(xiàn)故障時(shí)，ACARS的數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)通過(guò)衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸。因此，即使飛機(jī)上種種通訊設(shè)備都停止工作了，衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈接仍然存在。飛機(jī)會(huì)自動(dòng)發(fā)出信號(hào)，但不攜帶ACARS的數(shù)據(jù)，只是發(fā)出ping信號(hào)，即所謂脈沖信號(hào)。英國(guó)衛(wèi)星公司Inmarsat就是基于這一數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而得出的猜想。

衛(wèi)星接收到從飛機(jī)上每隔一小時(shí)發(fā)來(lái)的脈沖信號(hào)（ping），依據(jù)這些信號(hào)從飛機(jī)傳回衛(wèi)星的仰角和時(shí)間，我們可以大致推知飛機(jī)飛行的時(shí)間和軌跡。飛機(jī)上天線的仰角，即為在接收點(diǎn)處，接收點(diǎn)與衛(wèi)星之間的連線和水平面的夾角。天線仰角計(jì)算公式：

式中，θ為接收點(diǎn)地理緯度，φ為接收點(diǎn)地理經(jīng)度，φ*為星下點(diǎn)的地理經(jīng)度，R為地球半徑，h為衛(wèi)星高度。由其公式可知，在已知衛(wèi)星同步軌道半徑與天線仰角的條件下，我們就可以推出接收點(diǎn)（發(fā)送點(diǎn)）的地理的經(jīng)緯度。但如果接收或發(fā)射點(diǎn)的波源變成運(yùn)動(dòng)的物體，這個(gè)公式算出來(lái)的答案就不正確了。由于移動(dòng)衛(wèi)星通信的信道是時(shí)變信道，其特性相對(duì)復(fù)雜、不易分析，存在多徑衰落、多普勒效應(yīng)等干擾。然而國(guó)際海事衛(wèi)星組織就是通過(guò)分析多普勒效應(yīng)來(lái)估測(cè)馬航的航線和方向的。多普勒效應(yīng)是波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接受到波的頻率與波源發(fā)出的頻率并不相同的現(xiàn)象，即當(dāng)波源背離觀察者遠(yuǎn)去時(shí)，接收到的波頻率小于波源實(shí)際頻率，當(dāng)波源朝著觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的波頻率大于波源實(shí)際頻率。多普勒的頻移可按如下公式計(jì)算：

式中，f0是實(shí)際工作頻率，v是波源與觀察者的相對(duì)速度，c為光速3×108m/s。由于衛(wèi)星和飛機(jī)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星接收的脈沖信號(hào)由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生了微小變化，是我們分析飛機(jī)去向的關(guān)鍵。若飛機(jī)沿著某一方向（假設(shè)不折返）先是離衛(wèi)星越來(lái)越近，然后離衛(wèi)星越來(lái)越遠(yuǎn)，這樣就導(dǎo)致接受的信號(hào)先朝著高頻移動(dòng)然后向低頻，這也叫信號(hào)的擴(kuò)張和壓縮，通過(guò)飛機(jī)距離衛(wèi)星所處64.5度的緯度位置的遠(yuǎn)近，來(lái)獲知在十億分之一秒單位下，信號(hào)是被壓縮，還是擴(kuò)張了。衛(wèi)星每收到一次ping，就需要對(duì)其進(jìn)行一次計(jì)算，由此判斷飛機(jī)方向和飛行時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

盡管衛(wèi)星通信在馬航的搜救過(guò)程中仍然有一些不足，例如由于馬航未購(gòu)買ACARS系統(tǒng)，因此衛(wèi)星無(wú)法獲知飛機(jī)具體的飛行狀態(tài)；對(duì)衛(wèi)星通信獲得的數(shù)據(jù)分析還不夠成熟等，但是我們不得不承認(rèn)，衛(wèi)星通信在搜尋馬航過(guò)程中不可代替的作用。隨著民航航空越來(lái)越普及，航空通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)鏈路應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，人們對(duì)衛(wèi)星通信的期望也會(huì)越來(lái)越高。我國(guó)民用飛機(jī)的自助研制剛剛起步，這一塊相對(duì)薄弱。因此在我國(guó)大力研發(fā)民用航空的背景下，深入研究衛(wèi)星通信技術(shù)在航空通信系統(tǒng)中的應(yīng)用對(duì)我國(guó)民用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著重大的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭慶.衛(wèi)星通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]陳暉.衛(wèi)星通信發(fā)展及特點(diǎn)研究[J].科技資訊，2008（32）.

作者簡(jiǎn)介：黃哲怡（1993-），女，四川人，本科，研究方向：移動(dòng)通信。

作者單位：中國(guó)傳媒大學(xué)，北京 100024