● 文|北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 衛(wèi)星與無線通信實驗室 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)星與無線通信實驗室 鄭晴 王冰 程宇新 吳建軍

一、引言

2014年，馬航失聯(lián)，韓國渡輪悲劇，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事故的冰山一角。平均每年有40萬人落水而亡，2萬多漁民遇難，更有超過700人在空難中去世，因此，有效的搜救系統(tǒng)——如何更快定位危險信標(biāo)，如何快速調(diào)度救援團(tuán)隊，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)星來探測來自海上、空中和地面示位標(biāo)發(fā)出的遇險信號，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)行簡介。

二、全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)

由加拿大、法國、美國和蘇聯(lián)聯(lián)合發(fā)起成立的全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COSPAS-SARSAT）是國際移動衛(wèi)星公司推行的全球海上遇險與安全系統(tǒng)（Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS）的重要組成部分。自1982年以來，該系統(tǒng)已經(jīng)成功救援眾多遇險人員，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)危險事故發(fā)生時，遇險示位標(biāo)（包括航空用應(yīng)急示位發(fā)射機(jī)ELT、航海用應(yīng)急無線電示位標(biāo)EPIRB和個人位置示位標(biāo)PLB）人工或者自動激活（信標(biāo)激活可以存活48小時），發(fā)送遇險報警信號，經(jīng)由搜救衛(wèi)星變頻轉(zhuǎn)發(fā)后，由遍布全球的衛(wèi)星地面信號接收站或稱本地用戶終端（LUT）接收并計算出遇險目標(biāo)的位置，將信標(biāo)的報警數(shù)據(jù)和統(tǒng)計信息轉(zhuǎn)發(fā)給任務(wù)控制中心（MCC），MCC收集、整理、儲存和分類從用戶終端與其他控制中心送來的數(shù)據(jù)，過濾虛假報警信息，將正確的報警或定位信息發(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組織主要通過低極軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（LEOSAR）和對地靜止軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（GEOSAR）來實現(xiàn)定位。LEOSAR系統(tǒng)采用多普勒效應(yīng)的原理來計算遇險目標(biāo)的位置。舉例來說，應(yīng)急無線電示位標(biāo)發(fā)射406MHz的信號，功率輸出為5W，示位標(biāo)信號包括用戶名稱、國籍和類型（海上、航空和地面）等信息。衛(wèi)星接收、處理、存儲并轉(zhuǎn)發(fā)該信號給地面接收站。處理信號時，示位標(biāo)在地面靜止不動，用準(zhǔn)確的406MHz發(fā)射信號，衛(wèi)星接收到的信號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因為GEO衛(wèi)星相對遇險目標(biāo)是靜止的，所以GEOLUT不采用多普勒效應(yīng)，而是用信號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頻點1544.1MHz，這些均為國際電聯(lián)規(guī)定的專用搜救頻點，其他系統(tǒng)不得使用。

遇險示位標(biāo)使用的頻率有：121.5/243MHz、406MHz兩種。121.5/243MHz的示位標(biāo)內(nèi)部沒有登記信息，造成虛假報警事件太多，為規(guī)范系統(tǒng)運(yùn)營，國際搜救衛(wèi)星組織決定到2009年終止對121.5/243MHz的示位標(biāo)業(yè)務(wù)，要求全球所有航空器、船舶、陸地用戶必須裝備統(tǒng)一的406MHz示位標(biāo)。遇險報警信號以下行L頻段1544.1MHz實時轉(zhuǎn)發(fā)給本地用戶終端進(jìn)行處理。

因該系統(tǒng)被全球超過43個國家采納，衛(wèi)星覆蓋范圍廣，報警探測系統(tǒng)經(jīng)過驗證，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，遇險目標(biāo)等待時間長，GEOSAR軌道高，傳輸時延大，因此尋求下一代衛(wèi)星搜救系統(tǒng)就顯得極為迫切。

三、中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)

目前全球搜救系統(tǒng)正在通過在中軌道衛(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。中軌道衛(wèi)星系統(tǒng)主要包括美國運(yùn)營的GPS，俄羅斯GLONASS，2012年10月開始發(fā)射的歐洲導(dǎo)航衛(wèi)星Galileo。2014年2月，COM DEV國際公司已成功完成中軌道衛(wèi)星搜索和救援（MEOSAR）項目的初步設(shè)計評審（PDR），這是MEOSAR項目里程碑的一步。2013年3月，COM DEV拿到了加拿大國防部關(guān)于設(shè)計和開發(fā)MEOSAR中繼器價值470萬美元的合同。加拿大計劃將MEOSAR中繼提供給美國，美國將之整合為下一代GPS星座的有效載荷。該MEOSAR項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

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)地覆蓋整個地球，但前提條件是信標(biāo)位置信息經(jīng)過編碼。LEOSAR系統(tǒng)可以在沒有GPS或其他導(dǎo)航信號幫助下定位信標(biāo)，但在任何給定的時間，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)星形成對比，2018年中軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)完備部署后，MEOSAR將會包含72顆MEOSAR衛(wèi)星。屆時，全球衛(wèi)星覆蓋范圍廣，而且能實現(xiàn)目前及下一代應(yīng)急示位標(biāo)的近乎連續(xù)時間的探測及定位。表1總結(jié)了MEOSAR相對于目前COSPAS-SARSAT衛(wèi)星系統(tǒng)的幾點優(yōu)勢。

表1 LEOSAR、 GEOSAR和 MEOSAR的對比

MEOSAR需要至少3顆獨立衛(wèi)星傳遞的示位標(biāo)信息來確定示位標(biāo)的經(jīng)度、緯度和高度。未來計劃72顆衛(wèi)星在軌時，本地用戶終端幾乎能在連續(xù)時間捕捉到3顆獨立衛(wèi)星的信號，而LEOSAR因衛(wèi)星覆蓋不全，本地用戶終端捕捉到信號需要46min到100min。大部分MEOSAR本地用戶終端需要4～6根天線，用以捕捉至少3個衛(wèi)星信號進(jìn)而確定示位標(biāo)的位置。多天線的系統(tǒng)可以保證即使1根天線在修理，仍然有足夠天線可用，進(jìn)而提高系統(tǒng)的可用性。此外，MEOSAR本地用戶終端網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也增加了全球?qū)崟r覆蓋。舉例來說，如果位于大西洋中央的示位標(biāo)被激活，而美國本地用戶終端只有2根天線覆蓋了那個區(qū)域，那么應(yīng)該怎樣確定示位標(biāo)的信息？這種情形下，美國本地用戶終端的兩個數(shù)據(jù)與歐洲本地用戶終端的一個數(shù)據(jù)結(jié)合起來，便可確定示位標(biāo)信息的第三個參數(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理事會規(guī)定，MEOSAR系統(tǒng)主要通過五個階段實現(xiàn)：①定義和開發(fā)階段；②概念證明（POC）/在軌驗證（IOV）階段；③演示與評估（D&E）階段；④初步運(yùn)營（IOC）階段； ⑤全運(yùn)營階段。定義和開發(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)上開展MEOSAR驗證工作。在2013年年初，全球搜救衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)入了一個MEOSAR D＆E階段，并從可靠性和精確度證明MEOSAR業(yè)績符合預(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、實時覆蓋時，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，如船隊管理/船舶交通管理，以及交通工具監(jiān)控等多個行業(yè)，也正在成為整合發(fā)展伙伴關(guān)系的催化劑。船隊管理軟件可以識別406MHz遇險信標(biāo)技術(shù)和SAR自動識別系統(tǒng)（AIS）的危急事件，緊急情況下，將允許運(yùn)營商工作船商業(yè)捕魚船隊和內(nèi)河運(yùn)輸公司簡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，于2015年1月13日宣布，已由塞浦路斯、文萊、阿根廷和美國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)，共計近500萬歐元。主要包括在南美洲部署6通道MEOSAR系統(tǒng)，在美國部署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。

四、小結(jié)

本文介紹了全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COSPAS-SARSAT）的發(fā)展動態(tài)，具體描述了中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的優(yōu)勢、發(fā)展規(guī)劃、應(yīng)用前景和技術(shù)細(xì)節(jié)。一方面，我國的遠(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功能，而且定位精度高。充分利用我國對衛(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，并大力發(fā)展我國的衛(wèi)星搜救系統(tǒng)，具有很大的意義。

[1]More Lives Will Be Saved - The Future of Satellite-Based Search and Rescue（SAR），2014 [EB/OL].(2014-10-21).

[2]MEOSAR Search & Rescue Repeater’s successful PDR（Satellites），2014[EB/OL].(2014-08-11).

[3]The Saving Grace of COSPAS-SARSAT This GPS constellation will dramatically improve the speed and delivery of Search and Rescue services around the world，2014[EB/OL].(2014-03-05).

[4]Jeom-Hun Lee, lnone Joo, Sanguk Lee,et al. Galileo Return-Link Experiment using Galileo Receiver and Simulator[J]. lEEE，2013.