方芳 楊航 李偉 李洪烈 葛耀武

摘要：針對飛行人員海上航空搜救應(yīng)用特點，本文提出一種基于北斗的機載指揮系統(tǒng)設(shè)計方案，分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在搜救系統(tǒng)機載平臺應(yīng)用的作用與功能需求;設(shè)計了系統(tǒng)功能優(yōu)先級，將服務(wù)權(quán)限劃分為六級，合理解決了北斗RDSS服務(wù)頻度限制與應(yīng)用需求的矛盾;設(shè)計了三級搜救裝備體制，明確了搜救指揮層級中的角色定位;設(shè)計了指揮操作流程方案，在此基礎(chǔ)上完成了功能單元劃分，建立軟件功能框架，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在航空搜救領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);航空搜救;指揮系統(tǒng);機載裝備;功能框架

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A

我國已建設(shè)了以超短波手段為主的搜救通信裝備體系，采用超短波通信鏈路，通過搜救直升機或固定翼搜索引導(dǎo)飛機在海上大范圍搜索探尋超短波救生電臺信號和示位信標信號開展救援行動[1]。正在提升以北斗導(dǎo)航為手段的監(jiān)控、定位、搜救處理功能，但是受限于海上搜救通信困難、定位困難、生存困難等因素，航空搜救仍處于搜救力量、技術(shù)手段、體制機制建設(shè)的初級階段[2，3]。

本文從系統(tǒng)的角度分析研究北斗在航空救生機載平臺中的功能需求[4，5]，對其在航空救生系統(tǒng)中角色進行定位，以北斗二代協(xié)議[6-8]為基礎(chǔ)，通過北斗一代定位、短報文[10]、指揮等功能[9，10]實現(xiàn)北斗機載端機與原機搜救系統(tǒng)的信息交互;通過功能優(yōu)先級限定及操作流程規(guī)劃，使其進一步融人整個機載救生系統(tǒng);通過短報文功能完成搜救信息轉(zhuǎn)發(fā)、位置報告、協(xié)同搜救等功能，提高海上搜救效率與成功率。

1 功能需求

調(diào)研后功能需求見表1。

2 優(yōu)先級設(shè)定

北斗RDSS服務(wù)具有頻度限制，每使用一次后都需要一定的時間間隔，而按上述功能的描述，在工作過程中有些任務(wù)是需要連續(xù)進行的，會一直占用服務(wù)頻度，從而導(dǎo)致其他的任務(wù)不能執(zhí)行，如自報位或連續(xù)定位工作時，會一直占用，其他信息無法及時發(fā)送。因此，需要對這些功能進行優(yōu)先級劃分，更好地完成系統(tǒng)賦予的任務(wù)使命，優(yōu)先級劃分如下：

（1）特權(quán)：SOS

該功能為飛機遇險向指揮監(jiān)測站發(fā)出的求救信息，為飛機最后的遇險位置，關(guān)系到飛行員的生命保障。

（2）優(yōu)先1級：無線電靜默

該功能為執(zhí)行特定任務(wù)或在某些區(qū)域時必須保持的狀態(tài)，一旦發(fā)信息很有可能造成飛機遇險。

（3）優(yōu)先2級：指揮短報文發(fā)送

該功能為飛行員通過手持控制器編輯發(fā)送的指揮控制信息，需要及時與指揮監(jiān)測站或被救對象溝通。

（4）重要：被救對象位置信息發(fā)送

該功能把被救對象位置信息發(fā)送給指揮監(jiān)測站，引導(dǎo)其他兵力開展救援，因為采用的是1s級服務(wù)頻度，即便延遲1～2s，不會對救援行動產(chǎn)生影響。

（5）一般：自報位信息發(fā)送

該功能連續(xù)把慣導(dǎo)的本機精確位置信息發(fā)送給指揮監(jiān)測站，即便中斷一段時間（30s以內(nèi)，按10個被救對象的位置信息都要發(fā)送），也不會對地面觀察造成影響。

（6）普通：連續(xù)定位

該功能為輔助功能，定位的位置信息僅作飛行員參考用。

開機自檢完成后自動進入連續(xù)定位模式，自報位可以中斷連續(xù)定位，被救對象信息發(fā)送可以中斷自報位，指揮短報文發(fā)送可以中斷被救對象信息發(fā)送，SOS可以中斷所有當前工作。

3 角色定位

采用北斗二號系統(tǒng)的RDSS體制，具有指揮、短報文通信與有源定位功能。其與指揮監(jiān)測站、飛行員救生電臺構(gòu)成三級搜救體制。

按搜救指揮體系的層級，第一級是集成有RDSS體制的北斗二號指揮型用戶機的指揮監(jiān)測站，第二級是所在的搜索引導(dǎo)平臺，第三級是集成有RDSS體制的北斗二號基本型用戶機的手持救生臺，如圖2所示。按北斗指揮關(guān)系的特點，存在以下幾種情況：

（1）手持臺自定位時，指揮監(jiān)測站和搜索引導(dǎo)平臺均可以收到其定位信息。

（2）手持臺給搜索引導(dǎo)平臺發(fā)送短報文時，指揮監(jiān)測站能監(jiān)收到短報文。

（3）自定位時，指揮監(jiān)測站能監(jiān)收到其定位信息，從而知道搜索引導(dǎo)平臺位置。

（4）搜索引導(dǎo)平臺能通過手持臺與指揮監(jiān)測站進行信息交互。

下級用戶可以對應(yīng)多個上級，圖中以虛線表示，上級用戶可以監(jiān)收多個下級的信息，或同時指揮多個下級協(xié)同完成任務(wù)。對于搜救體系來說，指揮監(jiān)測站可以指揮多個搜索平臺協(xié)同實現(xiàn)多區(qū)域的多目標搜索，使搜救體系能夠應(yīng)對大規(guī)模的救援任務(wù)，具體應(yīng)用如下：

（1）監(jiān)收

在采用北斗的搜救體系中，擔負監(jiān)收下屬子用戶，即待救目標的定位信息。

（2）被救對象位置信息發(fā)送

擔負把救生電臺得到的被救對象位置信息以短報文的形式發(fā)送給指揮監(jiān)測站。

（3）聯(lián)絡(luò)和自救報位

在遠海或超低空飛行中，擔負自救報位和指揮聯(lián)絡(luò)任務(wù)，在遇險時上報求救信號和本機坐標。

搜索引導(dǎo)任務(wù)系統(tǒng)完成任務(wù)時，主要搜救流程如下：

（1）手持臺中的北斗能正常工作，當其自動進行定位時，搜索平臺或指揮監(jiān)測站任何一個處于開機正常工作狀態(tài)，都能及時收到該位置信息，能立即組織救援。

（2）手持臺中沒有北斗或其北斗不能正常工作，搜救任務(wù)系統(tǒng)啟用救生電臺與定向機定位落水飛行員位置，以短報文通信方式發(fā)送給指揮監(jiān)測站，便于及時開展救援行動。

4 操作流程設(shè)計

開機后首先進入開機自檢過程，完成后進入連續(xù)定位工作狀態(tài)。用戶可根據(jù)需要用手持控制器設(shè)置為其他工作狀態(tài)。

主機內(nèi)部工作流程按照優(yōu)先級進行工作，處理流程圖如圖3所示。整個工作流程分為ARINC429數(shù)據(jù)和RS422數(shù)據(jù)兩個中斷，一個主線程。

ARINC429數(shù)據(jù)中斷主要處理兩個信息，一是主動的從搜索定位處理系統(tǒng)性獲取慣導(dǎo)的定位信息，在用戶通過手持控制器選擇自報位功能時啟動;二是搜索定位處理系統(tǒng)有被救對象位置信息時向主機報送該位置信息，是被動過程。收到后先保存，設(shè)置對應(yīng)發(fā)送標志，然后退出中斷。

RS422數(shù)據(jù)中斷主要處理手持控制器來的控制指令與編輯的短消息，收到后先保存，設(shè)置對應(yīng)狀態(tài)或發(fā)送標志，然后退出中斷。

主線程先判斷服務(wù)頻度是否到來，在沒到來時執(zhí)行手持控制器的其他操作。服務(wù)頻度到來后按優(yōu)先級從高到低查看有無，先執(zhí)行優(yōu)先級高的任務(wù)。

SOS任務(wù)因涉及到飛機遇險與飛行員救援，進入后不再退出。靜默開啟后所有發(fā)送功能禁止，包括北斗校時，一直到靜默關(guān)閉再恢復(fù)正常工作。指控信息和被救對象位置信息都有發(fā)送需求時，優(yōu)先發(fā)送指控信息，被救對象位置信息壓棧保存，待下次服務(wù)頻度到來時再取出發(fā)送。

自報位和RDSS自定位功能按優(yōu)先級什么時候空閑，什么時候執(zhí)行，因為其不會對完成搜索引導(dǎo)任務(wù)產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

根據(jù)以上設(shè)計準則，設(shè)計了一套機載北斗短報文收發(fā)設(shè)備，設(shè)備由天饋、主機和手柄組成，通過ARINC429接口與原機搜索定位處理系統(tǒng)交聯(lián)，該產(chǎn)品的主要作用為傳輸本機地理位置信息（慣導(dǎo)信息）和收到的手持救生電臺地理位置信息，由北斗衛(wèi)星通信鏈路實現(xiàn)短報文遠程通信，傳輸信息到地面站，最終實現(xiàn)對手持北斗設(shè)備的搜尋，該設(shè)備已實現(xiàn)小批量裝備，在航空搜救領(lǐng)域發(fā)揮了積極作用。

參考文獻

[1]沈笑云，趙元浩，秦芹，等.通用航空搜救系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2016，37（7）：1958-1964.

[2]翁大濤，陳軒，張偉，等.淺談我國海上搜救應(yīng)急預(yù)案體系框架明.中國水運，2015，15（11）：68-71.

[3]王俊，彭碧波.搜索救援行動的發(fā)展歷程及啟示[J].中國應(yīng)急救援，2016，55（1）：50-54.

[4]龐佑軍.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的搜救系統(tǒng)原理與構(gòu)型[J].航空電子技術(shù)，2013，44（4）：7-13.

[5]贠敏，葛榜軍.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2012，29（5）：19-23.

[6]崔琳琳.基于Windows CE和北斗二代的嵌入式電子海圖定位顯示研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2013.

[7]孫琳.北斗二代導(dǎo)航接收機的捕獲跟蹤技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2016.

[8]趙晉.北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航接收機關(guān)鍵共性技術(shù)研究[ D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2012.

[9]張楠.應(yīng)用于機載導(dǎo)航的北斗雙模型接收機的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2016.

[10]袁建平，羅建軍.衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用[lull.北京：中國宇航出版社，2004.