● 文 |1.北京金交信息通信導(dǎo)航設(shè)計(jì)院.中國(guó)交通通信信息中心 何浩李陽(yáng)趙晨 王瑋
國(guó)際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)(COSPAS-SARSAT)是國(guó)際海事組織(IMO)全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(GMDSS)的重要組成部分,為船舶、民用航空器和個(gè)人用戶提供遇險(xiǎn)報(bào)警信息服務(wù)。該系統(tǒng)是由美國(guó)、蘇聯(lián)、法國(guó)和加拿大四國(guó)在1979年聯(lián)合開發(fā)的在全球范圍內(nèi)利用衛(wèi)星進(jìn)行遇險(xiǎn)報(bào)警信息服務(wù)的系統(tǒng)[1]。目前擁有42個(gè)成員國(guó)家,4個(gè)空間設(shè)備提供國(guó)。目前我國(guó)是地面設(shè)備提供國(guó),待北斗加入COSPAS-SARSAT后,將成為空間設(shè)備提供國(guó)。截至2016年底,系統(tǒng)已累計(jì)在全球12644次遇險(xiǎn)事件的搜救行動(dòng)中使43807名遇險(xiǎn)人員得到及時(shí)有效的救助[2]。
搜救衛(wèi)星系統(tǒng)由空間部分、地面部分和示位標(biāo)組成。根據(jù)使用衛(wèi)星的不同,國(guó)際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)分為低極軌道搜救衛(wèi)星系統(tǒng)(LEOSAR)、靜止軌道搜救衛(wèi)星系統(tǒng)(GEOSAR)和中軌道搜救衛(wèi)星系統(tǒng)(MEOSAR)。LEOSAR系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量較少,衛(wèi)星軌道高度較低,單顆衛(wèi)星覆蓋地球的面積較小,兩顆衛(wèi)星飛越同一地區(qū)的時(shí)間間隔較長(zhǎng),遇險(xiǎn)目標(biāo)存在報(bào)警等待時(shí)間過長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。1998年,搜救衛(wèi)星系統(tǒng)理事會(huì)決定通過使用靜止軌道搜救衛(wèi)星來增強(qiáng)已有的LEOSAR系統(tǒng),解決了只依靠LEOSAR系統(tǒng)造成的報(bào)警延遲問題。但是GEOSAR系統(tǒng)不能獨(dú)立進(jìn)行定位處理,需依賴示位標(biāo)內(nèi)置的GPS導(dǎo)航接收裝置,才能得到位置數(shù)據(jù),而靜止軌道衛(wèi)星由于軌道高度較高,接收信號(hào)的能力較弱。鑒于GEOSAR和LEOSAR系統(tǒng)的局限和不足,自2000年開始,美國(guó)、俄羅斯和歐盟建議在其全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座上搭載搜救轉(zhuǎn)發(fā)器,形成MEOSAR系統(tǒng)。MEOSAR系統(tǒng)是對(duì)國(guó)際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行的重要的技術(shù)改造,以提高系統(tǒng)對(duì)406MHz頻率遇險(xiǎn)信號(hào)的接收能力和數(shù)據(jù)處理的時(shí)效性,使得系統(tǒng)具備更加豐富的業(yè)務(wù)擴(kuò)展功能。目前,空間部分衛(wèi)星包括5顆低極軌道衛(wèi)星、6顆靜止軌道衛(wèi)星和數(shù)量在不斷增加的中軌道衛(wèi)星,待MEOSAR系統(tǒng)全面運(yùn)行后,中軌道衛(wèi)星數(shù)量將達(dá)到72顆。
接收不同空間衛(wèi)星的信號(hào),地面部分需要對(duì)應(yīng)不同的地面接收站。目前分布于全球范圍內(nèi)包括53座低極軌道搜救衛(wèi)星地面接收站(LEOLUT)、21座靜止軌道搜救 衛(wèi)星地面接收站(GEOLUT)和正在建設(shè)的中軌道搜救衛(wèi)星地面接收站(MEOLUT)。以及30個(gè)任務(wù)控制中心(MCC),實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)報(bào)警信號(hào)、系統(tǒng)信息等互聯(lián)互通。
在全球范圍內(nèi),搜救衛(wèi)星作為應(yīng)急救援報(bào)警系統(tǒng),廣泛地應(yīng)用于船舶、民用航天器和個(gè)人領(lǐng)域。受可用衛(wèi)星資源和技術(shù)條件限制,目前我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用較少,主要應(yīng)用于船舶等傳統(tǒng)領(lǐng)域。隨著我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷完善,系統(tǒng)性能不斷提升,以及我國(guó)民眾生活水平的不斷提高,對(duì)安全保障的要求越來越高,搜救衛(wèi)星系統(tǒng)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。
1985年,LEOSAR投入運(yùn)行,由于衛(wèi)星軌道較低、衛(wèi)星數(shù)量較少,存在較大的等待時(shí)延問題。1998年GEOSAR投入使用,利用靜止軌道衛(wèi)星,軌道高度高、覆蓋范圍大的特點(diǎn),解決了報(bào)警時(shí)延問題。但是整個(gè)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)依然面臨空間衛(wèi)星資源匱乏的問題,為此,自2000年開始MEOSAR技術(shù)研究,按照COSPAS-SARSAT計(jì)劃,將于2020年投入運(yùn)營(yíng),如圖1所示。
圖1 MEOSAR計(jì)劃時(shí)間表
國(guó)際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)。
(1)多系統(tǒng)并行運(yùn)行
搜救衛(wèi)星系統(tǒng)作為應(yīng)急救援系統(tǒng),系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。當(dāng)前國(guó)際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)由LEOSAR、GEOSAR和MEOSAR組成,三套系統(tǒng)并行運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)對(duì)全球范圍的重復(fù)覆蓋。三套系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,獨(dú)立接收和轉(zhuǎn)發(fā)遇險(xiǎn)報(bào)警信號(hào),為搜救衛(wèi)星系統(tǒng)提供可靠的保障。同時(shí)通過地面MCC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)間信息交互。
(2)空間衛(wèi)星鏈路多重冗余
搜救衛(wèi)星系統(tǒng)中空間衛(wèi)星至關(guān)重要。搜救衛(wèi)星的數(shù)量將直接影響系統(tǒng)的可靠性、時(shí)效性和準(zhǔn)確性。目前搜救衛(wèi)星系統(tǒng)包括低軌道、中軌道和靜止軌道搜救衛(wèi)星。截至2017年,不同類型的搜救衛(wèi)星數(shù)量如圖2所示。在1544~1545MHz遇險(xiǎn)專用頻率,不同搜救衛(wèi)星使用頻率分布如圖3所示。搜救衛(wèi)星數(shù)量在不斷增加。
圖2 搜救衛(wèi)星數(shù)量
圖3 搜救衛(wèi)星專用頻率使用分布
(3)持續(xù)提升系統(tǒng)報(bào)警響應(yīng)速度和定位性能
①定位技術(shù)升級(jí)
根據(jù)搜救衛(wèi)星軌道的不同,LEOSAR、GEOSAR和MEOSAR系統(tǒng)采用不同的定位技術(shù)。最早運(yùn)行使用的是LEOSAR系統(tǒng),采用的是多普勒定位技術(shù),該技術(shù)需要等待衛(wèi)星過頂,通過測(cè)量多普勒頻移來進(jìn)行定位計(jì)算,定位計(jì)算等待時(shí)間較長(zhǎng),還存在鏡像定位問題。隨后建立的GEOSAR系統(tǒng),衛(wèi)星軌道高度很高,衛(wèi)星覆蓋范圍大,轉(zhuǎn)發(fā)遇險(xiǎn)報(bào)警信號(hào)無需等待衛(wèi)星經(jīng)過,但是依靠1顆GEOSAR衛(wèi)星無法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立定位計(jì)算,需要與其他系統(tǒng)配合。當(dāng)前正在建設(shè)MEOSAR系統(tǒng),利用數(shù)量眾多的導(dǎo)航衛(wèi)星資源,通過測(cè)量多個(gè)衛(wèi)星的到達(dá)時(shí)間/到達(dá)頻率(TOA/FOA)信息進(jìn)行定位計(jì)算,定位精度和響應(yīng)時(shí)間得到較大提高。
②衛(wèi)星數(shù)量增加
不同時(shí)期建設(shè)的LEOSAR、GEOSAR和MEOSAR系統(tǒng),并不是相互替換關(guān)系,而是在不斷增強(qiáng)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)。通過增加可用搜救衛(wèi)星的數(shù)量,降低報(bào)警信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的等待時(shí)間。而且不同類型不同軌道的搜救衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面的多重覆蓋,形成可靠的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)鏈路冗余,進(jìn)一步降低報(bào)警信號(hào)丟失的概率,提升整個(gè)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性。
③示位標(biāo)升級(jí)
一代示位標(biāo)采用窄帶信號(hào),信道帶寬為3kHz,為避免信道上示位標(biāo)數(shù)量過多導(dǎo)致系統(tǒng)過載,主要通過授權(quán)管理各個(gè)信道上生產(chǎn)的示位標(biāo)數(shù)量。由于一代示位標(biāo)產(chǎn)生的年代較為久遠(yuǎn),一定程度上制約了搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的性能,在典型條件下,能夠達(dá)到的典型定位性能如下:
LEOSAR系統(tǒng):典型定位精度5km,平均檢測(cè)時(shí)間45min。
GEOSAR系統(tǒng):示位標(biāo)帶有導(dǎo)航裝置時(shí)可達(dá)60m。
MEOSAR系統(tǒng):激活30s可達(dá)5km,激活1min可達(dá)1km,激活30min可達(dá)100m。
新一代的示位標(biāo)則采用擴(kuò)頻寬帶信號(hào),信號(hào)帶寬為80kHz。目前只有MEOSAR系統(tǒng)支持。在典型條件下,二代示位標(biāo)能夠達(dá)到的典型定位性能如下:激活3s可達(dá)5km;激活5min可達(dá)100m。
中國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)由中國(guó)建造的地面系統(tǒng)和國(guó)外的搜救衛(wèi)星組成,地面系統(tǒng)包括兩個(gè)地面接收站和一個(gè)任務(wù)控制中心,系統(tǒng)只能接收低極軌道搜救衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的示位標(biāo)報(bào)警信號(hào),且最多同時(shí)跟蹤2顆衛(wèi)星。
中國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)自1998年投入運(yùn)行以來,為在中國(guó)搜救服務(wù)區(qū)范圍內(nèi)的海上、空中和陸地用戶提供遇險(xiǎn)報(bào)警服務(wù),通過國(guó)際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)西北太平洋數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn),向全球用戶發(fā)布遇險(xiǎn)報(bào)警信息,為中國(guó)和境外的遇險(xiǎn)搜救指揮部門實(shí)施救助行動(dòng),提供了有力的支持和幫助。
受到可用衛(wèi)星資源的限制,我國(guó)目前只有LEOSAR系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài),即在北京建設(shè)LEOLUT接收LEOSAR衛(wèi)星報(bào)警信號(hào),并將報(bào)警信息發(fā)送至中國(guó)海上搜救中心,由搜救中心組織相關(guān)人員進(jìn)行救援。但是目前LEOSAR衛(wèi)星在軌運(yùn)行的有5顆,其中4顆已經(jīng)超過設(shè)計(jì)使用壽命,對(duì)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成一定影響。目前我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋響應(yīng)區(qū)域如圖4所示,最內(nèi)圈為1h響應(yīng)區(qū)域,增加一環(huán)增加0.5h。一旦可用LEOSAR衛(wèi)星數(shù)量減少,將進(jìn)一步增加報(bào)警響應(yīng)等待時(shí)間。我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)要與國(guó)際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展相匹配,解決我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)空間資源不足的問題,進(jìn)一步完善我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)。
圖4 LEOLUT覆蓋響應(yīng)區(qū)域(平均響應(yīng)時(shí)間)
(1)建設(shè)MEOSAR系統(tǒng)
鑒于低極軌道衛(wèi)星空間資源不足,導(dǎo)致中國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)存在較長(zhǎng)的衛(wèi)星空白時(shí)段和信號(hào)接收不穩(wěn)定等問題,已經(jīng)開始影響到正常的遇險(xiǎn)報(bào)警工作。我國(guó)已經(jīng)開始建設(shè)MEOSAR系統(tǒng),計(jì)劃在北京建設(shè)MEOLUT接收MEOSAR報(bào)警信號(hào)。同時(shí)聯(lián)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),計(jì)劃使用6顆北斗中軌道衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)406MHz遇險(xiǎn)報(bào)警信號(hào)。待MEOSAR全面運(yùn)行后,我國(guó)搜救責(zé)任區(qū)內(nèi),我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)定位性能將達(dá)到如下要求[3]:
一代示位標(biāo):示位標(biāo)激活首次脈沖信號(hào),定位精度5km的概率達(dá)到90%;示位標(biāo)激活10min,定位精度5km的概率達(dá)到95%。
二代示位標(biāo):示位標(biāo)激活首次脈沖信號(hào),定位精度5km的概率達(dá)到95%;示位標(biāo)激活5min,定位精度1km的概率達(dá)到97%;示位標(biāo)激活30min,定位精度100m的概率達(dá)到97%。
屆時(shí)我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的定位精度和時(shí)效性將會(huì)得到極大改善。
(2)補(bǔ)充GEOSAR系統(tǒng)
覆蓋我國(guó)范圍的GEOSAR衛(wèi)星為印度國(guó)家衛(wèi)星-3D(INSAT-3D)。但是由于該衛(wèi)星的下行波束進(jìn)行了調(diào)整,主要覆蓋印度范圍。由于缺少可用的GEOSAR衛(wèi)星,我國(guó)不具備建設(shè)GEOSAR系統(tǒng)的條件。
繼北斗中軌道衛(wèi)星加入MEOSAR系統(tǒng)后,我國(guó)在搜救衛(wèi)星領(lǐng)域的影響力越來越大。北斗系統(tǒng)不僅包含中軌道衛(wèi)星,還包含靜止軌道衛(wèi)星。通過在北斗靜止軌道衛(wèi)星上搭載搜救轉(zhuǎn)發(fā)器,不僅可以彌補(bǔ)我國(guó)GEOSAR系統(tǒng)的缺失,還可以進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)在搜救衛(wèi)星系統(tǒng)中的話語(yǔ)權(quán),提升我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的覆蓋范圍和搜救能力。
示位標(biāo)的類型包括船用(EPIRB)、個(gè)人用(PLB)和航空用(ELT)。全球注冊(cè)示位標(biāo)數(shù)量已經(jīng)超過百萬(wàn),遍布全球各地,一直處于增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),特別是陸地用戶增長(zhǎng)顯著,如圖5-6所示。
圖5 注冊(cè)示位標(biāo)的數(shù)量
圖6 搜救事件數(shù)
規(guī)定使用
EPIRB:全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(GMDSS)規(guī)定300t以上船舶必須搭載。
ELT:國(guó)際民用航空組織(ICAO)轄區(qū)內(nèi)航空器建議搭載。
普通民用
PLB:崎嶇偏遠(yuǎn)陸地等地區(qū)會(huì)有使用。
但是我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)主要應(yīng)用于海事等存在強(qiáng)制規(guī)定使用的領(lǐng)域。民用等其他領(lǐng)域應(yīng)用較少,我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)在我國(guó)領(lǐng)土范圍內(nèi)幾乎沒有陸地用戶。
中國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)自1998年投入運(yùn)行以來,一直為行業(yè)用戶提供遇險(xiǎn)報(bào)警搜救服務(wù)。受到我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、搜救衛(wèi)星系統(tǒng)性能等因素的限制,搜救衛(wèi)星系統(tǒng)長(zhǎng)期以來一直不為人所知。中軌道搜救衛(wèi)星系統(tǒng)建成后,除了能夠極大地提高原有業(yè)務(wù)的運(yùn)行效率,還具備了更多擴(kuò)展業(yè)務(wù)功能。特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)展以后,人民生活水平不斷提高,人們對(duì)出行安全要求越來越高,對(duì)出行安全保障越來越重視,將會(huì)推動(dòng)個(gè)人用戶的蓬勃發(fā)展。
隨著人們生活水平的提高,越來越多的群眾參與戶外運(yùn)動(dòng),特別是進(jìn)行登山、攀巖、戶外徒步等具有較高危險(xiǎn)性的戶外運(yùn)動(dòng)的群眾人數(shù)超過6000萬(wàn)人[4]。由于我國(guó)人口基數(shù)大,高危戶外活動(dòng)的人員數(shù)量不低。而且這些活動(dòng)區(qū)域通常是蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的區(qū)域。搜救衛(wèi)星系統(tǒng)不存在覆蓋盲區(qū),而且示位標(biāo)只有在遇險(xiǎn)激活后才會(huì)發(fā)送信號(hào),激活后可以連續(xù)工作48h以上,充分保障了救援可以及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)。
(1)海上搜救應(yīng)用
由于海洋范圍十分廣泛,一直以來海上搜救存在較大難度,覆蓋全球的衛(wèi)星系統(tǒng)成為主要的搜救手段。海上搜救業(yè)務(wù)也是搜救衛(wèi)星系統(tǒng)主要的應(yīng)用領(lǐng)域。通過任務(wù)控制中心進(jìn)行報(bào)警報(bào)文交換,中國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)能夠?qū)θ蚍秶鲭U(xiǎn)報(bào)警進(jìn)行監(jiān)測(cè),是海上應(yīng)急遇險(xiǎn)搜救的主要方式。
(2)航空定位應(yīng)用
航空系統(tǒng)也是國(guó)際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。在航空器上部署示位標(biāo),一旦航空器遇險(xiǎn)可以定位遇險(xiǎn)地點(diǎn)實(shí)施救援。國(guó)際民航組織在其系統(tǒng)文件中,對(duì)航空器所配備的遇險(xiǎn)定位和搜救設(shè)備也有明確的規(guī)定和要求。隨著我國(guó)航空事業(yè)的全方位發(fā)展,越來越多的軍用飛機(jī)和小型商用飛機(jī)上將配備遇險(xiǎn)示位標(biāo),搜救衛(wèi)星系統(tǒng)在航空領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用。搜救衛(wèi)星系統(tǒng)完善后能夠?qū)τ鲭U(xiǎn)對(duì)象進(jìn)行持續(xù)的定位跟蹤,將更加有利于對(duì)遇險(xiǎn)飛機(jī)實(shí)施救援。
(3)航天應(yīng)用
航天器的回收和應(yīng)急返回需要準(zhǔn)確、可靠和快速的定位信息。搜救衛(wèi)星系統(tǒng)可以承擔(dān)重大航天科研項(xiàng)目的技術(shù)保障工作。
與LEOSAR和GEOSAR系統(tǒng)不同,MEOSAR系統(tǒng)能夠支持新的二代示位標(biāo)。不同于一代示位標(biāo),二代示位標(biāo)采用了擴(kuò)頻技術(shù)[5-6],能夠?qū)⑿盘?hào)隱藏在背景噪聲中。此外通過使用特定的擴(kuò)頻編碼,使得信號(hào)只能由特定的地面接收站接收,信號(hào)不被其他地面接收站解碼,可以提供保密定位服務(wù)。
南極科考和遠(yuǎn)洋測(cè)繪調(diào)查等科研活動(dòng),其活動(dòng)范圍為偏遠(yuǎn)人跡罕至的地區(qū)。搜救衛(wèi)星系統(tǒng)全球覆蓋能力能夠?yàn)槠淙蝿?wù)提供安全保障,也為遇險(xiǎn)搜救人員提高搜救效率提供幫助。
搜救衛(wèi)星系統(tǒng)是國(guó)際海事組織全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)的重要組成部分,為船舶、民用航空器和個(gè)人用戶提供遇險(xiǎn)報(bào)警信息服務(wù),能夠?qū)崿F(xiàn)在全球范圍內(nèi)接收和定位遇險(xiǎn)報(bào)警信號(hào)的功能。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展,搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和定位性能得到長(zhǎng)足發(fā)展,已經(jīng)形成包括低極軌道、中軌道和靜止軌道衛(wèi)星在內(nèi)的較為完備的系統(tǒng),具備開展多種擴(kuò)展業(yè)務(wù)的能力。我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng),由于缺少可用的空間衛(wèi)星資源,一直主要用于特定行業(yè)。隨著北斗導(dǎo)航衛(wèi)星加入搜救衛(wèi)星系統(tǒng)體系,我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)與國(guó)際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨于一致,系統(tǒng)覆蓋范圍、響應(yīng)時(shí)間和定位性能等得到較大提高,除強(qiáng)制規(guī)定要求外,搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)越來越廣。特別是隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)和人民生活水平的不斷提高,對(duì)人身安全保障越來越重視,將會(huì)有越來越多的普通民眾等個(gè)人用戶開始使用搜救衛(wèi)星系統(tǒng)。