衛(wèi)星搜索與救援系統(tǒng)的應用發(fā)展

+ 王曉海

（空間電子信息技術研究院 空間微波技術重點實驗室）

衛(wèi)星搜索與救援系統(tǒng)的應用發(fā)展

+ 王曉海

（空間電子信息技術研究院 空間微波技術重點實驗室）

本文首先對衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的基本概念進行了簡單介紹，其次對國內外典型系統(tǒng)進行重點分析，闡述了近年來衛(wèi)星系統(tǒng)在災難搜救中的參與應用情況，最后探討了中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的發(fā)展。

衛(wèi)星搜救 全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng) 伽利略搜救系統(tǒng) 北斗搜救系統(tǒng) 中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)

衛(wèi)星系統(tǒng)可以滿足國防支援、邊境監(jiān)視、敵情評估等時間緊迫的應用需求，且完成這些任務既可以避免傳統(tǒng)搜尋手段上的限制，又能避開領土、領空等方面的紛爭，具有明顯的優(yōu)勢，因此得到廣泛應用。近些年來，衛(wèi)星系統(tǒng)在環(huán)境保護、資源普查、防災減災等領域表現(xiàn)出色，特別是衛(wèi)星搜救系統(tǒng)充分發(fā)揮了它的作用，獲得普遍認可。下面對衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的基本概念及國內外典型系統(tǒng)進行介紹。。

1 衛(wèi)星搜救系統(tǒng)基本概念

衛(wèi)星搜索與營救系統(tǒng)（Search and Rescue Satellite System，SARSS）利用衛(wèi)星系統(tǒng)測定來自海上、空中、地面遇險裝置發(fā)出的求救信號，從而確定出險位置，實施搜索和營救的系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由衛(wèi)星、地面段和信標機組成。遇險的信標機發(fā)出頻率為121.5MHz和406MHz的遇險報警信號，衛(wèi)星接收并解調出報警信號，完成多普勒頻移測量，再用1544.5MHz將有關數(shù)據信息發(fā)回地面。地面段包括地面終端、控制中心和搜救中心。利用衛(wèi)星與信標機間的相對運動所產生的多普勒頻移，經過處理便可獲得信標機的位置。

由衛(wèi)星無線電轉發(fā)器接收失事飛機和船舶上裝載的應急信標機信號，并把它轉發(fā)給地面信息接收站，接收站通知救援指揮中心進行營救。通常利用運行在近圓形極軌道上的衛(wèi)星裝載救援信號轉發(fā)器，地面接收站根據應急信標機和衛(wèi)星間的相對運動所造成的無線電信號多普勒頻移原理，確定失事地點位置。

2 典型衛(wèi)星搜救系統(tǒng)介紹

2.1 全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)

全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COSPAS-SARSAT）是由美國、前蘇聯(lián)、法國和加拿大四國聯(lián)合開發(fā)建立，在全球范圍內提供有效的搜索與救援（Search and Rescue，SAR）服務的信息系統(tǒng)。它是國際海事衛(wèi)星組織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。該系統(tǒng)使用低高度衛(wèi)星為全球包括極區(qū)在內的海上、陸上和空中提供遇險報警及定位服務，以使遇險者得到及時有效的救助。

圖1 COSPAS/SARSAT搜救系統(tǒng)構成與工作原理

COSPAS-SARSAT系統(tǒng)由遇險示位信標、空間衛(wèi)星和地面處理分系統(tǒng)、任務控制中心、搜救協(xié)調中心五大部分組成。示位信標的作用是當遇到危險時，能夠發(fā)射報警信號，啟動方式既可以是自動的也可以是人工發(fā)射?？臻g衛(wèi)星的主要任務是對示位標發(fā)出的報警信號進行變頻、存儲和轉發(fā)等處理，然后送到本地用戶接收終端（LUT）。本地用戶終端的作用有兩個：其一是接收衛(wèi)星轉發(fā)的遇險示位標的信號，進行一系列的處理，包括解碼、運算等，然后給出示位標的位置數(shù)據和識別信息，送到搜救任務控制中心（MCC）；其二是實時修正其跟蹤衛(wèi)星的軌道參數(shù)。任務控制中心的主要功能是搜集、整理和存儲從本地用戶終端發(fā)來的數(shù)據，對這些數(shù)據進行過濾虛假報警、分辨模糊值等處理，并在系統(tǒng)內按照國際組織的相關規(guī)定與搜救協(xié)調中心（RCC）進行信息交換。搜救協(xié)調中心則是根據具體情況，負責指揮分配，統(tǒng)籌安排相關機構協(xié)同組織實施搜救。

當用戶遇險后，激活遇險示位標，發(fā)出遇險信號。遇險信號被搜救衛(wèi)星檢測發(fā)現(xiàn)并接收后經過變頻并轉發(fā)，由遍布全球的地面用戶終端接收并計算出遇險目標的具體位置，把信標的報警數(shù)據和統(tǒng)計信息傳送給響應的任務控制中心?？刂浦行囊宰羁斓乃俣劝褕缶投ㄎ粩?shù)據分發(fā)到距離最近、最為合適的搜救協(xié)調中心，使遇險者能得到及時有效的救助，從而實現(xiàn)全球全方位、全天候的衛(wèi)星搜救服務。

經過近幾十年的發(fā)展，全球衛(wèi)星搜救服務已經廣泛的應用于人們生活的諸多領域，并產生了重要影響。20世紀80年代建立且不斷完善的低極軌道和靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)提供了以往不可比擬的搜救效率，未來將會逐步持續(xù)改進提高，為人們提供更多更大幫助。

2.2 伽利略搜救系統(tǒng)

伽利略系統(tǒng)包括空間衛(wèi)星星座、地面控制部分和用戶部分，它為不同的用戶提供不同的導航服務。其中，空間衛(wèi)星星座由30顆衛(wèi)星（27顆工作衛(wèi)星+3顆在軌備用衛(wèi)星）組成。備用衛(wèi)星可以在某顆衛(wèi)星失效后迅速彌補，從而縮短系統(tǒng)的恢復工作時間。地面系統(tǒng)部分主要由2個位于歐洲的Galileo控制中心（GCC）和20個分布全球的Galileo傳感器站（GSS）組成，另外還有用于進行控制與衛(wèi)星之間數(shù)據交換，分布在全球各地的5個S波段上行站和10個C波段上行站?？刂普九c傳感器站之間通過冗余通信網絡連接。用戶部分主要是各類型的接收機，接收和處理Galileo信號及來自其他系統(tǒng)的信號以獲得Galileo的服務。它除具有與GPS相同的全球導航定位功能外，還具有全球搜索救援（SAR）及通信等功能。

圖2 Galileo搜救系統(tǒng)構成與工作原理

處于緊急狀態(tài)的用戶從國際通用衛(wèi)星搜索與救援系統(tǒng)（COSPAS—SARSAT）信標向Galileo衛(wèi)星發(fā)出一個求救的遇險電文信號。衛(wèi)星通過特定的搜索天線進行檢測，發(fā)現(xiàn)信號后，將遇險信號經放大和變頻后，以1154MHz～1545MHz頻段的信號下行傳送用戶的相關信息給COSPAS—SARSAT地面站，再經地面站轉發(fā)至救助中心，對電文進一步處理。COSPAS—SARSAT地面站隨即向Galileo地面站發(fā)出確認電文，Galileo地面站通過上行鏈路發(fā)送接收到的報警電文的確認信息到用戶視界內衛(wèi)星，再由衛(wèi)星轉發(fā)器發(fā)回到發(fā)出報警的信標，電文包含在Galileo導航信號中。裝有Galileo接收機的用戶即可接收該信號，從而最終實現(xiàn)了Galileo系統(tǒng)的搜索與救援服務。

伽利略搜救系統(tǒng)縮短了遇險信標位置檢測時間，同時提高了信標定位的精度，并且實現(xiàn)了向用戶發(fā)送接收遇險電文的確認信息，未來將與全球海上遇險與安全系統(tǒng)（GMDSS）兼容，使得用戶與搜救中心之間具有交換簡短信息的功能。

2.3 北斗搜救系統(tǒng)

北斗搜救體系可由空間衛(wèi)星星座、地面指揮中心、用戶終端構成。衛(wèi)星星座包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和4顆非靜止軌道衛(wèi)星。地面部分包括主控站、注入站、監(jiān)測站等。用戶終端主要是救生型用戶機和指揮型用戶機。其中救生型用戶機為被救人員攜帶的小型終端設備，指揮型用戶機可以安裝在救援車輛、救援直升機和救援船只上。北斗系統(tǒng)搜救體系的工作過程如圖3所示。

圖3 北斗搜救系統(tǒng)工作過程

當遇險人員攜帶的北斗用戶機進行北斗定位操作過程中，在獲得自己的位置信息的同時，北斗地面指揮中心也即接收到該用戶機的位置信息，從而確定遇險人員的位置。如果被救人員具備操作用戶機能力，還可以通過短報文通信功能向指揮中心報告自身的安全狀態(tài)、環(huán)境條件等信息。

確認被救人員信息后，北斗地面指揮中心組織營救人員進行救護。北斗地面指揮中心便將遇險人員的位置信息直接發(fā)送到搜救直升機或搜救車輛上的指揮型用戶機，并在電子地圖上進行顯示，使營救力量在第一時間到達營救地點。同時北斗地面指揮中心也可以監(jiān)收到搜救直升機或搜救車輛上的指揮型用戶機的定位信息，從而得到搜救人員的即時位置，保證有效的指揮調度。

未來，系統(tǒng)將進一步建立更加完善的搜救指揮中心、配備先進的北斗用戶機。配裝高效的搜救裝備是搜救體系的基礎，是快速掌握救援信息、準確的指揮調度和有效實施救援的保障。只有完善的硬件設施建設，北斗系統(tǒng)搜救體系才能得到有效的普及應用。

3 衛(wèi)星系統(tǒng)搜救應用現(xiàn)狀

3.1 國外衛(wèi)星系統(tǒng)搜救應用

1982年6月30日，世界上第一顆救援衛(wèi)星“宇宙—383”號由蘇聯(lián)發(fā)射成功，同年9月9日，人們首次利用衛(wèi)星成功地發(fā)現(xiàn)和救援了加拿大的空難遇險者西姆和他的兩個朋友。

2009年6月1日，法國航空447號班機在巴西的圣佩德羅和圣保羅島嶼附近墜毀，12名機組人員與216名乘客全部罹難，為法國歷史上最大的空難。開始的搜救過程進展不順，因為長時間未能找到飛機殘骸，無法確定具體墜落地點，在美軍間諜衛(wèi)星和搜救系統(tǒng)的協(xié)助配合下，最終發(fā)現(xiàn)準確失事位置，展開救援行動。

2010年1月12日，海地發(fā)生7.3級大地震，世界各國動用大約20 多顆衛(wèi)星參與救援，日本的ALOS衛(wèi)星，法國的SPOT-5衛(wèi)星，美國的WorldView衛(wèi)星和QuickBird衛(wèi)星，加拿大的RadarSat-2衛(wèi)星，中國的HJ-1-A/B衛(wèi)星和歐空局的ERS-2衛(wèi)星和EnviSat衛(wèi)星等，這些衛(wèi)星將搜集的地震災區(qū)圖像資料及時提供給地面救援人員，為海地的營救做出重大貢獻。

圖4 北斗搜救系統(tǒng)原理結構

圖5 北斗搜救系統(tǒng)五大功能

2011年3月11日，日本東北部發(fā)生了9級超強大地震并引發(fā)海嘯，國際電信聯(lián)盟緊急部署78部配備有GPS的Thuraya衛(wèi)星電話、13部銥星電話及37個國際海事衛(wèi)星寬帶全球局域網終端，為搜救工作持續(xù)高效順利的開展提供了強有力的支持和幫助。

據澳大利亞《每日航天》網站2012年3月7日報道，國際COSPAS-SARSAT衛(wèi)星搜救系統(tǒng)投入運營以來，已成功營救空中和海上遇險人員24000人。目前在俄羅斯、歐洲和美國的部分氣象衛(wèi)星或其他衛(wèi)星上都裝有這類搜救信息中繼系統(tǒng)，但它們的搜救系統(tǒng)最初都安裝在低軌衛(wèi)星上，直到20世紀90年代才搭載在某些GEO衛(wèi)星上；而俄羅斯Glonass系統(tǒng)、歐洲Galileo系統(tǒng)和美國的第三代GPS系統(tǒng)已經或將要安裝的這種搜救系統(tǒng)不僅位于約2萬千米的MEO軌道上，而且還可以提供遇難人員所處的準確位置，為世界各地的搜索救援贏得了寶貴時間。全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的全球覆蓋、全球到達特性，使得全球海、陸、空遇險人員或交通工具發(fā)出的遇險呼救信號能很快到達各地搜救中心，并提供精確的地理位置。

3.2 我國衛(wèi)星系統(tǒng)搜救應用

2008年5月12日，我國四川汶川發(fā)生了8級大地震，在其后的抗震救災過程中，國內資源一號02星等5顆衛(wèi)星提供了728景數(shù)據；同時，美國陸地-7衛(wèi)星、歐空局資源衛(wèi)星、法國斯波特-5資源衛(wèi)星、加拿大雷達衛(wèi)星、日本艾羅斯雷達衛(wèi)星、印度測繪衛(wèi)星、意大利雷達衛(wèi)星等都提供了災區(qū)的圖像數(shù)據?！败娦l(wèi)二號”衛(wèi)星信息系統(tǒng)以其快捷、高效、安全、穩(wěn)定的優(yōu)異性能，有效保障了災區(qū)救援部隊與后方醫(yī)院或衛(wèi)勤機構的信息共享，提高了救援人員的衛(wèi)勤保障能力。正是導航定位衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等的緊急應用，大力支援，才最終保障和促進相關工作的持續(xù)開展。

2010年4月14日，我國青海玉樹發(fā)生了7.1級大地震，在搜救過程中，民政部衛(wèi)星減災應用中心啟動環(huán)境減災衛(wèi)星應急監(jiān)測計劃，為救災部門及時掌握了解災區(qū)損失情況提供了十分重要的決策依據。截至2010年5月4日18時，共獲取來自7個國家15類衛(wèi)星資源，以及航空遙感、無人機等各類數(shù)據1178景，數(shù)據量達405Gbyte。衛(wèi)星系統(tǒng)在此擔當主角，起到關鍵作用。2014年3月8日凌晨，馬來西亞航空公司MH370航班起飛后與地面失去聯(lián)系，中國資源衛(wèi)星應用中心于第一時間啟動了應急機制，緊急調用海洋、風云、高分、遙感等4個型號，近10顆衛(wèi)星對疑似區(qū)域進行大面積、重復性的觀測，配合地面搜救人員開展對失聯(lián)航班的搜索救援行動，發(fā)揮巨大作用。

4 中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)發(fā)展

目前，全球用于搜救業(yè)務的衛(wèi)星主要是低極軌道衛(wèi)星和靜止軌道衛(wèi)星。低極軌道衛(wèi)星具有信號接收能力強、設備兼容性好的優(yōu)點，但是覆蓋范圍小、有衛(wèi)星盲區(qū)、定位精度不夠準確；靜止軌道衛(wèi)星雖然覆蓋范圍大、沒有衛(wèi)星盲區(qū)，但是信號接收能力差、沒有多普勒定位，并且只能收到遇險示位標的信息碼。從上述對比分析可知，兩種衛(wèi)星系統(tǒng)在遇險報警的時效性和定位數(shù)據的準確性方面都存在有一定的技術局限，因此，從2000年開始，美國、歐盟和俄羅斯提議，在全球衛(wèi)星導航星座（GPS、Galileo和Glonass）上搭載搜救轉發(fā)器，形成中軌道搜救衛(wèi)星系統(tǒng)（MEOSAR），其具體系統(tǒng)構成如下圖6所示。

中軌道衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣、沒有衛(wèi)星盲區(qū)、定位精度高的技術特點，國際搜救衛(wèi)星組織已把利用中軌道衛(wèi)星開展搜救業(yè)務作為下一代搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展方向。經過研究論證，MEOSAR系統(tǒng)具有下面優(yōu)勢：

★實現(xiàn)近實時的全球范圍覆蓋并提供更準確和獨立的位置定位功能；

★信標到衛(wèi)星間的通信鏈路更健壯，衛(wèi)星冗余性和可靠性水平更高；

★有效克服在信標與衛(wèi)星間存在障礙物的問題；

★可通過建設地面站到信標的反向鏈路實現(xiàn)對搜救系統(tǒng)的有益補充和增強。

MEOSAR系統(tǒng)主要通過五個階段實現(xiàn)：①定義開發(fā)階段；②概念證明/在軌驗證階段；③演示評估階段；④初步運營階段；⑤正式運營階段。前兩階段早已隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設完成而完成；從2013年1月1日開始，MEOSAR系統(tǒng)正式進入全球范圍內演示評估的第三階段。

中軌道搜救衛(wèi)星技術是下一代全球搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的領先技術，相關技術標準和業(yè)務規(guī)范都還未達成共識，根據國際搜救衛(wèi)星組織的預計，2016年前后中軌道衛(wèi)星搜救業(yè)務才能真正開展起來。

隨著航天技術快速迅猛的發(fā)展，未來衛(wèi)星系統(tǒng)的功能將會得到進一步的擴充完善、改進提高，它所發(fā)揮的作用及對人們生活的影響也將隨之進一步變得更加強大與深遠。

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圖6 MEOSAR系統(tǒng)構成

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王曉海（1978- ），男，碩士研究生/工程師，空間電子信息技術研究院西安分院空間微波技術重點實驗室。主要從事衛(wèi)星有效載荷技術情報搜集與研究分析工作。