衛(wèi)星通信在馬航搜救中的應用

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，當飛機在天上時，還能通過雷達來進行搜尋，但若是飛機已經(jīng)墜毀，雷達自然不可能發(fā)現(xiàn)飛機的蹤跡。一般來說，海上搜救的主力是艦船，但姑且不論大面積的撒網(wǎng)搜救需要可觀的財力物力，在搜救過程中更會遇到重重困難，從海下看，熱帶海域海水下有熱帶環(huán)流，對于搜救是不利的；從海面看，常有大風大浪，甚至是9級以上風浪，這樣的情況，對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)境的因素對衛(wèi)星的搜救尤其是遙感衛(wèi)星的影響相對較小，同時現(xiàn)在全球有1100顆人造衛(wèi)星在不同軌道中運行，調用很方便，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中要的作用。

關鍵詞：衛(wèi)星通信；搜救；馬航

中圖分類號：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)星作為中繼站而進行的無線電通信。人造衛(wèi)星按軌道可分為三種類型：低軌道衛(wèi)星（<5000km）運行周期2-4小時、中軌道衛(wèi)星（5000km到20000km）運行周期4-12小時、高軌道衛(wèi)星（大于20000km）運行周期12小時以上。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，其運行方向和運行周期（24小時）都與地球自轉相同。地球站由天線、發(fā)射、接受、終端分系統(tǒng)及電源、監(jiān)控和地面設備組成，主要作用是發(fā)射和接受用戶信號。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：多址分配，主要分為頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）。目前的衛(wèi)星通信多采用頻分多址技術，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)射以及減少變調干擾，一般在星上設置若干個轉發(fā)器。每個轉發(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，比較適用于點對點大容量的通信。時分多址即多個地球站占用同一頻帶，但占用不同的時隙。與頻分多址相比，時分多址技術不會產生互調干擾、適合數(shù)字通信、可根據(jù)業(yè)務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間，但利用不同的隨機碼對信息進行編碼來區(qū)分不同的地址。碼分多址采用了擴展頻譜通信技術，具有抗干擾能力強、有較好的保密通信能力、可靈活調度傳輸資源等優(yōu)點。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

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

2.1 通信距離遠，切通信費與距離無關

衛(wèi)星就是利用距地球三萬六千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，但是其總通信成本卻相對低廉，所耗資金少，并且隨著衛(wèi)星通信技術的設計和工藝的發(fā)展，成本將會進一步降低。

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，覆蓋面積相當于三百多個微波中繼站，在海、陸、空三個領域的車、船、飛機等移動通信中也在逐步發(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)解決了個人手機移動通信，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)星把整個地球表面覆蓋起來，就像是掛在天上的蜂窩移動通信系統(tǒng)，但是每顆衛(wèi)星的覆蓋面積要比地面蜂窩移動通信小區(qū)系統(tǒng)的一個基站要大的多，并且無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到500MHZ以上。一顆人造衛(wèi)星，可攜帶幾個到十個轉發(fā)器可供幾路電視如果用上頻分多址、時分多址以及碼分多址等接入方式，就能達到成千上萬路電話的使用。一顆人造衛(wèi)星，可攜帶幾個到十個轉發(fā)器可供幾路電視。

2.4 機動靈活，適應性強

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，它既可以實現(xiàn)陸地上兩點間的通信，也能實現(xiàn)船與船、船與陸地、空中與陸地之間的通信，由此形成了一個多點、多方向的立體通信網(wǎng)絡。

2.5 通信質量好、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，并且轉發(fā)數(shù)量少，因此噪聲影響小。對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)星進行傳輸，相較于傳統(tǒng)的C波段，這種技術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用及成效

首先了解一下一般民用飛機的通信手段。一般的飛機上都裝有三部甚高頻（VHF）電臺、兩步高頻（HF）電臺、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：

無線電波發(fā)射到地面接收機，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。通過飛機上的發(fā)射機將無線電波發(fā)射到電離層再反射到地面接收機。由于HF通信質量較低等缺陷，僅作為輔助。

在飛機的飛行過程中，飛機通信尋址與報告系統(tǒng)（ACARS）通過VHF以報文的形式發(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，地面工作站同時也可以向飛機發(fā)信號和數(shù)據(jù)。ACARS的主要功能之一就是在飛機移動過程中進行鏈路建立、維護和斷鏈。因此在飛機上VHF電臺超出與地面工作站通信距離或者出現(xiàn)故障時，ACARS的數(shù)據(jù)就會自動通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸。因此，即使飛機上種種通訊設備都停止工作了，衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈接仍然存在。飛機會自動發(fā)出信號，但不攜帶ACARS的數(shù)據(jù)，只是發(fā)出ping信號，即所謂脈沖信號。英國衛(wèi)星公司Inmarsat就是基于這一數(shù)據(jù)進行分析從而得出的猜想。

衛(wèi)星接收到從飛機上每隔一小時發(fā)來的脈沖信號（ping），依據(jù)這些信號從飛機傳回衛(wèi)星的仰角和時間，我們可以大致推知飛機飛行的時間和軌跡。飛機上天線的仰角，即為在接收點處，接收點與衛(wèi)星之間的連線和水平面的夾角。天線仰角計算公式：

式中，θ為接收點地理緯度，φ為接收點地理經(jīng)度，φ*為星下點的地理經(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（發(fā)送點）的地理的經(jīng)緯度。但如果接收或發(fā)射點的波源變成運動的物體，這個公式算出來的答案就不正確了。由于移動衛(wèi)星通信的信道是時變信道，其特性相對復雜、不易分析，存在多徑衰落、多普勒效應等干擾。然而國際海事衛(wèi)星組織就是通過分析多普勒效應來估測馬航的航線和方向的。多普勒效應是波源和觀察者有相對運動時，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，即當波源背離觀察者遠去時，接收到的波頻率小于波源實際頻率，當波源朝著觀察者運動時，接收到的波頻率大于波源實際頻率。多普勒的頻移可按如下公式計算：

式中，f0是實際工作頻率，v是波源與觀察者的相對速度，c為光速3×108m/s。由于衛(wèi)星和飛機之間存在相對運動，衛(wèi)星接收的脈沖信號由于多普勒效應產生了微小變化，是我們分析飛機去向的關鍵。若飛機沿著某一方向（假設不折返）先是離衛(wèi)星越來越近，然后離衛(wèi)星越來越遠，這樣就導致接受的信號先朝著高頻移動然后向低頻，這也叫信號的擴張和壓縮，通過飛機距離衛(wèi)星所處64.5度的緯度位置的遠近，來獲知在十億分之一秒單位下，信號是被壓縮，還是擴張了。衛(wèi)星每收到一次ping，就需要對其進行一次計算，由此判斷飛機方向和飛行時間。

4 結束語

盡管衛(wèi)星通信在馬航的搜救過程中仍然有一些不足，例如由于馬航未購買ACARS系統(tǒng)，因此衛(wèi)星無法獲知飛機具體的飛行狀態(tài)；對衛(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，衛(wèi)星通信在搜尋馬航過程中不可代替的作用。隨著民航航空越來越普及，航空通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)鏈路應用將會越來越廣泛，人們對衛(wèi)星通信的期望也會越來越高。我國民用飛機的自助研制剛剛起步，這一塊相對薄弱。因此在我國大力研發(fā)民用航空的背景下，深入研究衛(wèi)星通信技術在航空通信系統(tǒng)中的應用對我國民用航空產業(yè)發(fā)展有著重大的意義。

參考文獻：

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

作者簡介：黃哲怡（1993-），女，四川人，本科，研究方向：移動通信。

作者單位：中國傳媒大學，北京 100024