深海中失事飛機(jī)黑匣子的綜合化高效搜索方法研究

當(dāng)飛機(jī)在海上失事時(shí)，如何找到深海中的飛機(jī)黑匣子成為一個(gè)世界性的難題。眾所周知，馬航MH370的搜救工作持續(xù)了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但飛機(jī)黑匣子至今仍未找到。影響黑匣子搜索的因素有很多，但最重要的莫過于兩點(diǎn)：一是大洋環(huán)境異常復(fù)雜，難以準(zhǔn)確定位黑匣子的位置；二是黑匣子信號(hào)發(fā)射器的信號(hào)太弱，而且電池只能持續(xù)30天左右，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足搜索任務(wù)的需要。因此，在大洋中搜索黑匣子需要耗費(fèi)極大的人力物力。為了解決這個(gè)問題，本文提出了一種全新的綜合化高效搜索方法，可以很好地解決難以搜索到深海中失事飛機(jī)黑匣子的問題。

深海中黑匣子搜索任務(wù)與解決方案概述

眾所周知，飛機(jī)黑匣子記錄了重要的飛行參數(shù)，如高度、速度和飛行任務(wù)等信息，這些內(nèi)容都將成為在空難后找到真相的證據(jù)。機(jī)載黑匣子包括數(shù)字飛行數(shù)據(jù)記錄器（DFDR）和駕駛艙話音記錄器（CVR）。如果飛機(jī)落水，黑匣子里的水下定位信標(biāo)將會(huì)被觸發(fā)。它將發(fā)出37.5kHz/s脈沖信號(hào)。在深海中可以持續(xù)工作30天左右。即便如此，裝載AUV的救援飛機(jī)和船只還是很難找到黑匣子。這其中的影響因素有很多，首先，人們對(duì)飛機(jī)墜毀的海域知之甚少，深海和海底的環(huán)境又異常復(fù)雜。其次，水下一片漆黑，電磁波無法傳輸，只能通過聲吶信號(hào)辨識(shí)黑匣子的方位。然而，定位信標(biāo)所發(fā)出的脈沖信號(hào)功率是十分微弱的，即便如此，定位信標(biāo)的電池也只能持續(xù)30天左右，這給搜索工作帶來了極大的困難。為解決以上問題，本文提出了一套綜合化的高效搜索方案。結(jié)合北斗二代（BDS-2）衛(wèi)星定位系統(tǒng)、水面智能浮標(biāo)、自動(dòng)水下航行器（AUV）和船舶控制中心，形成高效的搜索網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)框架下，進(jìn)一步改變了黑匣子定位信標(biāo)入水時(shí)的信號(hào)傳輸方法，既可以延長(zhǎng)定位信標(biāo)的工作時(shí)間，又可以提高黑匣子的發(fā)現(xiàn)概率。

目前，北斗全球定位系統(tǒng)即將完成，它將為我國(guó)的海洋搜救任務(wù)帶來極大的便利[1]。但是由于電磁波在水中快速衰減，海面下任何衛(wèi)星定位系統(tǒng)都將失去功效。幸運(yùn)的是，聲波在水中具備良好的傳輸特性，可以彌補(bǔ)電磁波的不足。BDS-2與聲吶系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)搜索區(qū)域的無縫銜接，在空中、陸地和水下開展一體化救援任務(wù)。而對(duì)于黑匣子定位信標(biāo)來說，它可以通過改變發(fā)送脈沖信號(hào)的周期，以不同時(shí)間間隔發(fā)送求救信號(hào)，從而保存大部分電量，延長(zhǎng)在水下工作的壽命。此外，水下聲吶定位的搜索范圍廣，但定位精度十分有限。為了提高搜索的準(zhǔn)確度，在AUV接近黑匣子水域的百米范圍內(nèi)，可以啟動(dòng)黑匣子中的磁信標(biāo)，它可以產(chǎn)生磁性信號(hào)。三軸正交磁信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)在低功耗條件下的高精度定位。從而為漆黑海底近距離搜索黑匣子提供有效補(bǔ)充[2]。

綜合化高效搜索方案的系統(tǒng)構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)搜索系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括五大部分，北斗差分站、北斗智能浮標(biāo)、艦載控制中心、AUV和黑匣子定位信標(biāo)。如圖1所示，北斗差分站提供北斗差動(dòng)校正，可使北斗定位系統(tǒng)精確到厘米級(jí)[1]。AUV的主要任務(wù)是接收聲波信號(hào)，同時(shí)接收北斗智能浮標(biāo)的控制信息。黑匣子定位信標(biāo)穩(wěn)定地發(fā)送脈沖信號(hào)，艦載控制中心接收和記錄每個(gè)浮標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。在此框架下，深海中的黑匣子定位信標(biāo)的信號(hào)傳輸?shù)姆椒òl(fā)生了變化，從而使工作時(shí)間大大增加。

圖1 綜合化高效搜索系統(tǒng)構(gòu)成與互聯(lián)關(guān)系

BDS-2可以實(shí)現(xiàn)在開闊的陸地、海面和外部空間的全球定位和導(dǎo)航。然而，由于海水對(duì)無線電波信號(hào)快速衰減，BDS-2系統(tǒng)在海洋內(nèi)部的巨大空間里是無效的。而聲波可以在水中傳播數(shù)百公里，并且沒有明顯的吸收損失，憑借其良好的物理特征當(dāng)仁不讓成為了在海洋里傳播信息的主力。水下黑匣子的坐標(biāo)相對(duì)于智能浮標(biāo)而言屬于獨(dú)立的局部相對(duì)坐標(biāo)系，如果水下聲吶系統(tǒng)和BDS-2衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以集成在一起，衛(wèi)星定位系統(tǒng)便可以使用全球統(tǒng)一的空間直角坐標(biāo)系。進(jìn)而，陸地、水面和水下的位置坐標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一[3]。

綜合化搜索系統(tǒng)核心部分是BDS-2智能浮標(biāo)，主要功能包括空間位置測(cè)量、姿態(tài)測(cè)量、聲吶信號(hào)檢測(cè)、水下聲波延時(shí)測(cè)量、無線電數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，將衛(wèi)星定位系統(tǒng)和水下聲吶系統(tǒng)整合在一起，實(shí)現(xiàn)水下定位系統(tǒng)和衛(wèi)星的協(xié)同工作。通過BDS-2衛(wèi)星，智能浮標(biāo)可以直接測(cè)量其自己的精確坐標(biāo)。水下目標(biāo)的位置可以通過計(jì)算聲波的到達(dá)時(shí)間差而獲得（DOT）。通過無線通信數(shù)據(jù)鏈，定位數(shù)據(jù)被發(fā)送到水面艦艇的控制中心。一方面，內(nèi)置的BDS-2接收器得到了空間定位信號(hào)，另一方面，它將提供精確的時(shí)鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)。通過精確的時(shí)鐘頻率控制，時(shí)間測(cè)量和數(shù)據(jù)同步傳輸可以被實(shí)現(xiàn)[4]。

另外，差分BDS-2參考站可以提供BDS-2差分信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)BDS-2智能浮標(biāo)的厘米級(jí)精確定位。對(duì)于大范圍的水下搜索任務(wù)，水面浮標(biāo)的位置可以視為固定的，位置數(shù)據(jù)在水面上可以用數(shù)字羅盤實(shí)時(shí)校正。船舶控制中心的主要功能是接收浮標(biāo)數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，計(jì)算目標(biāo)的空間位置，監(jiān)視AUV和浮標(biāo)的工作狀態(tài)，傳輸數(shù)據(jù)和通信。主要設(shè)備有多臺(tái)航道浮標(biāo)接收機(jī)，水下通信接收機(jī)，通訊換能器等。AUV主要負(fù)責(zé)水下的搜尋工作。整個(gè)綜合化搜索系統(tǒng)的工作流程可以總結(jié)成圖2所示。

圖2 水下綜合化高效黑匣子搜索方法工作流程圖

黑匣子定位信標(biāo)的工作方式和水下定位算法

黑匣子定位信標(biāo)的新型工作方式與綜合化搜索實(shí)現(xiàn)

在黑匣子里，內(nèi)置一個(gè)緊急定位信標(biāo)。一旦飛機(jī)失事落水，此時(shí)黑匣子定位信標(biāo)將自動(dòng)打開，信標(biāo)以37.5kHz/s

的頻率定時(shí)發(fā)送超聲波脈沖信號(hào)。通常情況下，定位信標(biāo)會(huì)連續(xù)工作30天左右，直到電量耗盡為止。然而，通過馬航MH370搜索事件可以看出，黑匣子信標(biāo)工作時(shí)間太短，搜索區(qū)域又太大，給搜索任務(wù)帶來了巨大的困難。為了延長(zhǎng)定位信標(biāo)的工作時(shí)間，大概60天或更長(zhǎng)，黑匣子可以改變不同的時(shí)間間隔發(fā)出信號(hào)。其傳輸模式的原理圖如圖3所示。

在墜機(jī)的前10天，定位信標(biāo)將每隔1分鐘發(fā)送一個(gè)聲脈沖信號(hào)。通過識(shí)別這種特殊的聲吶信號(hào)，救援船可以確定飛機(jī)失事的海域，并在海面上布置BDS-2定位浮標(biāo)。然后，AUV將被派遣到深海中搜尋黑匣子。由于AUV每天只能搜索一個(gè)有限的海域，搜索黑匣子的過程將會(huì)非常消耗時(shí)間。為了保持電源電量并延長(zhǎng)工作時(shí)間，黑匣子的發(fā)射器將在接下來的20天里每隔10分鐘發(fā)射一次脈沖信號(hào)。在這個(gè)時(shí)間段，脈沖的占空比也隨之縮短。收到黑匣子的定位信號(hào)后，AUV可以進(jìn)一步壓縮搜索范圍。與此同時(shí)，AUV可以通過BDS-2在深海中確定自己的位置坐標(biāo)。在接下來的30天里，定位發(fā)射機(jī)將每小時(shí)發(fā)送一次脈沖信號(hào)。以這種方式，大部分電力可以保存，黑匣子水下的工作時(shí)間也將被大大延長(zhǎng)。endprint

圖3 延長(zhǎng)信標(biāo)工作時(shí)間的信號(hào)發(fā)送模式

水下聲波定位模型

水下聲吶定位系統(tǒng)分為超短基線定位系統(tǒng)（USBL），短基線定位系統(tǒng)（SBL）和長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)（LBL）。由于水面浮標(biāo)分布的海域很廣，水下聲吶定位可以采用甚長(zhǎng)基線定位模型[3]。圖4中闡明了甚長(zhǎng)基線雙曲線定位方程的概念圖，根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，可以得到定位方程（1）。

圖4 定位方程的概念闡釋圖

（1）

上述公式中，、、代表了水下收發(fā)器的位置坐標(biāo)，而、、代表了空間中1號(hào)智能浮標(biāo)的位置坐標(biāo)，以此類推。在海洋中的平均聲速用來描述。和分別表示信號(hào)傳遞到1號(hào)與2號(hào)智能浮標(biāo)的具體時(shí)間。對(duì)于多個(gè)浮標(biāo)來說，將其中一個(gè)浮標(biāo)選擇為參照物，它的位置坐標(biāo)、、已知，根據(jù)方程（1）可以建立以下定位的數(shù)學(xué)模型：

（2）

由于在不同海水深度的時(shí)候，海洋密度不盡相同，這導(dǎo)致了在海洋中，聲速也會(huì)隨著海水深度發(fā)生改變。所以在計(jì)算時(shí)，我們將也看作一個(gè)未知數(shù)，在方程組中可以求解。當(dāng)浮標(biāo)的個(gè)數(shù)大于4個(gè)時(shí)，我們可以利用最小二乘法的方法對(duì)于方程組進(jìn)行求解，以提高位置坐標(biāo)的計(jì)算準(zhǔn)確度。

結(jié)論

如何在深海中尋找飛機(jī)黑匣子是一個(gè)世界性的難題。本文提出了一種新型的綜合化高效黑匣子搜索方案。結(jié)合BDS-2衛(wèi)星定位系統(tǒng)、水面智能浮標(biāo)、AUV和船舶控制中心，形成了一個(gè)綜合化的高效搜索網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，本文提出改變深海中黑箱的信號(hào)傳輸方法，定位發(fā)射機(jī)發(fā)送兩種定位信號(hào)，即聲吶信號(hào)和磁信號(hào)。黑匣子定位信標(biāo)將在不同的時(shí)間間隔發(fā)送聲吶脈沖信號(hào)，從而節(jié)省電能，極大地延長(zhǎng)了黑匣子的工作時(shí)間。為了提高近距離搜索精度，還可以采用磁定位方法作為輔助，最終實(shí)現(xiàn)水下飛機(jī)黑匣子的綜合化高效搜索。

參考文獻(xiàn)

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（作者簡(jiǎn)介：王淼，中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)朝陽

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