一種基于北斗的航空搜救機(jī)載指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方芳 楊航 李偉 李洪烈 葛耀武

摘要：針對(duì)飛行人員海上航空搜救應(yīng)用特點(diǎn)，本文提出一種基于北斗的機(jī)載指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在搜救系統(tǒng)機(jī)載平臺(tái)應(yīng)用的作用與功能需求;設(shè)計(jì)了系統(tǒng)功能優(yōu)先級(jí)，將服務(wù)權(quán)限劃分為六級(jí)，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(jì)了三級(jí)搜救裝備體制，明確了搜救指揮層級(jí)中的角色定位;設(shè)計(jì)了指揮操作流程方案，在此基礎(chǔ)上完成了功能單元?jiǎng)澐?，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(jī)載裝備;功能框架

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

我國(guó)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(jī)或固定翼搜索引導(dǎo)飛機(jī)在海上大范圍搜索探尋超短波救生電臺(tái)信號(hào)和示位信標(biāo)信號(hào)開展救援行動(dòng)[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(jī)制建設(shè)的初級(jí)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(jī)載平臺(tái)中的功能需求[4，5]，對(duì)其在航空救生系統(tǒng)中角色進(jìn)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(bào)文[10]、指揮等功能[9，10]實(shí)現(xiàn)北斗機(jī)載端機(jī)與原機(jī)搜救系統(tǒng)的信息交互;通過功能優(yōu)先級(jí)限定及操作流程規(guī)劃，使其進(jìn)一步融人整個(gè)機(jī)載救生系統(tǒng);通過短報(bào)文功能完成搜救信息轉(zhuǎn)發(fā)、位置報(bào)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(jí)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(shí)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(jìn)行的，會(huì)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(bào)位或連續(xù)定位工作時(shí)，會(huì)一直占用，其他信息無(wú)法及時(shí)發(fā)送。因此，需要對(duì)這些功能進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，更好地完成系統(tǒng)賦予的任務(wù)使命，優(yōu)先級(jí)劃分如下：

（1）特權(quán)：SOS

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

（2）優(yōu)先1級(jí)：無(wú)線電靜默

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

（3）優(yōu)先2級(jí)：指揮短報(bào)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(shí)與指揮監(jiān)測(cè)站或被救對(duì)象溝通。

（4）重要：被救對(duì)象位置信息發(fā)送

該功能把被救對(duì)象位置信息發(fā)送給指揮監(jiān)測(cè)站，引導(dǎo)其他兵力開展救援，因?yàn)椴捎玫氖?s級(jí)服務(wù)頻度，即便延遲1～2s，不會(huì)對(duì)救援行動(dòng)產(chǎn)生影響。

（5）一般：自報(bào)位信息發(fā)送

該功能連續(xù)把慣導(dǎo)的本機(jī)精確位置信息發(fā)送給指揮監(jiān)測(cè)站，即便中斷一段時(shí)間（30s以內(nèi)，按10個(gè)被救對(duì)象的位置信息都要發(fā)送），也不會(huì)對(duì)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(jī)自檢完成后自動(dòng)進(jìn)入連續(xù)定位模式，自報(bào)位可以中斷連續(xù)定位，被救對(duì)象信息發(fā)送可以中斷自報(bào)位，指揮短報(bào)文發(fā)送可以中斷被救對(duì)象信息發(fā)送，SOS可以中斷所有當(dāng)前工作。

3 角色定位

采用北斗二號(hào)系統(tǒng)的RDSS體制，具有指揮、短報(bào)文通信與有源定位功能。其與指揮監(jiān)測(cè)站、飛行員救生電臺(tái)構(gòu)成三級(jí)搜救體制。

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

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

（2）手持臺(tái)給搜索引導(dǎo)平臺(tái)發(fā)送短報(bào)文時(shí)，指揮監(jiān)測(cè)站能監(jiān)收到短報(bào)文。

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

（4）搜索引導(dǎo)平臺(tái)能通過手持臺(tái)與指揮監(jiān)測(cè)站進(jìn)行信息交互。

下級(jí)用戶可以對(duì)應(yīng)多個(gè)上級(jí)，圖中以虛線表示，上級(jí)用戶可以監(jiān)收多個(gè)下級(jí)的信息，或同時(shí)指揮多個(gè)下級(jí)協(xié)同完成任務(wù)。對(duì)于搜救體系來(lái)說，指揮監(jiān)測(cè)站可以指揮多個(gè)搜索平臺(tái)協(xié)同實(shí)現(xiàn)多區(qū)域的多目標(biāo)搜索，使搜救體系能夠應(yīng)對(duì)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(dān)負(fù)監(jiān)收下屬子用戶，即待救目標(biāo)的定位信息。

（2）被救對(duì)象位置信息發(fā)送

擔(dān)負(fù)把救生電臺(tái)得到的被救對(duì)象位置信息以短報(bào)文的形式發(fā)送給指揮監(jiān)測(cè)站。

（3）聯(lián)絡(luò)和自救報(bào)位

在遠(yuǎn)?；虺涂诊w行中，擔(dān)負(fù)自救報(bào)位和指揮聯(lián)絡(luò)任務(wù)，在遇險(xiǎn)時(shí)上報(bào)求救信號(hào)和本機(jī)坐標(biāo)。

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

（1）手持臺(tái)中的北斗能正常工作，當(dāng)其自動(dòng)進(jìn)行定位時(shí)，搜索平臺(tái)或指揮監(jiān)測(cè)站任何一個(gè)處于開機(jī)正常工作狀態(tài)，都能及時(shí)收到該位置信息，能立即組織救援。

（2）手持臺(tái)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(tái)與定向機(jī)定位落水飛行員位置，以短報(bào)文通信方式發(fā)送給指揮監(jiān)測(cè)站，便于及時(shí)開展救援行動(dòng)。

4 操作流程設(shè)計(jì)

開機(jī)后首先進(jìn)入開機(jī)自檢過程，完成后進(jìn)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(jī)內(nèi)部工作流程按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行工作，處理流程圖如圖3所示。整個(gè)工作流程分為ARINC429數(shù)據(jù)和RS422數(shù)據(jù)兩個(gè)中斷，一個(gè)主線程。

ARINC429數(shù)據(jù)中斷主要處理兩個(gè)信息，一是主動(dòng)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(bào)位功能時(shí)啟動(dòng);二是搜索定位處理系統(tǒng)有被救對(duì)象位置信息時(shí)向主機(jī)報(bào)送該位置信息，是被動(dòng)過程。收到后先保存，設(shè)置對(duì)應(yīng)發(fā)送標(biāo)志，然后退出中斷。

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

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

SOS任務(wù)因涉及到飛機(jī)遇險(xiǎn)與飛行員救援，進(jìn)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(shí)，一直到靜默關(guān)閉再恢復(fù)正常工作。指控信息和被救對(duì)象位置信息都有發(fā)送需求時(shí)，優(yōu)先發(fā)送指控信息，被救對(duì)象位置信息壓棧保存，待下次服務(wù)頻度到來(lái)時(shí)再取出發(fā)送。

自報(bào)位和RDSS自定位功能按優(yōu)先級(jí)什么時(shí)候空閑，什么時(shí)候執(zhí)行，因?yàn)槠洳粫?huì)對(duì)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(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了一套機(jī)載北斗短報(bào)文收發(fā)設(shè)備，設(shè)備由天饋、主機(jī)和手柄組成，通過ARINC429接口與原機(jī)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(jī)地理位置信息（慣導(dǎo)信息）和收到的手持救生電臺(tái)地理位置信息，由北斗衛(wèi)星通信鏈路實(shí)現(xiàn)短報(bào)文遠(yuǎn)程通信，傳輸信息到地面站，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)手持北斗設(shè)備的搜尋，該設(shè)備已實(shí)現(xiàn)小批量裝備，在航空搜救領(lǐng)域發(fā)揮了積極作用。

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