北斗全球位置報告和搜救應用思考

楚恒林，張?zhí)鞓?/p>

(北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094)

北斗全球位置報告和搜救應用思考

楚恒林，張?zhí)鞓?/p>

(北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094)

在國外三大衛(wèi)星導航系統(tǒng)均已配置全球搜救載荷的時代背景下，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為我國第一個實現(xiàn)全球連續(xù)覆蓋的衛(wèi)星系統(tǒng)，其全球位置報告功能實現(xiàn)搜救應用是必然選擇。通過綜述，比較分析了北斗全球位置報告與國際第二搜救體制MEOSAR在定位精度、響應時延和服務容量等方面的性能差異，指出了北斗全球位置報告功能的優(yōu)越性。同時，展望了北斗全球搜救在業(yè)務流程和服務性能方面的設計思考。

北斗系統(tǒng)；衛(wèi)星導航；位置報告；搜索救援；無線電測定

0 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國重要空間信息基礎設施，是我國應用衛(wèi)星體系中的時間基準和空間基準。根據(jù)工程建設計劃，北斗系統(tǒng)將于2020年前后實現(xiàn)全球星座組網(wǎng)[1]，成為我國第一個實現(xiàn)全球連續(xù)覆蓋的衛(wèi)星系統(tǒng)，也是我國典型的多業(yè)務衛(wèi)星系統(tǒng)。北斗不只具備RNSS連續(xù)導航業(yè)務，還具備頗有特色的RDSS位置報告業(yè)務[2-3]。而國際上其他導航系統(tǒng)，如美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo，自2000年開始也陸續(xù)進行了多業(yè)務發(fā)展，尤其是這三大系統(tǒng)在國際搜救衛(wèi)星組織的指導下，聯(lián)合搭載了MEOSAR搜救載荷，并逐漸成為COSPAS-SARSAT國際衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的主體部分。按照上述國際發(fā)展趨勢，全球衛(wèi)星搜救業(yè)務將成為未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)的必然組成部分[4-6]。

中國在大力推進“一帶一路”、“軍事力量走出去”等發(fā)展戰(zhàn)略過程中，一方面在“民用搜救”領域要融入國際現(xiàn)有衛(wèi)星搜救體系，另一方面也要保證“軍用搜救”方面自主可控。通過與國外衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢的橫向?qū)Ρ?，以及從我國自身衛(wèi)星軌位構型、頻率資源、建設進度、經(jīng)費規(guī)模和技術實現(xiàn)復雜度等多個方面來看，基于北斗全球系統(tǒng)位置報告功能實現(xiàn)搜救應用，是全球搜索與救援業(yè)務鏈中“搜尋定位”的優(yōu)選方案[7]。

1 全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

1.1 系統(tǒng)發(fā)展概況

COSPAS-SARSAT全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)于1979年由美國、前蘇聯(lián)、法國和加拿大4國聯(lián)合倡導建立，利用空間衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)向飛機、艦船、個人提供搜索和救援服務。全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)由遇險示位信標、空間段衛(wèi)星和地面處理分系統(tǒng)三大部分組成。遇險示位信標為脈沖式窄帶BPSK信號，可分為機載、艦載和手持等多種型號；空間段衛(wèi)星最初由美、俄提供的低軌道衛(wèi)星(LEO)組成，后來逐漸發(fā)展為現(xiàn)在的5顆低軌LEO、5顆高軌GEO以及越來越多的中軌MEO；地面處理分系統(tǒng)由遍布全球的任務控制中心(MCC)和本地用戶終端(LUT)組成，整體呈增量式發(fā)展態(tài)勢[8-10]。

同時，隨著世界各國全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的蓬勃發(fā)展，中圓軌道衛(wèi)星(MEO)星座體現(xiàn)出了良好的全球覆蓋性能；全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)COSPAS-SARSAT基于進一步提高定位精度、拓展覆蓋范圍、壓縮響應時間的發(fā)展目標，也積極推動構建MEO衛(wèi)星搜救體系。幾大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)Galileo、GPS-III和GLONASS-K星座都已公開承諾未來將共同搭載專用搜救載荷，并分別命名為SAR/Galileo、DASS/GPS和SAR/GLONASS[11-13]。國內(nèi)部分學者也公開倡導中國的北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)搭載搜救載荷?？梢?，全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)未來將與全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)緊密聯(lián)系、融合發(fā)展，并隨著搭載搜救載荷的MEO衛(wèi)星漸次增多，全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)使用效能將得到極大提升。

1.2 搜救信標信號體制與定位原理

目前，全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)信標信號體制已經(jīng)發(fā)展2個代次：第一代信標頻率為121.5 MHz(民)/243 MHz(軍)，第二代信標頻率為406 MHz[14]。

第一代搜救信標121.5 MHz/243 MHz信號未調(diào)整電文，國際沒有登記信息，造成虛警較高。國際衛(wèi)星搜救組織為規(guī)范系統(tǒng)運營，決定了至2009年終止121.5 MHz/243 MHz的信標定位業(yè)務，并要求全球所有航空器、船舶和陸地用戶必須裝備統(tǒng)一的406 MHz信標。據(jù)了解，國內(nèi)部分艦船仍然在使用243 MHz信標。

第二代搜救信標406 MHz信號采用BPSK脈沖調(diào)制方式，每段信號長度約440 ms，脈沖周期47.5～53.5 s，碼字速率400 bps±l%，發(fā)送功率5 W[15-17]。電文格式包含49 bit身份識別信息。利用LEO和GEO將遇險信標透明轉(zhuǎn)發(fā)或者接收存儲后轉(zhuǎn)發(fā)至地面站。信標激活后一般可以存活48 h，由于脈沖信號發(fā)送報文間隔較大(約50 s)，不適合連續(xù)實時定位。目前，基于國外三大全球?qū)Ш较到y(tǒng)MEO衛(wèi)星的搜救系統(tǒng)MEOSAR信標，全部采用406 MHz信號體制。

衛(wèi)星搜救信標定位原理有2種[18]：① 在信標信號電文中已攜帶遇險源的GNSS定位信息，報告精度10 m；② MCC利用衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)信標信號到達頻率(FOA)和到達時間(TOA)測量實現(xiàn)反向定位；由于MEO數(shù)量較多，搜救信標很容易同時被4顆以上衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，地面站再利用FOA或TOA聯(lián)立方程組解算位置，首次定位精度5 km，精度隨著信標激活時間延長也可有所提升[10]。

值得注意的是，MEOSAR兩種位置報告模式與北斗二號RDSS服務中位置報告1、位置報告2兩種模型有異曲同工之處。

1.3 全球衛(wèi)星搜救返向鏈路的設計情況

全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)增加返向鏈路有利于警情確認、減少誤報警，目前僅SAR/GALILEO系統(tǒng)具有返向鏈路功能，SAR/GPS和SAR/GLONASS系統(tǒng)正在開展相關的論證[19]。

伽利略搜救系統(tǒng)具有返回鏈路功能，返回鏈路服務提供商(RLSP)通過與伽利略地面段接口，實現(xiàn)返向鏈路功能與伽利略衛(wèi)星C波段上行鏈路集成，用于將返向鏈路信息上傳到伽利略衛(wèi)星，通過在伽利略導航信號L1上廣播返回鏈路消息為搜救信標提供報警確認服務，返回鏈路消息通過2個伽利略衛(wèi)星同時轉(zhuǎn)發(fā)。

返回鏈路的確認服務可以向遇險人員提供報警信息和報警位置的確認，以及救援行動的確認。為了獲得報警確認服務，遇險搜救信標必須在前向鏈路報警信息(FLAM)中傳送返回鏈路消息請求，向系統(tǒng)請求遇險警報的確認。

配備伽利略導航接收機的406 MHz信標具有接收伽利略導航信號的能力，支持返向鏈路功能的搜救信標可以接收包含在伽利略導航信號L1中的短SAR消息，實現(xiàn)報警確認信息的接收，支持返回鏈路功能的信標的成本不會顯著高于已經(jīng)包括GNSS接收機的現(xiàn)有信標的成本。

1.4 全球衛(wèi)星搜救技術體制未來發(fā)展趨勢

目前，基于現(xiàn)有第二代信標技術體制的國際衛(wèi)星搜救體系仍然在發(fā)展之中，2025年后可望達到72顆以上MEO衛(wèi)星的支持，基于現(xiàn)有技術體制的搜救系統(tǒng)組成體系將發(fā)展得十分龐大，但仍然有部分專家提出了第三代國際搜救信標的優(yōu)化建議[20]。

由于基于現(xiàn)有信標技術體制的國外三大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)MEOSAR載荷已經(jīng)大量投產(chǎn)，第三代搜救信標尚處于提議討論階段，并且衛(wèi)星導航系統(tǒng)全星座更新部署周期很長，可以預判第三代國際搜救信標成為現(xiàn)實還需要比較長的時間。下面主要梳理第三代國際搜救信標信號技術體制的主要優(yōu)化設計思路：

① 搜救信標由非擴頻信號體制變?yōu)閿U頻信號體制；

② 搜救信標由僅重復播發(fā)身份識別信息或含GNSS定位信息，還增加遇險用戶身體狀態(tài)信息；

③ 搜救應用終端具備可穿戴性能，即信標信號體制支持應用終端進一步小型化、低功耗。

實際上，上述第三代國際搜救信標的設計方案在我國北斗RDSS入站信號體制中已經(jīng)使用多年?？傮w而言，國際衛(wèi)星搜救系統(tǒng)定位原理與北斗位置報告定位原理基本相同，信標體制則在向北斗位置報告入站信號體制方向發(fā)展。

2 北斗全球位置報告與MEOSAR比較分析

北斗全球位置報告是用戶將RNSS定位結果，通過北斗組網(wǎng)星座中全球連續(xù)覆蓋的入站鏈路發(fā)送至地面控制中心，實現(xiàn)位置報告功能。這與COSPAS-SARSAT功能類似，也適用于緊急情況下的搜救應用。

國際衛(wèi)星搜救系統(tǒng)COSPAS-SARSAT的空間段已經(jīng)包括國外三大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GPS、GLONASS和Galileo的部分衛(wèi)星，未來還將穩(wěn)步擴充星座，中國北斗也有計劃搭載國際搜救MEOSAR載荷。但由于目前全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)COSPAS-SARSAT的龐大地面站點網(wǎng)絡與組織體系，主要為西方國家所掌握，中國在全球地面組織體系中無主導權；北斗衛(wèi)星搭載MEOSAR載荷，主要可對民用領域有所貢獻，并不能自主可控地解決我國軍用緊急告警與生命救援的問題。

通過COSPAS-SARSAT的系統(tǒng)組成及定位原理研究可知，全球衛(wèi)星搜救與北斗位置報告模式基本相同，最大差異在于現(xiàn)有搜救信標體制與北斗位置報告入站信號體制有所區(qū)別。由于沿用早期406 MHz非擴頻信號體制，國際搜救服務性能與北斗位置報告性能相差較大。并且國際衛(wèi)星搜救未來第三代信標信號體制的優(yōu)化設計目標，都是北斗位置報告已經(jīng)具備的技術體制?？梢哉f，在信號體制層面，北斗位置報告業(yè)務明顯優(yōu)于現(xiàn)有國際衛(wèi)星搜救系統(tǒng)，并且正在成為其第三代衛(wèi)星搜救技術體制的發(fā)展趨勢。第二代衛(wèi)星搜救信標定位原理框架如圖1所示。

圖1 第二代衛(wèi)星搜救信標定位原理框架

下面深入比較分析北斗全球系統(tǒng)全星座配置位置報告入站載荷以及世界幾大GNSS系統(tǒng)實現(xiàn)搭載搜救載荷后的2個系統(tǒng)架構，主要從衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)方式、信號體制、重發(fā)機載、發(fā)射功耗和定位原理等方面展開[13]，北斗全球位置報告與第二代國際衛(wèi)星搜救技術體制比較如表1所示。從中可以看出二者有很多共通之處：衛(wèi)星入站轉(zhuǎn)發(fā)都是透明式與處理式共存、透明式為主；定位報告原理相同或相近，都有2種工作模式；都具備一定重發(fā)機制，信標周期性脈沖實質(zhì)也是周期性短突發(fā)信號；發(fā)射功率也在同一量級。二者最主要的區(qū)別則有：

① 信號調(diào)制方面，北斗位置報告入站信號采用了高速率偽碼擴頻調(diào)制，而搜救信標未進行擴頻處理；

② 重發(fā)頻度方面，北斗位置報告支持用戶自由實時重發(fā)，而搜救信標脈沖周期約為50 s；

③ 工作頻度，北斗位置報告入站信號為L波段，而搜救信標為UHF波段。

由于信號體制等方面的差異，北斗位置報告定位報告性能比國際衛(wèi)星搜救MEOSAR系統(tǒng)性能優(yōu)勢主要在如下幾個方面：

① 定位精度更高，在無RNSS定位結果支持下的北斗位置報告報告精度優(yōu)于20 m，但MEOSAR定位精度為1 km左右；

② 抗干擾能力更強，北斗位置報告入站信號采用擴頻調(diào)制，抗外界電磁干擾能力更強，信道也就更安全；

③ 并行服務容量更大，擴頻調(diào)制系統(tǒng)內(nèi)部多址干擾容忍度更高。

④ 實時性更高，北斗位置報告首次定位響應時間1～30 s，支持用戶高頻度實時重發(fā)，可滿足跳傘、高空墜落等非常緊急情況下的高性能快速定位報告；搜救信標雖然也可即刻快速定位，但首次定位響應時間5 min～2 h，脈沖周期固定為50 s的實時性也有所不足；

⑤ 搜救效益更高，北斗位置報告入站信號在實現(xiàn)精確定位報告的同時，可以實現(xiàn)傷情戰(zhàn)情信息、待救人員身體狀態(tài)信息的快速傳輸與共享，輔助搜救行動的有序、高效進行；但現(xiàn)有國際搜救信標還無法傳輸這類重要的救援輔助信息；

⑥ 應用終端小型化更容易，北斗位置報告入站信號使用1.6 GHz的L波段，有利于應用終端天線尺寸的小型化，現(xiàn)有北斗產(chǎn)品中已經(jīng)具備腕表式可穿戴北斗位置報告應用終端；第二代搜救信標為406 MHz的UHF波段，一般天線尺寸較大。

⑦ 自主可控，北斗位置報告模式采用集中處理，適合為我軍自主可控使用；國際通用的MEOSAR地面站點全球互操作、MCC站點均在國外，不利于使用安全。

表1 北斗全球位置報告與第二代國際衛(wèi)星搜救技術體制比較

3 北斗全球搜救應用相關思考

北斗全球搜救功能，須按照自主可控、軍民融合、國際一流的原則開展體制設計，具備一體化實現(xiàn)航行追蹤與緊急救援的能力。在航行追蹤方面，以不低于15 min頻度的單向位置報告；在緊急救援方面，實現(xiàn)全球min級的響應速度，領先世界的返向鏈路；同時，提供4方面能力的返向鏈路：搜救確認應答、失蹤船只和飛機上激活信標、搜救任務完成后遙控關閉信標、控制信標傳輸頻度。

北斗全球搜救業(yè)務流程方面，建議可劃分為4個階段：

第1階段：遇險終端發(fā)送求救信號，北斗接入衛(wèi)星即刻應答確認；等待超過10 s再次觸發(fā)告警；

第2階段：遇險終端等待搜救中心回執(zhí)及控制指令，超過120 s再次觸發(fā)告警；

第3階段：等待救援力量部署，按照15 min/位移1 km的門限促發(fā)報告；

第4階段：救援力量逐步抵近，終端根據(jù)搜救中心指令提升報告頻度。

4 結束語

本文通過國內(nèi)外全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在國際衛(wèi)星搜救方面所開展工作的綜述分析，詳細比較了北斗位置報告業(yè)務與國際MEOSAR業(yè)務在定位精度、響應時間和服務容量等方面性能的差異，指出了北斗全球搜救應用所具備的優(yōu)勢。同時，也提出了未來北斗全球搜救在業(yè)務流程、服務性能方面的思考與建議。

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ApplicationofBeidouGlobalPositionReportandSAR

CHU Henglin,ZHANG Tianqiao

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

In the background that all of the three foreign global navigation satellite systems have been configured with global search and rescue (SAR) payload,as China’s first satellite system to achieve global continuous coverage,the application of Beidou’s global position report function in search and rescue field is an inevitable choice.In this paper,the performance differences between Beidou global position report system and the second generation MEOSAR are summarized,including the positioning accuracy,response delay and service capacity,and the superiority of BDS is pointed out.Then,the design thoughts of Beidou global search and rescue in terms of operation processes and service performance are introduced.

Beidou system；satellite navigation；position report；search and rescue；radio determination

2017-09-12

國家自然科學基金資助項目(41304031)

10.3969/j.issn.1003-3106.2018.01.01

楚恒林,張?zhí)鞓?北斗全球位置報告和搜救應用思考[J].無線電工程,2018,48(1):1-5.[CHU Henglin,ZHANG Tianqiao.Application of Beidou Global Position Report and SAR[J].Radio Engineering,2018,48(1):1-5.]

TN96.1

A

1003-3106(2018)01-0001-05

楚恒林男，(1973—)，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學飛行器設計專業(yè)，碩士，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導航系統(tǒng)總體設計。先后獲國家科技進步二等獎1項，省部級科技進步一等獎2項、二等獎5項。

張?zhí)鞓蚰校?1985—)，畢業(yè)于清華大學信息與通信工程專業(yè)，碩士，助理研究員。主要研究方向：定位報告信號體制設計與應用。