BDS中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)返向鏈路技術(shù)與應(yīng)用

高雅 ,何澤驊,2

(1.中國(guó)交通通信信息中心,北京 100011; 2.中電科(寧波)海洋電子研究院,浙江 寧波 315040)

0 引 言

國(guó)際衛(wèi)星搜救系統(tǒng)(COSPAS-SARSAT,以下簡(jiǎn)稱(chēng)C/S)是由美國(guó)、蘇聯(lián)、法國(guó)和加拿大聯(lián)合開(kāi)發(fā)的全球范圍的公益性衛(wèi)星遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng),由低軌道、中軌道和靜止衛(wèi)星上搭載的搜救載荷、地面處理系統(tǒng)和406 MHz搜救終端三大部分組成.

系統(tǒng)的報(bào)警工作原理是406 MHz搜救終端發(fā)射報(bào)警信號(hào),通過(guò)衛(wèi)星搜救載荷轉(zhuǎn)發(fā),由地面用戶(hù)終端(LUT)接收處理,任務(wù)控制中心(MCC)分發(fā)數(shù)據(jù),救援協(xié)調(diào)中心(RCC)采取救援行動(dòng). 早期系統(tǒng)報(bào)警信息流為單向,只有前向報(bào)警服務(wù)鏈路(FLAM). 《COSPAS-SARSAT 406 MHz中軌衛(wèi)星搜救實(shí)施計(jì)劃》(C/S R.012)[1]中將返向鏈路服務(wù)(RLS)作為中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)(MEOSAR)的一項(xiàng)先進(jìn)功能,無(wú)論衛(wèi)星是低軌、中軌還是靜止軌道,只要衛(wèi)星系統(tǒng)能夠提供前向406 MHz報(bào)警服務(wù),均可以向兼容的信標(biāo)提供返向鏈路服務(wù).

2018年12月,歐盟Galileo系統(tǒng)已具備通過(guò)導(dǎo)航電文播發(fā)返向鏈路消息的功能,并在歐洲開(kāi)展區(qū)域范圍測(cè)試[2-4]. 美國(guó)和俄羅斯也即將開(kāi)展在GPS,GLONASS系統(tǒng)上增加返向鏈路模塊的研究工作. 由此可見(jiàn)在中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)中增加返向鏈路功能已是大勢(shì)所趨. 作為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)中軌衛(wèi)星搜救系統(tǒng)也將提供前向報(bào)警服務(wù)以及返向鏈路服務(wù).

1 返向鏈路系統(tǒng)介紹

為便于警情確認(rèn)、減少誤報(bào)警,增強(qiáng)遇難者的信心及存活概率,國(guó)際衛(wèi)星搜救系統(tǒng)于2016年12月發(fā)布第二代406 MHz搜救信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[5-6],要求信標(biāo)支持報(bào)警確認(rèn)及報(bào)警取消功能,即通過(guò)返向鏈路處理系統(tǒng),以導(dǎo)航電文方式向信標(biāo)提供返向鏈路消息(RLM)播發(fā)服務(wù),旨在實(shí)現(xiàn)為遇險(xiǎn)人員提供雙向報(bào)警確認(rèn)和位置服務(wù),如營(yíng)救正在進(jìn)行的確認(rèn),甚至可以通過(guò)返向鏈路發(fā)送自定義消息.

為實(shí)現(xiàn)該功能,返向鏈路系統(tǒng)由支持返向鏈路編碼的406 MHz遇險(xiǎn)信標(biāo)、播發(fā)返向鏈路消息的衛(wèi)星、現(xiàn)有C/S地面網(wǎng)絡(luò)、返向鏈路信息處理系統(tǒng)(RLSP)及上行站組成. 返向鏈路系統(tǒng)組成如圖1所示.

圖1 返向鏈路系統(tǒng)功能圖

當(dāng)遇險(xiǎn)人員遇到緊急情況時(shí),自動(dòng)或人工啟動(dòng)遇險(xiǎn)信標(biāo),發(fā)出求救信號(hào).信標(biāo)在406 MHz前向鏈路報(bào)警消息中發(fā)送返向鏈路消息請(qǐng)求標(biāo)識(shí),告知系統(tǒng)需要遇險(xiǎn)報(bào)警確認(rèn)服務(wù),開(kāi)始接收導(dǎo)航電文中包含的返向鏈路的反饋信息. 報(bào)警信息被本地用戶(hù)終端站探測(cè)到,并通過(guò)C/S的任務(wù)控制中心(MCC)網(wǎng)絡(luò)分發(fā),各國(guó)服務(wù)范圍內(nèi)的MCC會(huì)初始化一條RLM請(qǐng)求發(fā)送至返向鏈路信息處理系統(tǒng)(RLSP),處理后送入衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面段并上注衛(wèi)星. RLM通過(guò)導(dǎo)航電文播發(fā)并被信標(biāo)接收后,信標(biāo)可為遇險(xiǎn)人員提供報(bào)警確認(rèn)信息、搜救動(dòng)態(tài)信息.

2 BDS搜救返向鏈路建設(shè)探索

北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)于2009年啟動(dòng)建設(shè),將由30顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng),包含24顆中圓軌道衛(wèi)星(MEO)、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星(IGSO)以及3顆靜止軌道衛(wèi)星(GEO). BDS-3 MEO和IGSO都可參與RLM的播發(fā),加大中國(guó)及周邊地區(qū)的報(bào)警容量.

2.1 BDS搜救載荷分布

BDS-3計(jì)劃在3個(gè)軌道面上的6顆BDS MEO上搭載符合C/S系統(tǒng)互操作標(biāo)準(zhǔn)的搜救載荷[7],支持406 MHz信標(biāo)的前向報(bào)警消息轉(zhuǎn)發(fā),與Galileo、GLONASS、GPS系統(tǒng)上搭載的搜救載荷一起組成中軌搜救網(wǎng)絡(luò),按衛(wèi)星發(fā)射順序編號(hào),搜救載荷分布如表1所示. RLM將被包含在B2b頻點(diǎn)的導(dǎo)航電文中下播,收發(fā)頻點(diǎn)如表2所示.

表1 BDS搜救載荷分布

表2 BDS搜救系統(tǒng)收發(fā)頻點(diǎn)

2.2 BDS返向鏈路服務(wù)類(lèi)型

BDS返向鏈路信息處理系統(tǒng)接收到中國(guó)任務(wù)控制中心傳遞來(lái)的返向信息請(qǐng)求后,數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后經(jīng)過(guò)地面網(wǎng)路提交給BDS運(yùn)控系統(tǒng). BDS運(yùn)控系統(tǒng)通過(guò)上行站將信息上注至衛(wèi)星,并通過(guò)星間鏈路進(jìn)行傳遞,按照一定策略下播,告知遇險(xiǎn)者確認(rèn)信息和必要的求生信息. 為提高BDS與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的互操作性,返向鏈路服務(wù)設(shè)計(jì)為三種類(lèi)型.

2.2.1 類(lèi)型1確認(rèn)

短RLM,系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn). 系統(tǒng)一旦檢測(cè)并定位到帶有返向鏈路請(qǐng)求的遇險(xiǎn)警報(bào)時(shí),自動(dòng)發(fā)送RLM至遇險(xiǎn)信標(biāo),目的在于快速反饋遇險(xiǎn)者.

2.2.2 類(lèi)型2確認(rèn)

長(zhǎng)RLM,救援中心確認(rèn). RLSP只有在收到來(lái)自負(fù)責(zé)救援協(xié)調(diào)中心的授權(quán)后才將RLM發(fā)送到遇險(xiǎn)信標(biāo). 由于救援部門(mén)可能需要時(shí)間評(píng)估遇險(xiǎn)情況并確定適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施,因此這種確認(rèn)不會(huì)立即發(fā)生. 該確認(rèn)將以半自動(dòng)、人工編碼的方式通知遇險(xiǎn)者警報(bào)正在處理.

2.2.3 類(lèi)型3確認(rèn)

內(nèi)容同類(lèi)型2,但為自定義文本,如“南海救112將于1小時(shí)后抵達(dá),請(qǐng)知悉”.

2.3 返向鏈路容量計(jì)算

根據(jù)CNMCC的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),2012-2018年中國(guó)在服務(wù)區(qū)范圍內(nèi)接收到的報(bào)警數(shù)量如圖2所示,2016-2018年真實(shí)報(bào)警數(shù)量分別為33次、32次、43次,誤報(bào)警率約96%,按照20%的增長(zhǎng)速率,10年后年報(bào)警數(shù)量預(yù)計(jì)5 000余次,考慮到BDS搜救系統(tǒng)的推廣應(yīng)用以及個(gè)人搜救信標(biāo)業(yè)務(wù)的發(fā)展,年報(bào)警次數(shù)預(yù)計(jì)可達(dá)到2萬(wàn)次以上,每個(gè)報(bào)警平均發(fā)送5條返向信息,同時(shí)遇險(xiǎn)報(bào)警是突發(fā)事件,取系數(shù)為10,返向鏈路信息量=20000×5×10/365/24=114次/小時(shí),取150次/小時(shí),考慮單顆星工作峰值為2.5條信息/每分鐘.

圖2 中國(guó)搜救服務(wù)區(qū)報(bào)警容量

2.4 播發(fā)策略

BDS-3 B2b電文為RLM業(yè)務(wù)分配了專(zhuān)用幀,配有專(zhuān)用消息類(lèi)型編號(hào)(MsgType),并適當(dāng)提高消息優(yōu)先級(jí). BDS運(yùn)控系統(tǒng)將一定時(shí)間內(nèi)的RLM請(qǐng)求拼裝,并按照先進(jìn)先出的原則及時(shí)播送相關(guān)電文. RLM專(zhuān)用幀在無(wú)業(yè)務(wù)需求時(shí)不播發(fā). 當(dāng)有相關(guān)業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí),BDS運(yùn)控系統(tǒng)以插播形式向下播放該幀.

考慮到導(dǎo)航電文落地電平較低,地形/失事飛機(jī)船只殘骸所帶來(lái)的幾何遮擋,導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)路徑被遮擋等因素造成RLM接收成功率低,需要使用相應(yīng)的策略來(lái)重復(fù)播發(fā),提高消息的接收成功率.

2.4.1 時(shí)間策略

單星重復(fù)播發(fā)消息三次,暫定1分鐘左右. RLM只應(yīng)該在信標(biāo)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)工作的時(shí)間發(fā)送. RLSP向BDS運(yùn)控系統(tǒng)發(fā)送RLM請(qǐng)求后,由BDS運(yùn)控系統(tǒng)具體安排發(fā)送隊(duì)列. 當(dāng)收到信標(biāo)的中斷請(qǐng)求后,RLSP也可以向BDS運(yùn)控系統(tǒng)發(fā)送中斷請(qǐng)求,中斷某個(gè)播發(fā)隊(duì)列. 示意圖如圖3所示.

圖3 時(shí)間策略示意

2.4.2 空間策略

利用一定的選星策略,選擇1～3顆衛(wèi)星同時(shí)播發(fā)消息.由于RLSP能夠獲取并識(shí)別搜救終端的類(lèi)型,包含緊急無(wú)線電示位標(biāo)(EPIRB), 航空應(yīng)急定位發(fā)射機(jī)(ELT-DT),個(gè)人信標(biāo)(PLB),同時(shí)MCC能判斷報(bào)警位置,因此RLSP可以判斷區(qū)分場(chǎng)景類(lèi)型,不同終端設(shè)備場(chǎng)景下的播發(fā)方案,設(shè)置多顆衛(wèi)星同時(shí)播發(fā)相同RLM的方式進(jìn)行信號(hào)路徑備份,具體場(chǎng)景設(shè)計(jì)如表2所示.

表2 不同終端設(shè)備場(chǎng)景下的播發(fā)策略

3 BDS返向鏈路應(yīng)用

BDS MEO搜救系統(tǒng)將通過(guò)返向鏈路為中國(guó)區(qū)域乃至全球用戶(hù)提供搜救報(bào)警確認(rèn)服務(wù),對(duì)于補(bǔ)充我國(guó)搜救衛(wèi)星系統(tǒng)原有功能,充分利用BDS空間信號(hào)資源,推廣BDS搜救設(shè)備國(guó)際化等方面作出貢獻(xiàn).

3.1 搜索救援領(lǐng)域的反饋確認(rèn)

搜索救援領(lǐng)域包含航海、航空、陸上搜救,航海搜救主要為遠(yuǎn)洋船舶及深遠(yuǎn)海應(yīng)急搜救,航空為航空器、無(wú)人機(jī)遇險(xiǎn)定位搜救,陸上為山區(qū)、森林、高原等基層工作人員人命救援. 在人跡罕至、傳統(tǒng)通信方式不能滿(mǎn)足、范圍過(guò)廣的環(huán)境下,通過(guò)使用衛(wèi)星搜救系統(tǒng)并加入反饋確認(rèn)的先進(jìn)功能,為遇險(xiǎn)報(bào)警人員提供雙向搜救信息交互服務(wù),提高搜救效率.

3.2 緊急告警服務(wù)

緊急告警服務(wù)(EWS)是利用BDS返向鏈路的技術(shù)原理,聯(lián)合救援中心,國(guó)家氣象預(yù)警中心或國(guó)家應(yīng)急響應(yīng)部門(mén)等,以區(qū)域/全球衛(wèi)星廣播的形式,主動(dòng)向遇險(xiǎn)報(bào)警終端發(fā)送信息,告知即將到來(lái)的龍卷風(fēng)、洪水、火災(zāi)、地震,甚至核泄露等會(huì)造成嚴(yán)重破壞,影響人們生存的緊急告警信息. 目前歐盟Galileo系統(tǒng)、日本準(zhǔn)天頂系統(tǒng)、印度國(guó)家衛(wèi)星系統(tǒng)正在定義緊急告警服務(wù)電文格式,我國(guó)使用BDS B2b頻點(diǎn)參與論證,可提升BDS在國(guó)際搜救領(lǐng)域的影響力.

3.3 支持BDS返向鏈路的搜救終端推廣

根據(jù)國(guó)際搜救衛(wèi)星組織第二代搜救信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),聯(lián)合國(guó)內(nèi)示位標(biāo)廠商,開(kāi)展支持BDS返向鏈路的搜救終端技術(shù)研究,搜救終端實(shí)現(xiàn)遇險(xiǎn)報(bào)警信息和BDS定位信息發(fā)送、返向鏈路服務(wù)協(xié)議報(bào)文接收,隨后進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)演示,在水上、航空、陸上開(kāi)展用戶(hù)級(jí)示范應(yīng)用,提高BDS搜救系統(tǒng)在我國(guó)海洋、內(nèi)河運(yùn)輸船舶、航空飛機(jī)上和道路運(yùn)輸車(chē)輛的使用率,有助于遇險(xiǎn)救助裝備技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,提升國(guó)產(chǎn)化水平,在遇險(xiǎn)救助裝備這一新領(lǐng)域推動(dòng)BDS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展.

4 結(jié)束語(yǔ)

BDS返向鏈路是對(duì)BDS搜救系統(tǒng)功能的完善,在現(xiàn)有衛(wèi)星搜救系統(tǒng)基礎(chǔ)上,不斷開(kāi)展新功能研制建設(shè),加快遇險(xiǎn)報(bào)警確認(rèn)信息返向鏈路等先進(jìn)功能建設(shè)應(yīng)用. 持續(xù)與國(guó)際搜救衛(wèi)星組織進(jìn)行對(duì)接,開(kāi)展系統(tǒng)升級(jí)發(fā)展研究論證,持續(xù)提升系統(tǒng)服務(wù)能力,保持系統(tǒng)先進(jìn)性,履行BDS衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的國(guó)際服務(wù)義務(wù).