海難和空難的“救援衛(wèi)士”

呂傳彬

在航空和航海事業(yè)高度發(fā)展的今天，空中與海上航線日益繁忙。不過，一旦飛機或船舶失事，尋找起來卻很困難。

30多年前，蘇聯(lián)先后發(fā)射兩顆救援衛(wèi)星，建立了“失事船舶、飛機的空間搜索系統(tǒng)”，其縮寫音譯為“科斯帕斯”。美國也先后發(fā)射兩顆救援衛(wèi)星，與加拿大、法國共同建立了“搜索與救援衛(wèi)星追蹤系統(tǒng)”，其縮寫音譯為“薩爾薩特”。這兩個系統(tǒng)可以獨立工作，并且由于技術參數(shù)完全一致，也可以形成一個統(tǒng)一的“科斯帕斯-薩爾薩特系統(tǒng)”。

如今，救援衛(wèi)星已在許多國家升空。

搜救原理

衛(wèi)星搜索和救援系統(tǒng)的工作原理并不復雜。在船舶、飛機上設置專用的無線電報警發(fā)射機，其頻率為國際上統(tǒng)一規(guī)定的406兆赫，救援衛(wèi)星上也設置406兆赫的無線電接收機。飛機、船舶臨失事時，將報警發(fā)射機打開，它會不斷發(fā)出失事信號。

飛經(jīng)該發(fā)射機上空的救援衛(wèi)星接收到報警信號后，立即用1 544.5兆赫的頻率將失事者的相對坐標通知給最近的地面情報接收站。地面情報接收站再把情報轉(zhuǎn)發(fā)給“科斯帕斯-薩爾薩特系統(tǒng)”的地面中心站，由地面中心站向出事地區(qū)的救援組織發(fā)出救援通知。

怎樣確定失事地點

救援衛(wèi)星在距地面850～1 000千米的近乎圓形軌道上運行。在此高度上，可以接收來自直徑約5 000千米的地區(qū)的報警信號。怎樣在如此廣闊的地區(qū)內(nèi)精確確定失事地點，從而使地面救援人員迅速找到失事者？

“科斯帕斯-薩爾薩特系統(tǒng)”利用多普勒效應測定失事地點。

為了理解這種定位方法，我們需先設想兩條線段。第一條為救援衛(wèi)星的飛行軌道在地面的投影，可稱其為線段AB。第二條為從報警發(fā)射機所在位置引向線段AB的垂線，可稱其為線段CD。很明顯，當救援衛(wèi)星向線段CD飛行時，其實就是向報警發(fā)射機的所在位置飛行。

根據(jù)多普勒效應，救援衛(wèi)星、報警發(fā)射機在速度和方向上有相對運動，救援衛(wèi)星接收到的信號頻率與報警發(fā)射機發(fā)出的信號頻率是不同的。當救援衛(wèi)星向報警發(fā)射機飛行時，它接收到的信號頻率會升高;當它飛越報警發(fā)射機的所在位置后，接收到的信號頻率便會降低;當它正好飛臨報警發(fā)射機上空時（即在線段CD上，我們把這個點定為O點），接收到的信號頻率正好是報警發(fā)射機發(fā)出的信號頻率，即406兆赫。這樣，根據(jù)多普勒效應的變化就可以確定線段CD的具體位置，從而確定報警發(fā)射機的一個坐標。而根據(jù)頻率的變化情況可以求出報警發(fā)射機的另一個坐標，即它與O點之間的距離。

如果報警發(fā)射機的位置距O點很遠，那么救援衛(wèi)星接近它的速度便會很慢。報警發(fā)射機的位置距離救援衛(wèi)星的飛行軌道越近，衛(wèi)星接近它的速度就會越快，接收到的信號頻率也就越高。連續(xù)測出頻率的多普勒效應變化，并對其變化特性加以分析，就可以準確地確定報警發(fā)射機在線段CD上與O點之間的距離，這樣就能找到報警發(fā)射機的第二個坐標，即失事地點。

難以捕捉的微弱信號

救援衛(wèi)星接收到的由報警發(fā)射機發(fā)出的信號非常微弱，相當于宇宙飛船從火星或金星附近發(fā)回地面的信號大小。要接收如此微弱的信號是很困難的，整個接收、測量和計算系統(tǒng)不能漏掉信號中的任何一段，也不能因偶然的干擾而使信號嚴重失真。

報警發(fā)射機由自動裝置控制，間歇工作：發(fā)射信號0.5秒，間歇50秒。這種信號短、間歇長的工作方式有兩大優(yōu)點。首先是節(jié)約能源，能使電池壽命延長，其次是救援衛(wèi)星可在同一時間內(nèi)接收數(shù)臺發(fā)射機發(fā)來的信號。一般是此發(fā)彼停，即使碰巧兩臺發(fā)射機發(fā)出信號的時間完全重合，救援衛(wèi)星也會自動接通另一接收通道，不會丟失任何一個失事信號。

報警發(fā)射機發(fā)出的每個信號雖然只有0.5秒，卻包含了豐富的信息。在前1/3的時間里，信號中不包含失事信息，只發(fā)送未調(diào)諧的406兆赫載波，衛(wèi)星接收機對該頻率調(diào)諧。在之后的2/3時間里，信號中自動加入各種二進制編碼信息，其中包括報警發(fā)射機在“科斯帕斯-薩爾薩特系統(tǒng)”中的登記編號、發(fā)射機擁有者（飛機或船舶）、國別、失事性質(zhì)（火災、負荷偏移、滲漏等）、失事時間、大致坐標及其他與工作有關的信息。

能接收“黑匣子”發(fā)出的信號

半個世紀來，飛機、船舶都使用一種俗稱“黑匣子”的121.5兆赫失事發(fā)射機，它的功率很小，僅0.1瓦。黑匣子發(fā)出的信號中不附加任何信息，只是通過“吱吱”聲向救援的飛機、直升機或船只報告自己的方位。救援衛(wèi)星上也裝有121.5兆赫接收機，以便搜索、救援失事飛機和船舶。

救援衛(wèi)星收到信號后僅放大，不加處理就向地面情報接收站轉(zhuǎn)發(fā)。地面情報接收站對該頻率的多普勒變化進行測量，算出發(fā)射機的相對坐標，確定失事地點。

值得一提的是，在406兆赫的報警發(fā)射裝置上也配有一臺121.5兆赫的小功率發(fā)射機。它并非用于衛(wèi)星搜索，而是便于救援人員在惡劣天氣條件下或夜間根據(jù)救援衛(wèi)星的指引，迅速搜索失事者。

救援衛(wèi)星的效能只有在船舶、飛機都裝上406兆赫失事發(fā)射機后才能發(fā)揮得最充分。這是因為，衛(wèi)星不存儲121.5兆赫信號，隨時接收、隨時轉(zhuǎn)發(fā)，如果當時衛(wèi)星視野內(nèi)沒有地面情報接收站，一旦失事，情報便會無效。

目前，全世界地面情報接收站的有效覆蓋區(qū)域約占地球表面的1/4。如果接收的是406兆赫的信號，救援衛(wèi)星便能將信息存儲起來，到有地面站的空域再傳送，失事信息就不至于被遺漏。