卫星搜索与救援系统的应用发展

+ 王晓海

（空间电子信息技术研究院 空间微波技术重点实验室）

卫星搜索与救援系统的应用发展

+ 王晓海

（空间电子信息技术研究院 空间微波技术重点实验室）

本文首先对卫星搜救系统的基本概念进行了简单介绍，其次对国内外典型系统进行重点分析，阐述了近年来卫星系统在灾难搜救中的参与应用情况，最后探讨了中轨卫星搜救系统的发展。

卫星搜救 全球卫星搜救系统 伽利略搜救系统 北斗搜救系统 中轨卫星搜救系统

卫星系统可以满足国防支援、边境监视、敌情评估等时间紧迫的应用需求，且完成这些任务既可以避免传统搜寻手段上的限制，又能避开领土、领空等方面的纷争，具有明显的优势，因此得到广泛应用。近些年来，卫星系统在环境保护、资源普查、防灾减灾等领域表现出色，特别是卫星搜救系统充分发挥了它的作用，获得普遍认可。下面对卫星搜救系统的基本概念及国内外典型系统进行介绍。。

1 卫星搜救系统基本概念

卫星搜索与营救系统（Search and Rescue Satellite System，SARSS）利用卫星系统测定来自海上、空中、地面遇险装置发出的求救信号，从而确定出险位置，实施搜索和营救的系统。

该系统主要由卫星、地面段和信标机组成。遇险的信标机发出频率为121.5MHz和406MHz的遇险报警信号，卫星接收并解调出报警信号，完成多普勒频移测量，再用1544.5MHz将有关数据信息发回地面。地面段包括地面终端、控制中心和搜救中心。利用卫星与信标机间的相对运动所产生的多普勒频移，经过处理便可获得信标机的位置。

由卫星无线电转发器接收失事飞机和船舶上装载的应急信标机信号，并把它转发给地面信息接收站，接收站通知救援指挥中心进行营救。通常利用运行在近圆形极轨道上的卫星装载救援信号转发器，地面接收站根据应急信标机和卫星间的相对运动所造成的无线电信号多普勒频移原理，确定失事地点位置。

2 典型卫星搜救系统介绍

2.1 全球卫星搜救系统

全球卫星搜救系统（COSPAS-SARSAT）是由美国、前苏联、法国和加拿大四国联合开发建立，在全球范围内提供有效的搜索与救援（Search and Rescue，SAR）服务的信息系统。它是国际海事卫星组织推行的全球海上遇险与安全系统（Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS）的重要组成部分。该系统使用低高度卫星为全球包括极区在内的海上、陆上和空中提供遇险报警及定位服务，以使遇险者得到及时有效的救助。

图1 COSPAS/SARSAT搜救系统构成与工作原理

COSPAS-SARSAT系统由遇险示位信标、空间卫星和地面处理分系统、任务控制中心、搜救协调中心五大部分组成。示位信标的作用是当遇到危险时，能够发射报警信号，启动方式既可以是自动的也可以是人工发射。空间卫星的主要任务是对示位标发出的报警信号进行变频、存储和转发等处理，然后送到本地用户接收终端（LUT）。本地用户终端的作用有两个：其一是接收卫星转发的遇险示位标的信号，进行一系列的处理，包括解码、运算等，然后给出示位标的位置数据和识别信息，送到搜救任务控制中心（MCC）；其二是实时修正其跟踪卫星的轨道参数。任务控制中心的主要功能是搜集、整理和存储从本地用户终端发来的数据，对这些数据进行过滤虚假报警、分辨模糊值等处理，并在系统内按照国际组织的相关规定与搜救协调中心（RCC）进行信息交换。搜救协调中心则是根据具体情况，负责指挥分配，统筹安排相关机构协同组织实施搜救。

当用户遇险后，激活遇险示位标，发出遇险信号。遇险信号被搜救卫星检测发现并接收后经过变频并转发，由遍布全球的地面用户终端接收并计算出遇险目标的具体位置，把信标的报警数据和统计信息传送给响应的任务控制中心。控制中心以最快的速度把报警和定位数据分发到距离最近、最为合适的搜救协调中心，使遇险者能得到及时有效的救助，从而实现全球全方位、全天候的卫星搜救服务。

经过近几十年的发展，全球卫星搜救服务已经广泛的应用于人们生活的诸多领域，并产生了重要影响。20世纪80年代建立且不断完善的低极轨道和静止轨道卫星系统提供了以往不可比拟的搜救效率，未来将会逐步持续改进提高，为人们提供更多更大帮助。

2.2 伽利略搜救系统

伽利略系统包括空间卫星星座、地面控制部分和用户部分，它为不同的用户提供不同的导航服务。其中，空间卫星星座由30颗卫星（27颗工作卫星+3颗在轨备用卫星）组成。备用卫星可以在某颗卫星失效后迅速弥补，从而缩短系统的恢复工作时间。地面系统部分主要由2个位于欧洲的Galileo控制中心（GCC）和20个分布全球的Galileo传感器站（GSS）组成，另外还有用于进行控制与卫星之间数据交换，分布在全球各地的5个S波段上行站和10个C波段上行站。控制站与传感器站之间通过冗余通信网络连接。用户部分主要是各类型的接收机，接收和处理Galileo信号及来自其他系统的信号以获得Galileo的服务。它除具有与GPS相同的全球导航定位功能外，还具有全球搜索救援（SAR）及通信等功能。

图2 Galileo搜救系统构成与工作原理

处于紧急状态的用户从国际通用卫星搜索与救援系统（COSPAS—SARSAT）信标向Galileo卫星发出一个求救的遇险电文信号。卫星通过特定的搜索天线进行检测，发现信号后，将遇险信号经放大和变频后，以1154MHz～1545MHz频段的信号下行传送用户的相关信息给COSPAS—SARSAT地面站，再经地面站转发至救助中心，对电文进一步处理。COSPAS—SARSAT地面站随即向Galileo地面站发出确认电文，Galileo地面站通过上行链路发送接收到的报警电文的确认信息到用户视界内卫星，再由卫星转发器发回到发出报警的信标，电文包含在Galileo导航信号中。装有Galileo接收机的用户即可接收该信号，从而最终实现了Galileo系统的搜索与救援服务。

伽利略搜救系统缩短了遇险信标位置检测时间，同时提高了信标定位的精度，并且实现了向用户发送接收遇险电文的确认信息，未来将与全球海上遇险与安全系统（GMDSS）兼容，使得用户与搜救中心之间具有交换简短信息的功能。

2.3 北斗搜救系统

北斗搜救体系可由空间卫星星座、地面指挥中心、用户终端构成。卫星星座包括5颗静止轨道卫星和4颗非静止轨道卫星。地面部分包括主控站、注入站、监测站等。用户终端主要是救生型用户机和指挥型用户机。其中救生型用户机为被救人员携带的小型终端设备，指挥型用户机可以安装在救援车辆、救援直升机和救援船只上。北斗系统搜救体系的工作过程如图3所示。

图3 北斗搜救系统工作过程

当遇险人员携带的北斗用户机进行北斗定位操作过程中，在获得自己的位置信息的同时，北斗地面指挥中心也即接收到该用户机的位置信息，从而确定遇险人员的位置。如果被救人员具备操作用户机能力，还可以通过短报文通信功能向指挥中心报告自身的安全状态、环境条件等信息。

确认被救人员信息后，北斗地面指挥中心组织营救人员进行救护。北斗地面指挥中心便将遇险人员的位置信息直接发送到搜救直升机或搜救车辆上的指挥型用户机，并在电子地图上进行显示，使营救力量在第一时间到达营救地点。同时北斗地面指挥中心也可以监收到搜救直升机或搜救车辆上的指挥型用户机的定位信息，从而得到搜救人员的即时位置，保证有效的指挥调度。

未来，系统将进一步建立更加完善的搜救指挥中心、配备先进的北斗用户机。配装高效的搜救装备是搜救体系的基础，是快速掌握救援信息、准确的指挥调度和有效实施救援的保障。只有完善的硬件设施建设，北斗系统搜救体系才能得到有效的普及应用。

3 卫星系统搜救应用现状

3.1 国外卫星系统搜救应用

1982年6月30日，世界上第一颗救援卫星“宇宙—383”号由苏联发射成功，同年9月9日，人们首次利用卫星成功地发现和救援了加拿大的空难遇险者西姆和他的两个朋友。

2009年6月1日，法国航空447号班机在巴西的圣佩德罗和圣保罗岛屿附近坠毁，12名机组人员与216名乘客全部罹难，为法国历史上最大的空难。开始的搜救过程进展不顺，因为长时间未能找到飞机残骸，无法确定具体坠落地点，在美军间谍卫星和搜救系统的协助配合下，最终发现准确失事位置，展开救援行动。

2010年1月12日，海地发生7.3级大地震，世界各国动用大约20 多颗卫星参与救援，日本的ALOS卫星，法国的SPOT-5卫星，美国的WorldView卫星和QuickBird卫星，加拿大的RadarSat-2卫星，中国的HJ-1-A/B卫星和欧空局的ERS-2卫星和EnviSat卫星等，这些卫星将搜集的地震灾区图像资料及时提供给地面救援人员，为海地的营救做出重大贡献。

图4 北斗搜救系统原理结构

图5 北斗搜救系统五大功能

2011年3月11日，日本东北部发生了9级超强大地震并引发海啸，国际电信联盟紧急部署78部配备有GPS的Thuraya卫星电话、13部铱星电话及37个国际海事卫星宽带全球局域网终端，为搜救工作持续高效顺利的开展提供了强有力的支持和帮助。

据澳大利亚《每日航天》网站2012年3月7日报道，国际COSPAS-SARSAT卫星搜救系统投入运营以来，已成功营救空中和海上遇险人员24000人。目前在俄罗斯、欧洲和美国的部分气象卫星或其他卫星上都装有这类搜救信息中继系统，但它们的搜救系统最初都安装在低轨卫星上，直到20世纪90年代才搭载在某些GEO卫星上；而俄罗斯Glonass系统、欧洲Galileo系统和美国的第三代GPS系统已经或将要安装的这种搜救系统不仅位于约2万千米的MEO轨道上，而且还可以提供遇难人员所处的准确位置，为世界各地的搜索救援赢得了宝贵时间。全球导航卫星系统的全球覆盖、全球到达特性，使得全球海、陆、空遇险人员或交通工具发出的遇险呼救信号能很快到达各地搜救中心，并提供精确的地理位置。

3.2 我国卫星系统搜救应用

2008年5月12日，我国四川汶川发生了8级大地震，在其后的抗震救灾过程中，国内资源一号02星等5颗卫星提供了728景数据；同时，美国陆地-7卫星、欧空局资源卫星、法国斯波特-5资源卫星、加拿大雷达卫星、日本艾罗斯雷达卫星、印度测绘卫星、意大利雷达卫星等都提供了灾区的图像数据。“军卫二号”卫星信息系统以其快捷、高效、安全、稳定的优异性能，有效保障了灾区救援部队与后方医院或卫勤机构的信息共享，提高了救援人员的卫勤保障能力。正是导航定位卫星、通信卫星、遥感卫星等的紧急应用，大力支援，才最终保障和促进相关工作的持续开展。

2010年4月14日，我国青海玉树发生了7.1级大地震，在搜救过程中，民政部卫星减灾应用中心启动环境减灾卫星应急监测计划，为救灾部门及时掌握了解灾区损失情况提供了十分重要的决策依据。截至2010年5月4日18时，共获取来自7个国家15类卫星资源，以及航空遥感、无人机等各类数据1178景，数据量达405Gbyte。卫星系统在此担当主角，起到关键作用。2014年3月8日凌晨，马来西亚航空公司MH370航班起飞后与地面失去联系，中国资源卫星应用中心于第一时间启动了应急机制，紧急调用海洋、风云、高分、遥感等4个型号，近10颗卫星对疑似区域进行大面积、重复性的观测，配合地面搜救人员开展对失联航班的搜索救援行动，发挥巨大作用。

4 中轨卫星搜救系统发展

目前，全球用于搜救业务的卫星主要是低极轨道卫星和静止轨道卫星。低极轨道卫星具有信号接收能力强、设备兼容性好的优点，但是覆盖范围小、有卫星盲区、定位精度不够准确；静止轨道卫星虽然覆盖范围大、没有卫星盲区，但是信号接收能力差、没有多普勒定位，并且只能收到遇险示位标的信息码。从上述对比分析可知，两种卫星系统在遇险报警的时效性和定位数据的准确性方面都存在有一定的技术局限，因此，从2000年开始，美国、欧盟和俄罗斯提议，在全球卫星导航星座（GPS、Galileo和Glonass）上搭载搜救转发器，形成中轨道搜救卫星系统（MEOSAR），其具体系统构成如下图6所示。

中轨道卫星具有覆盖范围广、没有卫星盲区、定位精度高的技术特点，国际搜救卫星组织已把利用中轨道卫星开展搜救业务作为下一代搜救卫星系统的发展方向。经过研究论证，MEOSAR系统具有下面优势：

★实现近实时的全球范围覆盖并提供更准确和独立的位置定位功能；

★信标到卫星间的通信链路更健壮，卫星冗余性和可靠性水平更高；

★有效克服在信标与卫星间存在障碍物的问题；

★可通过建设地面站到信标的反向链路实现对搜救系统的有益补充和增强。

MEOSAR系统主要通过五个阶段实现：①定义开发阶段；②概念证明/在轨验证阶段；③演示评估阶段；④初步运营阶段；⑤正式运营阶段。前两阶段早已随着全球卫星导航系统的建设完成而完成；从2013年1月1日开始，MEOSAR系统正式进入全球范围内演示评估的第三阶段。

中轨道搜救卫星技术是下一代全球搜救卫星系统的领先技术，相关技术标准和业务规范都还未达成共识，根据国际搜救卫星组织的预计，2016年前后中轨道卫星搜救业务才能真正开展起来。

随着航天技术快速迅猛的发展，未来卫星系统的功能将会得到进一步的扩充完善、改进提高，它所发挥的作用及对人们生活的影响也将随之进一步变得更加强大与深远。

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图6 MEOSAR系统构成

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王晓海（1978- ），男，硕士研究生/工程师，空间电子信息技术研究院西安分院空间微波技术重点实验室。主要从事卫星有效载荷技术情报搜集与研究分析工作。