北斗中轨卫星在海上搜救中的应用

● 文|解放军理工大学通信工程学院 钱成 李广侠 赵陆文 杨晗竹

北斗中轨卫星在海上搜救中的应用

● 文|解放军理工大学通信工程学院 钱成 李广侠 赵陆文 杨晗竹

海洋环境复杂多变，使得海上遇险事件的发生具有突发性和破坏性，严重威胁着海上人员的生命和财产安全。海上一旦发生险情，救援人员需要确定搜救范围，对遇险人员进行快速搜救。海上搜救最难、最重要的是确定搜救的区域。搜救区域越大，搜救需要的时间越长，所需的搜救费用越高，遇险人员生命安全也越得不到保障。目前，国际上已经广泛地使用卫星搜救系统进行全球范围内的大量海上搜救行动。近些年来，我国卫星事业快速发展，已经成功建设覆盖我国境内和亚太地区的北斗卫星导航系统。该系统不仅可以提供高精度的授时、导航、定位功能，而且还具有短报文通信的优势，完全可以被应用到海上遇险人员和船舶的搜索与救援。

一、典型海上搜救系统及发展趋势

海上遇险事件基本上都是突发事件，受到海洋气候、出事地点至海岸的距离、环境的影响，开展海上搜索救援工作面临巨大的挑战。海上搜救大体上沿着视觉搜索定位、无线电定位引导和基于卫星系统的海上搜救的方向发展。

1.视觉搜索定位

视觉搜索定位[1]是一种比较落后的定位方式，它主要靠搜救船舶或飞机上的搜救人员的肉眼查找。搜救指挥中心根据遇险船舶登记的航线对其航行轨迹和失事区域洋流的预测，估计遇险范围。由此可见，视觉搜索定位具有显著的时效性差和准确性低的特点，遇险人员的生命安全得不到保障。目前已经被海上无线电通信和基于卫星系统海上搜救系统所取代。

2.无线电通信搜救系统

无线电技术在海上应用已经100多年，成功救援了数以万计的遇险人员。海上无线电作为传统的移动通信技术，在海上船舶遇险搜索救援中仍然发挥着巨大的作用。无线电搜救系统根据不同的距离，采用甚高频、高频和中频频段完成近距离、远距离和中距离的无线电通信[2]。该系统可以完成船舶与船舶之间和船舶与陆地电台之间的通信。

远距离的海上船舶和海岸电台之间一般采用高频频段无线电通信。对于南北纬70°以内的区域也可以采用高频无线通信。而对于南北极等高纬度地区，国际海事卫星（Inmarsat）存在着覆盖盲点，只能使用高频的无线电通信手段。近距离的船到船、船到岸一般采用甚高频频段的无线电通信。中距离的遇险救援采用中频频段的无线电通信。当船舶在海上遇到险情，通过无线电通信设备发出报警信息，船与船、船与岸之间建立遇险通信。当采用甚高频设备进行报警时，周围的船舶和岸上电台能够迅速地接收到报警信号，采取救援措施，工作的距离大概55.56km左右。当遇险船舶在公海或者更远的距离时，可能周围没有船只经过，此时只能通过中频设备进行报警。一般中频频段的无线电设备有效的工作距离在277.8km左右。

无线电通信一般都采用广播的形式，且多为单工模式，周围船舶和塔台接收到报警信号后，不能实时和遇险人员建立通信，了解最新动态。而且电磁波本身固有特性和传输特点决定了无线电报警信号具有多径干扰和衰落现象，通信距离越远，受到多径干扰和衰落现象越严重，同时海上通信还存在寂静区，可能会导致报警信号不被周围船舶和塔台接收，信息的可靠性得不到保证。

3.全球卫星搜救系统

全球卫星搜救系统（COSPAS—SARSAT）是由美国、苏联、法国和加拿大四个国家联合开发的取代无线电示位标技术的卫星搜救系统[3]。该系统提供全球覆盖范围的搜索与救援（SAR）服务，由用户示位标、地面处理系统和空间段卫星三大部分组成。

用户示位标的作用是当海上用户遇到危险时，用户示位标能够发射406MHz～406.1MHz频率的电磁波报警信号，触发报警信号可以是自动的也可以是人工的。地面处理系统包括本地用户终端（LUT）和搜救控制中心（MCC）。空间段卫星主要由7颗低轨道卫星和5颗静止轨道卫星组成。前者运行在850～1000km高的极轨道，后者运行在固定的36000km高的地球静止轨道。

低轨道搜救系统（Low Earth Orbit Search and Rescue，LEOSAR）是最早建立的卫星搜救系统。当LEO卫星过顶时，卫星能够同时看到用户示位标和本地用户终端，这样SAR信号才能转发给本地用户终端进行信号处理。当卫星处于示位标正上方时，可以得到多普勒频移关于时间函数的一个拐点，求出这个拐点的时间和频率就可以定位了[4]。COSPAS—SARSAT的低轨道卫星系统由于使用高度在850～1000km的低轨道卫星，可以提供报警、定位和识别的功能，但是没有双向通信的功能，单颗卫星覆盖地球的面积要比静止轨道卫星小很多，在目前使用7颗卫星的情况下，对遇险目标来说，存在严重的时延，最大甚至达到2小时。

为了给搜救人员提供遇险人员的位置信息，静止轨道搜救系统（GEOSAR）主要通过两种方式实现定位：一种是使用GEOSAR系统时，辅以其他搜救系统和定位系统完成遇险人员的定位；另一种是用406MHz搜救信号携带的信息完成定位。目前COSPAS—SARSAT系统主要使用信标机内置或者外置GPS接收机完成遇险人员的定位，将GPS解算出来的位置信息通过406MHz的信号辐射出去，由GEO卫星转发至搜救控制中心。然而采用固定轨道高度的GEOSAR时，卫星转发的遇险信号是实时的，弥补了LEOSAR转发时延大的缺点。但是GEO卫星不能覆盖南北两极，存在不能够全球覆盖的劣势[2]。而且COSPAS—SARSAT的静止轨道卫星对我国并没有覆盖，我国只能接收低轨道卫星转发的信号[5]。

由于LEO搜救系统的无法实时报警、信号转发时延大等问题，影响了系统的可用性，而GEOSAR发射的报警信号是实时的，可以作为LEO搜救系统的补充。因此COSPAS—SARSAT系统空间段使用了LEO卫星和GEO卫星来对搜救信号进行接收、变频、存储和转发，大大改善了海上移动通信的直连，提高了通信的可靠性，实现了真正的全球覆盖。

4.中轨道搜救系统

COSPAS—SARSAT系统主要依靠低轨道卫星和静止轨道卫星工作，这两种卫星搜救系统存在遇险报警时效性差和定位精度不可靠的缺陷，已经不能满足人们的需求。国际搜救卫星组织开始致力于发展中圆轨道（MEO）卫星搜救系统。根据MEO卫星固有的特点，研究卫星搜救技术、制定相关技术标准和开展搜救业务已经成为海上搜救系统发展的必然趋势。美国、欧盟和俄罗斯提议和推广在全球导航定位星座上搭载SAR载荷，从而进一步提高定位精度、增加覆盖范围、缩短定位时间、实现实时搜救处理，形成中轨道卫星搜救系统（Medium Earth Orbit Search and Rescue ,MEOSAR）[6]。目前，欧盟有搭载了SAR载荷Galileo卫星、美国GPS-III（即Distress Alerting Satellite System,DASS）已有9颗搭载406MHz遇险信号载荷卫星和俄罗斯有1颗搭载406MHz遇险信号载荷GLONASS卫星在轨运行。中轨卫星搜救系统极大改善了定位精度[7]，现有的Galileo信标已经具有约为5km的定位精度，可以准确地确定遇险用户的位置，缩小了搜救的范围，大大地提高了海上搜索救援的效率。

二、基于北斗中轨卫星的海上搜救系统

虽然中国在1994年加入COSPAS—SARSAT组织，并由交通部负责建立本地用户终端和搜救任务控制中心，并在2006年与欧盟签订关于“伽利略中轨卫星搜救地面用户终端站”项目合同，但是，这些组织和系统都是由国外控制，其特有的加密模式对我国是封锁的，不适合我国应用于军民海上搜索与救援。建立一个具有自主知识产权、技术先进、稳定可靠和适合中国发展需要的海上搜救系统势在必行。随着北斗全球卫星导航系统的逐步建成，北斗中圆轨道卫星将提供覆盖全球的导航定位功能。因此，本文利用中圆卫星星座，在提供卫星无线电导航业务（RNSS）的基础上搭载位置报告载荷，该载荷能够对用户机发射的入站上行信号进行接收、处理并转发，具有类似于卫星无线电测定（RDSS）载荷的功能，借鉴COSPAS—SARSAT系统体系架构，构建了北斗中轨卫星的海上搜救系统。

1.海上搜救系统的总体设想

图1给出了中轨卫星的海上搜救系统示意图。图中实线表示遇险信号，虚线表示反馈链路。该系统主要由空间卫星、地面接收站、救援指挥中心和用户设备组成。空间卫星是搭有位置报告载荷和RNSS载荷的北斗中圆轨道卫星。地面接收站由地面信号接收站、移动通信网络和互联网络组成。救援指挥中心则由救援任务控制中心、气象水文中心、救援飞机和救援船舶组成，其中救援飞机和船舶分别装载了座舱显示器和电子海图显示系统。用户设备主要包括北斗船舶应急示位标、北斗落水人员示位标和救援飞机、船舶机载北斗、通信电台。

图1　基于北斗MEO卫星的海上搜救系统示意图

当海上发生险情时，遇险人员可以手动或者自动发送遇险求救信号，遇险信号通过中轨卫星处理和转发给地面接收站。地面接收站对入站信号接收处理，从而得到遇险人员的位置信息，通过地面通信网发送给救援任务控制中心和气象水文中心。气象水文中心参考地面接收站提供的位置信息，将遇险海域的海上气候和水文状况提供给救援任务控制中心。救援任务控制中心综合地面接收站和气象水文中心的信息，派遣搜救船舶和搜救飞机进行搜索救援，通过移动通信网络、岸基通信电台系统和北斗RDSS出站链路等方式指挥调度搜救船舶和飞机。搜救人员实时反馈搜救情况，当发现遇险人员，搜救人员开展搜救，完成搜救任务后，汇报搜救结果。

2.海上搜救系统的定位模式

在不同情况下，遇险人员可以使用以下几种方法通过MEO卫星向搜救控制中心进行位置报告：

1）基于双星定位原理的工作模式：遇险人员示位标通过向2颗载有位置报告载荷的MEO卫星发射入站信号，各MEO卫星接收到入站信号，经过星上处理，将相关测量值转发给地面接收站，地面接收站完成经卫星至用户往返距离的测量，结合高程地图解算出遇险人员的位置。

2）基于短报文的工作模式：示位标发射携带自身位置信息的求救信号完成向搜救控制中心的位置报告。遇险用户示位标通过接收RNSS信号，解算出自身的位置信息，然后将位置信息通过MEO卫星发送至地面接收站，地面接收站从入站信号中提取遇险人员的位置信息，通过地面通信网提供给搜救控制中心开展救援任务。

3）基于TOA/FOA原理的工作模式：估计遇险人员示位标到地面接收站的信号到达时间（Time of Arrival，TOA）和到达频率（Frequency of Arrival，FOA）。当海上出现险情，落水人员发送遇险求救信号，经过视区内的卫星转发，估计遇险信号的TOA和FOA值[8]，通过联立到达时间和到达频率方程组进行定位。该模式充分利用了中轨卫星多覆盖范围广的特点，一个求救信号至少被4颗卫星转发，地面接收站至少接收到4颗卫星转发的求救信号，冗余度高，提高了系统的可靠性。

4）基于广义RDSS原理的工作模式：遇险人员示位标通过发射RNSS时差观测量求救信号来完成向搜救控制中心的位置报告[9]。将视区内的一颗仰角比较高的MEO卫星作为参考基准卫星，遇险示位标通过接收3颗MEO卫星的RNSS信号，并分别计算求救信号到达2颗RNSS卫星与基准卫星的时差，经过基准卫星转发时差信号，地面接收站结合星历等参数解算出遇险人员的位置。

3.中轨卫星特点以及应用于海上搜救的优势

北斗中圆轨道卫星是中国开始研制建设的第二代卫星导航定位系统空间段的重要组成部分，由24颗轨道高度为21500km，在3个倾角为55°的轨道平面均匀分布的中轨卫星组成[10]。目前北斗卫星导航系统采用卫星无线电导航业务，为用户提供定位服务，若将与RDSS载荷功能类似的位置报告载荷集成到北斗中轨卫星上，系统就具有位置报告和短报文通信的功能[11]。与海上无线电通信系统和国外的COSPAS—SARSAT系统相比，具有极大的优势和特色，具体来说主要包括：

1）自主研发，安全有保障：COSPAS—SARSAT系统和Galileo系统都是由国外组织和建立的，在非常时期可用性和可靠性均无法得到保证。北斗卫星导航系统由中国自主研发，拥有完全的知识产权，具有独立性和保密性的特点。利用位置报告业务可以实现无位置信息用户的位置共享，将导航链路和位置报告链路相结合，信息传输链路安全性比较高[12]。

2）受海上环境影响小：由于该系统采用是卫星通信的方式，复杂多变的海上环境对卫星信号影响较小。而且，MEO卫星相对地球是运动的，有效克服了卫星和示位标间存在障碍物的问题[13]。

3）覆盖范围广：北斗卫星导航系统的中圆轨道卫星共有24颗组成，地球上任意点的上方均可以看到至少4颗卫星[14]，没有卫星盲区，可以实现全球覆盖，完全适用于高纬度海洋上遇险人员的搜索救援。

4）时效性高：由于使用的是北斗卫星导航系统的MEO卫星，星上信号存储、转发约1min，求救信号传输时延短，组网后可以实时发现求救信号，有效解决了低轨道卫星系统地面站发现遇险信号时间长的问题。

5）工作方式灵活多样：用户示位标的多模终端向搜救控制中心进行位置报告，可以采用TOA/FOA、短报文和广义RDSS等多种工作模式。其中对RNSS信号的选择，可以是北斗中轨RNSS信号，也可以是GPS和Galileo的RNSS信号。终端可以在不同的情况下做出合适的选择，工作模式的灵活多样，增加了系统的可靠性和可用性。

6）双向短报文通信：与其他海上搜救卫星系统相比，北斗卫星导航系统完成了导航和通信的集成，其特有的双向通信功能，能够实现地面搜救控制中心与海上遇险人员之间的双向通信，非常容易将遇险人员身体状态和周围环境反馈给地面站，为救援人员顺利开展救援工作提供帮助。不需要像Galileo的SAR系统那样建立反馈链路，缩减了系统建设的成本[15]。

三、北斗MEO海上卫星搜救系统面临的挑战

北斗MEO卫星应用到海上搜救中，在拥有诸多优势的情况下，同样受到北斗卫星导航系统自身条件和外界因素的限制，面临严峻的挑战：

1）当前位置报告业务主要是北斗RDSS提供的，服务范围小，只限国内和亚太地区使用，而COSPAS—SARSAT系统已经成功地应用于世界范围内大量的遇险搜救行动中，Galileo系统也在积极地搭建具有全球覆盖能力的SAR载荷。考虑到北斗卫星导航系统频率和系统推广的原因，我国更应该建设自己的海上搜救系统，提高我国在海上卫星搜救组织的地位。

2）北斗RDSS上行频率是国际电联规定的次要业务[16]，搜救信号易受其他系统的干扰，技术要求比较高，导致系统的安全可靠性降低。然而国际上的海上搜救系统使用的是专用卫星搜救频段，避免了其他系统的干扰，系统安全可靠。

3）由于在MEO卫星上搭载位置报告载荷，星上需要对示位标的遇险信号进行捕获等处理，从而导致系统容量受限。为了使位置报告更好地应用到海上搜救中，在设计海上搜救系统时，需要对不同工作模式下的信号体制进行设计，充分考虑系统容量过小的问题，并下大力气加以解决。

4）用户终端功耗大，由于完成遇险人员到地面中心位置报告的过程中，不管使用哪种方法，都需要终端发射遇险信号，那么终端必须包含发射设备，示位标的体积和重量变大，在遇险人员身上安装此类示位标也存在一定的障碍。

5）不管采用哪种工作模式，在中圆轨道卫星上搭载位置报告载荷，都需要重新设计星上天线来满足位置报告载荷与RNSS载荷的兼容，并且MEO卫星需要对入站求救信号进行星上处理。

6）用户和MCC存在不能共视MEO卫星的情况，需要设计星间链路进行信息的中继，以实现用户和地面主控站之间的信息交互。

四、结束语

随着全球卫星导航系统的不断发展，卫星搜救成为海上遇险人员和船舶最有效的救援方式，早期的低轨道卫星搜救系统和静止轨道卫星搜救系统的性能已经不能满足人们对精确定位和快速搜救的需求，在全球卫星系统上搭载搜救载荷，形成中轨卫星搜救系统成为了发展卫星搜救的必然趋势。考虑到在北斗MEO卫星上使用位置报告载荷和RNSS载荷集成体制，将导航与通信功能相结合，构建了基于北斗中轨卫星的海上搜救系统。该系统充分利用了中轨卫星资源，拥有覆盖范围广、定位精度高、定位速度快等诸多优势，可以有效提高海上搜救的效率，因此发展我国自主的中轨卫星海上搜救系统将有力保障军民财产和人身安全。

参考文献

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