深海中失事飞机黑匣子的综合化高效搜索方法研究

当飞机在海上失事时，如何找到深海中的飞机黑匣子成为一个世界性的难题。众所周知，马航MH370的搜救工作持续了相当长的时间，但飞机黑匣子至今仍未找到。影响黑匣子搜索的因素有很多，但最重要的莫过于两点：一是大洋环境异常复杂，难以准确定位黑匣子的位置；二是黑匣子信号发射器的信号太弱，而且电池只能持续30天左右，这还远远不能满足搜索任务的需要。因此，在大洋中搜索黑匣子需要耗费极大的人力物力。为了解决这个问题，本文提出了一种全新的综合化高效搜索方法，可以很好地解决难以搜索到深海中失事飞机黑匣子的问题。

深海中黑匣子搜索任务与解决方案概述

众所周知，飞机黑匣子记录了重要的飞行参数，如高度、速度和飞行任务等信息，这些内容都将成为在空难后找到真相的证据。机载黑匣子包括数字飞行数据记录器（DFDR）和驾驶舱话音记录器（CVR）。如果飞机落水，黑匣子里的水下定位信标将会被触发。它将发出37.5kHz/s脉冲信号。在深海中可以持续工作30天左右。即便如此，装载AUV的救援飞机和船只还是很难找到黑匣子。这其中的影响因素有很多，首先，人们对飞机坠毁的海域知之甚少，深海和海底的环境又异常复杂。其次，水下一片漆黑，电磁波无法传输，只能通过声呐信号辨识黑匣子的方位。然而，定位信标所发出的脉冲信号功率是十分微弱的，即便如此，定位信标的电池也只能持续30天左右，这给搜索工作带来了极大的困难。为解决以上问题，本文提出了一套综合化的高效搜索方案。结合北斗二代（BDS-2）卫星定位系统、水面智能浮标、自动水下航行器（AUV）和船舶控制中心，形成高效的搜索网络。在这个框架下，进一步改变了黑匣子定位信标入水时的信号传输方法，既可以延长定位信标的工作时间，又可以提高黑匣子的发现概率。

目前，北斗全球定位系统即将完成，它将为我国的海洋搜救任务带来极大的便利[1]。但是由于电磁波在水中快速衰减，海面下任何卫星定位系统都将失去功效。幸运的是，声波在水中具备良好的传输特性，可以弥补电磁波的不足。BDS-2与声呐系统相结合，可以实现搜索区域的无缝衔接，在空中、陆地和水下开展一体化救援任务。而对于黑匣子定位信标来说，它可以通过改变发送脉冲信号的周期，以不同时间间隔发送求救信号，从而保存大部分电量，延长在水下工作的寿命。此外，水下声呐定位的搜索范围广，但定位精度十分有限。为了提高搜索的准确度，在AUV接近黑匣子水域的百米范围内，可以启动黑匣子中的磁信标，它可以产生磁性信号。三轴正交磁信号可以实现在低功耗条件下的高精度定位。从而为漆黑海底近距离搜索黑匣子提供有效补充[2]。

综合化高效搜索方案的系统构成与实现

整个搜索系统的结构包括五大部分，北斗差分站、北斗智能浮标、舰载控制中心、AUV和黑匣子定位信标。如图1所示，北斗差分站提供北斗差动校正，可使北斗定位系统精确到厘米级[1]。AUV的主要任务是接收声波信号，同时接收北斗智能浮标的控制信息。黑匣子定位信标稳定地发送脉冲信号，舰载控制中心接收和记录每个浮标的观测数据。在此框架下，深海中的黑匣子定位信标的信号传输的方法发生了变化，从而使工作时间大大增加。

图1 综合化高效搜索系统构成与互联关系

BDS-2可以实现在开阔的陆地、海面和外部空间的全球定位和导航。然而，由于海水对无线电波信号快速衰减，BDS-2系统在海洋内部的巨大空间里是无效的。而声波可以在水中传播数百公里，并且没有明显的吸收损失，凭借其良好的物理特征当仁不让成为了在海洋里传播信息的主力。水下黑匣子的坐标相对于智能浮标而言属于独立的局部相对坐标系，如果水下声呐系统和BDS-2卫星定位系统可以集成在一起，卫星定位系统便可以使用全球统一的空间直角坐标系。进而，陆地、水面和水下的位置坐标可以实现坐标系的统一[3]。

综合化搜索系统核心部分是BDS-2智能浮标，主要功能包括空间位置测量、姿态测量、声呐信号检测、水下声波延时测量、无线电数据传输等，将卫星定位系统和水下声呐系统整合在一起，实现水下定位系统和卫星的协同工作。通过BDS-2卫星，智能浮標可以直接测量其自己的精确坐标。水下目标的位置可以通过计算声波的到达时间差而获得（DOT）。通过无线通信数据链，定位数据被发送到水面舰艇的控制中心。一方面，内置的BDS-2接收器得到了空间定位信号，另一方面，它将提供精确的时钟频率标准。通过精确的时钟频率控制，时间测量和数据同步传输可以被实现[4]。

另外，差分BDS-2参考站可以提供BDS-2差分信号，以实现BDS-2智能浮标的厘米级精确定位。对于大范围的水下搜索任务，水面浮标的位置可以视为固定的，位置数据在水面上可以用数字罗盘实时校正。船舶控制中心的主要功能是接收浮标数据、记录数据、处理数据，计算目标的空间位置，监视AUV和浮标的工作状态，传输数据和通信。主要设备有多台航道浮标接收机，水下通信接收机，通讯换能器等。AUV主要负责水下的搜寻工作。整个综合化搜索系统的工作流程可以总结成图2所示。

图2 水下综合化高效黑匣子搜索方法工作流程图

黑匣子定位信标的工作方式和水下定位算法

黑匣子定位信标的新型工作方式与综合化搜索实现

在黑匣子里，内置一个紧急定位信标。一旦飞机失事落水，此时黑匣子定位信标将自动打开，信标以37.5kHz/s

的频率定时发送超声波脉冲信号。通常情况下，定位信标会连续工作30天左右，直到电量耗尽为止。然而，通过马航MH370搜索事件可以看出，黑匣子信标工作时间太短，搜索区域又太大，给搜索任务带来了巨大的困难。为了延长定位信标的工作时间，大概60天或更长，黑匣子可以改变不同的时间间隔发出信号。其传输模式的原理图如图3所示。

在坠机的前10天，定位信标将每隔1分钟发送一个声脉冲信号。通过识别这种特殊的声呐信号，救援船可以确定飞机失事的海域，并在海面上布置BDS-2定位浮标。然后，AUV将被派遣到深海中搜寻黑匣子。由于AUV每天只能搜索一个有限的海域，搜索黑匣子的过程将会非常消耗时间。为了保持电源电量并延长工作时间，黑匣子的发射器将在接下来的20天里每隔10分钟发射一次脉冲信号。在这个时间段，脉冲的占空比也随之缩短。收到黑匣子的定位信号后，AUV可以进一步压缩搜索范围。与此同时，AUV可以通过BDS-2在深海中确定自己的位置坐标。在接下来的30天里，定位发射机将每小时发送一次脉冲信号。以这种方式，大部分电力可以保存，黑匣子水下的工作时间也将被大大延长。endprint

图3 延长信标工作时间的信号发送模式

水下声波定位模型

水下声呐定位系统分为超短基线定位系统（USBL），短基线定位系统（SBL）和长基线定位系统（LBL）。由于水面浮标分布的海域很广，水下声呐定位可以采用甚长基线定位模型[3]。图4中阐明了甚长基线双曲线定位方程的概念图，根据图中的几何关系，可以得到定位方程（1）。

图4 定位方程的概念阐释图

（1）

上述公式中，、、代表了水下收发器的位置坐标，而、、代表了空间中1号智能浮标的位置坐标，以此类推。在海洋中的平均声速用来描述。和分别表示信号传递到1号与2号智能浮标的具体时间。对于多个浮标来说，将其中一个浮标选择为参照物，它的位置坐标、、已知，根据方程（1）可以建立以下定位的数学模型：

（2）

由于在不同海水深度的时候，海洋密度不尽相同，这导致了在海洋中，声速也会随着海水深度发生改变。所以在计算时，我们将也看作一个未知数，在方程组中可以求解。当浮标的个数大于4个时，我们可以利用最小二乘法的方法对于方程组进行求解，以提高位置坐标的计算准确度。

结论

如何在深海中寻找飞机黑匣子是一个世界性的难题。本文提出了一种新型的综合化高效黑匣子搜索方案。结合BDS-2卫星定位系统、水面智能浮标、AUV和船舶控制中心，形成了一个综合化的高效搜索网络。在此基础上，本文提出改变深海中黑箱的信号传输方法，定位发射机发送两种定位信号，即声呐信号和磁信號。黑匣子定位信标将在不同的时间间隔发送声呐脉冲信号，从而节省电能，极大地延长了黑匣子的工作时间。为了提高近距离搜索精度，还可以采用磁定位方法作为辅助，最终实现水下飞机黑匣子的综合化高效搜索。

参考文献

[1]杨青青.基于GPS/北斗的嵌入式黑匣子组合定位系统的研究[D].太原：中北大学，2011.

[2]张朝阳，肖昌汉.海底布放磁传感器的磁定位方法的模拟实验研究[J].上海交通大学学报，2011，45（6）：826-830.

[3]郭榜增.基于EMI与ANN技术的声波信号探测机理研究[D].淮南：安徽理工大学，2015.

[4]璩莹莹.“北斗二代”B1频段弱信号捕获技术研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2014.

（作者简介：王淼，中国人民大学附属中学朝阳

分校。）endprint