BDS中轨卫星搜救系统返向链路技术与应用

高雅 ,何泽骅,2

(1.中国交通通信信息中心,北京 100011; 2.中电科(宁波)海洋电子研究院,浙江 宁波 315040)

0 引 言

国际卫星搜救系统(COSPAS-SARSAT,以下简称C/S)是由美国、苏联、法国和加拿大联合开发的全球范围的公益性卫星遇险报警系统,由低轨道、中轨道和静止卫星上搭载的搜救载荷、地面处理系统和406 MHz搜救终端三大部分组成.

系统的报警工作原理是406 MHz搜救终端发射报警信号,通过卫星搜救载荷转发,由地面用户终端(LUT)接收处理,任务控制中心(MCC)分发数据,救援协调中心(RCC)采取救援行动. 早期系统报警信息流为单向,只有前向报警服务链路(FLAM). 《COSPAS-SARSAT 406 MHz中轨卫星搜救实施计划》(C/S R.012)[1]中将返向链路服务(RLS)作为中轨卫星搜救系统(MEOSAR)的一项先进功能,无论卫星是低轨、中轨还是静止轨道,只要卫星系统能够提供前向406 MHz报警服务,均可以向兼容的信标提供返向链路服务.

2018年12月,欧盟Galileo系统已具备通过导航电文播发返向链路消息的功能,并在欧洲开展区域范围测试[2-4]. 美国和俄罗斯也即将开展在GPS,GLONASS系统上增加返向链路模块的研究工作. 由此可见在中轨卫星搜救系统中增加返向链路功能已是大势所趋. 作为全球四大卫星导航系统之一,北斗卫星导航系统(BDS)中轨卫星搜救系统也将提供前向报警服务以及返向链路服务.

1 返向链路系统介绍

为便于警情确认、减少误报警,增强遇难者的信心及存活概率,国际卫星搜救系统于2016年12月发布第二代406 MHz搜救信标标准[5-6],要求信标支持报警确认及报警取消功能,即通过返向链路处理系统,以导航电文方式向信标提供返向链路消息(RLM)播发服务,旨在实现为遇险人员提供双向报警确认和位置服务,如营救正在进行的确认,甚至可以通过返向链路发送自定义消息.

为实现该功能,返向链路系统由支持返向链路编码的406 MHz遇险信标、播发返向链路消息的卫星、现有C/S地面网络、返向链路信息处理系统(RLSP)及上行站组成. 返向链路系统组成如图1所示.

图1 返向链路系统功能图

当遇险人员遇到紧急情况时,自动或人工启动遇险信标,发出求救信号.信标在406 MHz前向链路报警消息中发送返向链路消息请求标识,告知系统需要遇险报警确认服务,开始接收导航电文中包含的返向链路的反馈信息. 报警信息被本地用户终端站探测到,并通过C/S的任务控制中心(MCC)网络分发,各国服务范围内的MCC会初始化一条RLM请求发送至返向链路信息处理系统(RLSP),处理后送入卫星导航系统地面段并上注卫星. RLM通过导航电文播发并被信标接收后,信标可为遇险人员提供报警确认信息、搜救动态信息.

2 BDS搜救返向链路建设探索

北斗三号卫星导航系统(BDS-3)于2009年启动建设,将由30颗卫星实现全球组网,包含24颗中圆轨道卫星(MEO)、3颗倾斜同步轨道卫星(IGSO)以及3颗静止轨道卫星(GEO). BDS-3 MEO和IGSO都可参与RLM的播发,加大中国及周边地区的报警容量.

2.1 BDS搜救载荷分布

BDS-3计划在3个轨道面上的6颗BDS MEO上搭载符合C/S系统互操作标准的搜救载荷[7],支持406 MHz信标的前向报警消息转发,与Galileo、GLONASS、GPS系统上搭载的搜救载荷一起组成中轨搜救网络,按卫星发射顺序编号,搜救载荷分布如表1所示. RLM将被包含在B2b频点的导航电文中下播,收发频点如表2所示.

表1 BDS搜救载荷分布

表2 BDS搜救系统收发频点

2.2 BDS返向链路服务类型

BDS返向链路信息处理系统接收到中国任务控制中心传递来的返向信息请求后,数据进行处理后经过地面网路提交给BDS运控系统. BDS运控系统通过上行站将信息上注至卫星,并通过星间链路进行传递,按照一定策略下播,告知遇险者确认信息和必要的求生信息. 为提高BDS与其它卫星导航系统的互操作性,返向链路服务设计为三种类型.

2.2.1 类型1确认

短RLM,系统自动确认. 系统一旦检测并定位到带有返向链路请求的遇险警报时,自动发送RLM至遇险信标,目的在于快速反馈遇险者.

2.2.2 类型2确认

长RLM,救援中心确认. RLSP只有在收到来自负责救援协调中心的授权后才将RLM发送到遇险信标. 由于救援部门可能需要时间评估遇险情况并确定适当的应对措施,因此这种确认不会立即发生. 该确认将以半自动、人工编码的方式通知遇险者警报正在处理.

2.2.3 类型3确认

内容同类型2,但为自定义文本,如“南海救112将于1小时后抵达,请知悉”.

2.3 返向链路容量计算

根据CNMCC的数据统计,2012-2018年中国在服务区范围内接收到的报警数量如图2所示,2016-2018年真实报警数量分别为33次、32次、43次,误报警率约96%,按照20%的增长速率,10年后年报警数量预计5 000余次,考虑到BDS搜救系统的推广应用以及个人搜救信标业务的发展,年报警次数预计可达到2万次以上,每个报警平均发送5条返向信息,同时遇险报警是突发事件,取系数为10,返向链路信息量=20000×5×10/365/24=114次/小时,取150次/小时,考虑单颗星工作峰值为2.5条信息/每分钟.

图2 中国搜救服务区报警容量

2.4 播发策略

BDS-3 B2b电文为RLM业务分配了专用帧,配有专用消息类型编号(MsgType),并适当提高消息优先级. BDS运控系统将一定时间内的RLM请求拼装,并按照先进先出的原则及时播送相关电文. RLM专用帧在无业务需求时不播发. 当有相关业务请求时,BDS运控系统以插播形式向下播放该帧.

考虑到导航电文落地电平较低,地形/失事飞机船只残骸所带来的几何遮挡,导致卫星信号路径被遮挡等因素造成RLM接收成功率低,需要使用相应的策略来重复播发,提高消息的接收成功率.

2.4.1 时间策略

单星重复播发消息三次,暂定1分钟左右. RLM只应该在信标全球卫星导航系统(GNSS)接收机工作的时间发送. RLSP向BDS运控系统发送RLM请求后,由BDS运控系统具体安排发送队列. 当收到信标的中断请求后,RLSP也可以向BDS运控系统发送中断请求,中断某个播发队列. 示意图如图3所示.

图3 时间策略示意

2.4.2 空间策略

利用一定的选星策略,选择1～3颗卫星同时播发消息.由于RLSP能够获取并识别搜救终端的类型,包含紧急无线电示位标(EPIRB), 航空应急定位发射机(ELT-DT),个人信标(PLB),同时MCC能判断报警位置,因此RLSP可以判断区分场景类型,不同终端设备场景下的播发方案,设置多颗卫星同时播发相同RLM的方式进行信号路径备份,具体场景设计如表2所示.

表2 不同终端设备场景下的播发策略

3 BDS返向链路应用

BDS MEO搜救系统将通过返向链路为中国区域乃至全球用户提供搜救报警确认服务,对于补充我国搜救卫星系统原有功能,充分利用BDS空间信号资源,推广BDS搜救设备国际化等方面作出贡献.

3.1 搜索救援领域的反馈确认

搜索救援领域包含航海、航空、陆上搜救,航海搜救主要为远洋船舶及深远海应急搜救,航空为航空器、无人机遇险定位搜救,陆上为山区、森林、高原等基层工作人员人命救援. 在人迹罕至、传统通信方式不能满足、范围过广的环境下,通过使用卫星搜救系统并加入反馈确认的先进功能,为遇险报警人员提供双向搜救信息交互服务,提高搜救效率.

3.2 紧急告警服务

紧急告警服务(EWS)是利用BDS返向链路的技术原理,联合救援中心,国家气象预警中心或国家应急响应部门等,以区域/全球卫星广播的形式,主动向遇险报警终端发送信息,告知即将到来的龙卷风、洪水、火灾、地震,甚至核泄露等会造成严重破坏,影响人们生存的紧急告警信息. 目前欧盟Galileo系统、日本准天顶系统、印度国家卫星系统正在定义紧急告警服务电文格式,我国使用BDS B2b频点参与论证,可提升BDS在国际搜救领域的影响力.

3.3 支持BDS返向链路的搜救终端推广

根据国际搜救卫星组织第二代搜救信标标准,联合国内示位标厂商,开展支持BDS返向链路的搜救终端技术研究,搜救终端实现遇险报警信息和BDS定位信息发送、返向链路服务协议报文接收,随后进行系统级演示,在水上、航空、陆上开展用户级示范应用,提高BDS搜救系统在我国海洋、内河运输船舶、航空飞机上和道路运输车辆的使用率,有助于遇险救助装备技术升级和产业发展,提升国产化水平,在遇险救助装备这一新领域推动BDS产业化发展.

4 结束语

BDS返向链路是对BDS搜救系统功能的完善,在现有卫星搜救系统基础上,不断开展新功能研制建设,加快遇险报警确认信息返向链路等先进功能建设应用. 持续与国际搜救卫星组织进行对接,开展系统升级发展研究论证,持续提升系统服务能力,保持系统先进性,履行BDS卫星搜救系统的国际服务义务.