AIS/VDES技术在着陆搜救系统中应用的初步分析

周少骞 李强 王剑 刘虎林

（1.上海航天电子技术研究所 上海市 201109 2.北京跟踪与通信技术研究所 北京市 100080）

AIS（Aotomatic Identification System）船舶自动识别系统是由国际海事组织IMO、国际航标协会IALA、国际电信联盟ITU-R 于2000年开始共同推广，在甚高频海上移动频段采用SOTDMA 自组织时分多址接入技术实现船舶自动识别、导航和通信功能的助航电子系统。可在船-船和船-岸之间自动交换来自船舶传感器（陀螺罗经、GNSS 设备、回旋速率指示器等）的船舶信息（动态数据）、人工输入的静态信息（船舶长度和宽度等）和航次相关信息（船舶吃水、目的港、货物等）。

VDES（VHF Data Exchange System ）甚高频数据交换系统是AIS 系统的升级系统，于2015年世界无线电通信（WRC-15）大会上经162 个成员国和136 个国际组织和团体审议通过确定。VDES系统在AIS 系统的基础上增加了LAIS（Long Range AIS ）远距离船舶自动识别系统、ASM 特殊应用报文系统和VDE 系统。VDES系统在确保船舶位置、安全信息最高优先级传输的基础上将水文、气象等信息通过ASM 系统传输，其余信息通过VDE 系统传输，不仅拓宽了AIS系统的收、发频带资源，还将船舶的信息交互由船-船、船-岸之间拓展到了船-星之间，使船舶信息的海天地实时互联成为可能。

返回式空间飞行器的着陆场地分为陆上着陆场和海上着陆场两种。着陆搜救系统就是针对着陆场的特点开发的以捕获返回舱飞行轨迹、预判着陆位置、持续跟踪返回舱，并配合搜救团队或第三方组织、个人执行回收救援任务的系统。

2020年，嫦娥五号探测器计划完成月球探测“绕、落、回”中的最后一步；新一代载人飞船计划进行首飞；空间站建设将进入技术验证阶段，高密度的发射和空间返回将成为常态；未来可能开展的载人登月工程也必然对返回式空间飞行器有更高的要求。相应的返回式空间飞行器的着陆技术和搜救技术的研究将成为未来一段时间科学研究的重点。

1 国内着陆搜救系统现状

空间飞行器返回地面时一般采取陆上着陆方式或海上着陆方式。陆上着陆方式的优点是搜救方便，缺点是轨道倾角受限、返回舱重量受限且需装备缓冲着陆发动机、对着陆场地形、建筑物要求较多。海上着陆方式的优点是轨道倾角限制较低、返回舱重量限制较低（一般无需装备缓冲着陆发动机）、着陆场可选范围大，缺点是返回舱及航天员需适应高海况的工作环境、搜救技术难度大、搜救时间受限。

目前我国的载人航天工程都以陆上着陆方式返回地面，着陆搜救系统也以陆上着陆搜救为主。

我国的载人航天着陆系统由测控分系统、主（副）着陆场搜救分系统、上升段陆上应急搜救分系统、上升段海上应急搜救分系统、运行段国内外应急搜救分系统、医监医保及医疗救护分系统、通信分系统和气象保障分系统等组成。

着陆搜救分系统搜救设备主要包含空中搜救、地面搜救和海上搜救三种，通常以空中搜救为主、地面搜救为辅，通过空地协同完成返回舱搜索和航天员救援任务。从神九飞船开始，着陆场搜救系统增加了海上搜救设备。

着陆搜救分系统的搜救技术包括测控技术、通信技术、定位技术、导航技术、气象地理信息预报技术和医疗救护技术等。

测控技术用于跟踪和测量返回舱在返回大气层后着陆段的轨迹，预估着陆点位置。我国载人航天工程的测控和数据中继服务主要由天链系列地球同步轨道数据中继卫星系统、远望系列测量船和陆基测控站提供。

导航和定位技术用于在返回舱近地和着陆后对返回舱进行定位、跟踪。我国载人航天工程采用了406MHz 国际救援信标和北斗定位系统相结合的着陆搜索救援信标系统。借助全球卫星搜救系统，应急返回的返回舱和航天员不论应急着陆于世界哪个地区，都能很快与搜救人员取得联系，以便动用附近力量进行搜救。北斗定位系统同时具备定位和卫星通信能力，可利用中心站用户机直接构造搜救平台的地理信息态势系统。

神舟飞船返回舱安装有超短波信标机，通信半径约几十公里。配备了超短波定向仪的搜救飞机和搜救船舶均可在有效通信距离内对返回舱进行定位。

通信技术用于整个着陆系统的通讯指挥。神州飞船返回舱装备有卫星通信设备和超短波通信设备，可与指挥中心直接通信，也可与搜救团队进行区内通信。

载人飞船返回地面共分制动飞行阶段、再入大气层阶段、大气层自由下降阶段、着陆阶段这四个阶段，着陆搜救主要发生在再入大气层阶段之后。以陆上着陆搜救为例：载人飞船再入大气层后飞控中心首先计算出其预计落点；当载人飞船开始返回制动后四架空中搜索直升机飞至距理论落点35 公里处的四个方向；当飞船到达距离地面40 公里的高度时，飞船上的信标机开始工作，空中待命的四架直升机获得定位信号；飞船距离地面10 公里高度时，执行开伞动作；飞船距离地面5.7 公里高度时，抛掉防热大底，启动反冲装置；防热大底抛射完毕并确认后，四架直升机立即直飞飞船着陆点，执行医监医保或应急救援程序；地面搜救分队立即赶赴飞船着陆点执行返回舱和舱载设备的处置回收任务。

在有落点预报、返回舱信标工作正常的情况下，飞船正常返回主（副）着陆场时6 小时内可完成搜救任务；弹道式返回主（副）着陆场时，在搜救区域扩大的情况下24 小时内可完成搜救任务；应急搜救时，一般可在48 小时内由两架固定翼飞机（各配置一个医疗救护小组和一个伞兵小组）完成搜救任务。

2 现有着陆搜救系统局限性

着陆场搜救系统应具备正常返回时的快速回收能力，上升段逃逸时的应急搜救能力，在轨应急返回时的全球搜救能力。

表1：AIS 系统产品列表

从发展的角度考虑，我国现有着陆搜救系统在如下几个方面存在一定的局限性：

2.1 超短波信标机的局限性

（1）超短波信标机作用距离仅几十公里，若返回舱着陆点远离预计着陆区域，则搜救团队的超短波定位仪将暂时失效，影响搜救效率。

（2）超短波信标机为单向发射器，无信息交互功能。

（3）超短波信标机发射的信号具有特殊性，无法为第三方搜救组织所使用。

2.2 406MHz国际救援信标的局限性

首先，406MHz 国际救援信标报警响应等待时间过长，定位精度不高。

406 国际救援信标可通过COSPAS-SARSAT 国际搜救卫星系统实现全球范围内的遇险报警和定位功能。LEOSAR 系统仅5 颗卫星正常工作，典型定位精度5km,典型定位精度5km，平均检测时间45min。MEOSAR 系统激活30s 定位精度可达5km，激活1min 定位精度可达1km，激活30min 定位精度可达100m。GEOSAR 系统示位标带有导航装置时定位精度可达60m。

虽然2019年12月发布的北斗卫星导航系统应用服务体系（1.0版）文件中声称2019年12月北斗系统全球SAR 服务已具备能力（上行6 颗MEO 播发卫星，下行3 颗IGSO 播发卫星和24 颗MEO 播发卫星，独立定位精度95%达到≤5 千米），但是拟在2020年6月才发布北斗系统SAR 服务接口控制文件，我国目前仍属国际搜救卫星系统的地面设备提供国，暂未成为空间设备提供国。

因为目前LEOSAR 卫星数量较少，北斗卫星的MEOSAR 服务尚未正式投入使用，覆盖我国境内的印度GEOSAR 卫星INSAT-3D 其下行波束在调整后主要覆盖印度（国内信号转发受限），所以我国搜救卫星系统对406MHz 国际救援信标的监视时间受限，同时报警响应等待时间较长。对于降落在水面的返回舱，其所在位置可能因水流的变化而随时改变，信号转发实时性和定位精度受限的406MHz 国际救援信标不适用于该应用场景。

其次，406MHz 国际救援信标与国际搜救卫星系统之间为单向信息传输，无信息交互功能，需借助第三方平台将救援信标的相关信息传递到搜救系统，不适用于着陆点远离主（副）着陆场的场景。

2.3 着陆搜救通信系统的局限性

返回舱（尤其是载人飞船或探月工程返回舱）的着陆搜救系统应具备大范围、全时段的通信能力。

神州系列载人飞行器通信手段包括超短波电台和北斗短报文系统。超短波电台仅可在返回舱周围几十公里范围内进行场区内通信，一旦返回舱着陆点远离车载/机载/船载搜救设备就无法进行通讯。北斗短报文系统则可在中国及周边乃至全球范围内使用。

北斗全球短报文系统单次报文最多约40 个汉字（560bits），响应时延一般优于1min，用户端需进行自适应多普勒补偿，且上行后信号到达卫星频偏需小于1kHz。

如果用户端具备进行多普勒频偏处理和预处理的能力，则我国的返回式载人飞行器可在全球任一着陆位置与着陆系统进行准实时通信。但对着陆搜救系统而言目前仍存在两个问题，首先是应用问题，根据官方文件公告，2019年12月北斗GSMC（全球短报文通信）服务将具备能力，2020年RSMC（区域短报文通信）服务将形成能力；其次是装备数量的问题，当返回舱降落在远离大陆的非预定着陆区时，凭常规搜救队伍无法及时有效进行搜救时需借助返回舱附近的海上船舶进行搜救。但在2017年全球进行海洋作业的渔船总量约325 万艘的情况下，目前全国仅7 万余艘渔船和执法船安装了北斗终端，国外安装北斗终端的船舶数量应该更少，无法通过北斗短报文系统与大多数船舶联系并组织营救。

2.4 我国海上应急搜救力量的薄弱性

根据网上搜集的资料，执行应急搜救任务时，我国搜救团队一般可在48 小时内通过两架固定翼飞机（各配置一个医疗救护小组和一个伞兵小组）完成搜救任务。若返回舱的应急降落地点在非远海区域，则一般情况下固定翼飞机可充分满足搜救任务需求，但若返回舱的应急降落地点在远海区域，仅凭两架各配置一个医疗救护小组和一个伞兵小组的固定翼飞机很难确保万无一失的完成应急搜救任务。作为航天强国的美国在实施“水星”计划时曾动用了包括2 艘航母在内的28 艘舰船和171 架飞机。

3 着陆搜救系统引入AIS/VDES技术的必要性分析

返回式飞行器通常采用弹道式和升力控制式两种再入大气层方式（其它方式还包括跳跃式和椭圆衰减式）。弹道式返回舱主要是在惯性和引力的作用下再入大气层，设计制造难度低，但是过载大、落点控制很不精确。升力控制式返回舱（如航天飞机）过载低，可以精确控制降落地点，但是气动设计、材料设计、飞行控制等难度极高。

我国神州系列载人飞船采用了弹道升力混合式再入大气层方式。通过调整飞船质心与气动力中心的关系，使飞船以一个特定配平攻角进入大气层，产生一定的升力，同时还可通过三角速率阻尼控制返回器的姿态，通过转动返回器改变升力的垂直分量和水平分量，在一定范围内控制再入轨道，略微调整着陆点位置。当因故应急返回地面时，受进入角度和时机的影响，该类型返回舱着陆点会远离预定着陆场甚至偏离应急着陆区。

图1：VDES 系统信号流程和频段分配图

当返回舱应急降落在陆地时，航天员和返回舱的着陆点固定，自然环境对其影响较小，可利用的通信工具和交通工具较多，航天员和返回舱的安全系数较高。

当返回舱应急降落在海面时，航天员和返回舱的着陆点不固定，会受风向和洋流的影响而动态变化，可利用的通信工具通常需要通过卫星进行中继，可利用的交通工具通常是大型船舶，现有搜救技术的效率较低，航天员和返回舱的安全系数较低。

在未来新型运载火箭、新型载人/货运飞船逐渐投入使用，高频次发射和返回成为常态的情况下，如何充分利用已有的国内外资源对现有搜救技术进行补充完善，提升搜救效率，确保搜救任务万无一失，将成为研究的一个方向。

根据在线HiFleet（一款船舶跟踪与风险预警工具）利用全球3000 多座岸基AIS 基站和79 颗AIS 卫星收到的数据统计，2019年平均每天可收到来自全球838044 艘船舶的位置报告信息。执行海上应急搜救任务过程中，在搜救团队无法及时到达返回舱降落地点时如果能与这些船舶取得联系并获取帮助，那么执行应急搜救任务的时间会大大缩短，航天员和返回舱的安全会得到更多的保障。

由于终端设备的价格和使用费用非常高，海事卫星通信设备和铱星通信设备在远洋船舶上的装备率较低。AIS 设备因在避碰、助航和进港停靠时的优势得到了国际海事组织（IMO）的强制推广，结合其低廉的价格在远洋船舶特别是航运船舶上获得了较高的装备率，越来越多的海洋捕捞船舶也开始装备AIS 设备了。

AIS 设备是具备自动识别、通信和导航功能的船舶助航设备，产品种类丰富，有A/B 型船载AIS 设备、AIS 航标设备、机载AIS设备等，如表1 所示。

AIS 系统研制之初是作为船舶与船舶之间或船舶与岸站之间小范围无线通讯的系统。受天线高度和发射功率的限制， AIS 设备的通信范围通常为半径 20 nm 的圆形小区。不同AIS 设备之间依据SOTDMA 协议或CSTDMA 协议协同工作，按一定的发射时隙和发射频率间隔实时收发船舶的静态信息、动态信息、与航次有关的信息和与安全有关的信息。随着技术的发展，通过在卫星、飞机、飞艇或探空气球上装载AIS 设备（部分需具备去多普勒频移功能和解时隙冲突功能）可在更大的范围实时接收AIS 设备发送的AIS 报文，必要时甚至可在一定范围进行广播（可能会影响部分船舶AIS 报文的收发）。

随着AIS 设备在全球船舶行业的广泛应用，在船舶密集区域会出现AIS 信道阻塞的问题，影响到航行安全。同时AIS 设备的通讯距离有限，无法对远离岸站的船舶进行助航和监控。因此国际海航标准协会IALA 在AIS 系统的基础上提出了升级方案VDES（VHF Data Exchange System）系统。VDES 系统的信号流程和频段分配情况如图1 所示，该系统在保留AIS 系统两个信道的基础上，将部分业务转移到新增的两路LAIS（Long Range AIS，通过卫星监测）信道上，并新增两路ASM（Application Specific Maritime）信道、十二路VDE（VHF Data Exchange）信道（包含地面系统和卫星系统）。 VDES 系统相关国际标准的研究和制定工作早已开展，预计将于2022年开始推广应用。

如果在着陆搜救系统中引入AIS/VDES 技术将带来如下几方面的好处：

3.1 提升海上搜救的能力和效率

现有着陆搜救系统在近海区域直接使用陆上固有测控站搜索返回舱，或征用近海区域民船对返回舱进行拉网式搜索，或使用近岸机场进行空中搜救，搜救效率较低；在远海区域的搜救只能借助于国际搜救卫星系统和北斗系统。

目前国内已有多颗卫星装备了AIS 设备，通过在搜救直升机、搜救船舶和搜救固定翼飞机上加装AIS 设备，甚至部署装备了AIS设备的飞艇、探空气球或无人机的方法可将着陆搜救系统的海上搜救范围由海岸附近延伸到远海。

当返回舱降落在远离搜救船的海面时，可通过AIS/VDES 系统及时联系着陆指挥系统（必要时可直接联系附近船舶），由着陆指挥系统与返回舱附近船舶进行联系和征用，通过固定翼飞机将医疗救护小组和伞兵小组投放至被征用船舶指导和执行搜救任务。

3.2 提升海上着陆区的监控和清场能力

通过装备了AIS 设备的浮标、探空气球、飞艇或飞机可于较短时间内在海上部署返回舱着陆区，设置电子围栏，便捷高效的执行清场和监控任务。着陆任务完成后亦可在较短时间内撤除着陆区设施，提高公共资源的利用率。

3.3 拓展返回舱的通信能力

通过装备了AIS/VDES 设备的探空气球、飞艇、飞机和卫星可将返回舱与着陆场系统联为一个整体，通过短报文的形式进行实时或准实时通讯，可作为北斗短报文通信系统的有力补充。

AIS/VDES 系统工作于156MHz ～162MHz 频段，天线的有效波束范围较宽（全向天线），信号受水衰影响较小，受高海况环境影响更小。

4 着陆搜救系统引入AIS/VDES技术的可行性分析

AIS 系统有岸基、船载、航标、渔网应答、个人便携应急示标、潜水定位、搜救应答、搜救机载应答等多种类型的设备，适用范围极宽泛。随着近几年星载AIS/VDES 设备的不断研究和应用，能适应空间辐射环境、空间热学环境和运载力学环境的高可靠、长寿命AIS/VDES 设备（含天线，可在轨升级程序）也已开发成熟。

首先可将星载AIS/VDES 设备装备到返回舱中。星载AIS 设备因要适应空间环境和运载力学环境的需求，体积、重量、功耗通常比船载A 类AIS 设备略大，功能可按岸站或机站设备进行设计。返回舱中还可加装潜水定位设备，以便在舱内进水或其它特殊情况下进行通讯。

航天员可随身携带搜救应答器或便携应急示位标，紧急情况下开启供搜救团队进行定位。

搜救飞机和搜救船舶可装备AIS 基站设备，执行搜救任务时作用距离更远，可对着陆区域附近船舶进行监测和管控。离返回舱较远时可实时接收卫星/无人机/飞艇/探空气球转发的AIS/VDES短报文信息，避免盲目的搜索；离返回舱较近时可直接与返回舱进行通讯，在高海况情况下基本不受影响。

可在预定海上着陆场附近海域布置AIS 航标，标示禁航区、航道、碍航物和水中建筑，监控着陆海域船舶。

5 AIS/VDES技术在着陆搜救系统中应用的难点分析

AIS/VDES 技术是为解决船舶避碰、助航和通信问题而开发的，移植到着陆搜救系统中时存在着一些技术难点：

5.1 覆盖区域问题

目前国内星载AIS/VDES 设备尚未组网应用，对地覆盖区域较小，覆盖时间较短，短期内无法有效配合着陆系统完成搜救任务。

飞机、飞艇或探空气球装备了AIS/VDES 设备后，其对地覆盖区域取决于飞行高度，当飞行高度在2km 时，对地覆盖区域为机下点斜距约500km 的范围，对远海区域的覆盖略显不足。

5.2 信号时隙冲突问题

目前VDES 系统的技术标准尚未正式确立，只能通过仅有两个收发信道的AIS 系统执行搜救任务。卫星、飞机、飞艇或探空气球装备的AIS 设备对地覆盖区域较大，区域内AIS 信号自组织小区数量较多，不同的AIS 小区可能在同一时隙同时发送AIS 信号，导致其接收的AIS 信号存在时隙冲突问题，影响AIS 信号的接收处理。如何在确保覆盖区域的前提下，降低信号时隙冲突概率，提升解时隙冲突能力，提高目标检测概率，存在一定的技术难度。

5.3 信号干扰问题

全球部分区域（如葡萄牙、地中海、美国东部）存在VHF 高功率雷达和其他诸如VHF 通信等影响，电磁环境恶劣，会干扰AIS/VDES 信号的正常接收，必须通过窄带滤波技术进行处理，必要时可使用干扰消除和信号重构技术。

6 结语

太空探索永无止境！近年来，随着科技的快速发展，掌握航天技术的国家越来越多。美、俄、中、法、日、印等国纷纷制定了新的太空探索计划，SpaceX 之类的商业公司也强势进入了航天领域，世界航天格局呈多元化发展趋势，竞争愈渐激烈。

“行百里路，半九十”！我们正处在从航天大国迈向航天强国的道路上，只有着力创新，兼容并蓄，确保航天任务全程万无一失，才能让中国人探索太空的脚步迈的更稳更远！