全球卫星搜救系统及其发展现状

● 文|北京大学信息科学技术学院 卫星与无线通信实验室 郑晴 王冰 程宇新 吴建军

全球卫星搜救系统及其发展现状

● 文|北京大学信息科学技术学院 卫星与无线通信实验室 郑晴 王冰 程宇新 吴建军

一、引言

2014年，马航失联，韩国渡轮悲剧，克利伯环球帆船赛男子落水事件，Cheeki Rafiki游艇4名英国水手失去生命，华盛顿Mt. Rainier 6名登山者失踪，这些仅仅是海陆空紧急危险事故的冰山一角。平均每年有40万人落水而亡，2万多渔民遇难，更有超过700人在空难中去世，因此，有效的搜救系统——如何更快定位危险信标，如何快速调度救援团队，如何救出更多的人，显得尤为重要。发展日趋成熟的卫星搜索与救援系统（Search and Rescue，SAR），利用卫星来探测来自海上、空中和地面示位标发出的遇险信号，从而达到快速确定目标位置并进行救援的目的。

本文对卫星搜救系统的现状，中轨道卫星搜救系统的引入发展与技术体制以及下一代卫星搜救系统的应用进行简介。

二、全球卫星搜救系统

由加拿大、法国、美国和苏联联合发起成立的全球卫星搜救系统（COSPAS-SARSAT）是国际移动卫星公司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。自1982年以来，该系统已经成功救援众多遇险人员，仅2010年一年间，就救援了2338人。世界各地的军事和民用SAR组织通过该系统，与在危急事故中被激活的示位信标、发射机或者其他定位装置进行通信。

系统具体工作流程如下：当危险事故发生时，遇险示位标（包括航空用应急示位发射机ELT、航海用应急无线电示位标EPIRB和个人位置示位标PLB）人工或者自动激活（信标激活可以存活48小时），发送遇险报警信号，经由搜救卫星变频转发后，由遍布全球的卫星地面信号接收站或称本地用户终端（LUT）接收并计算出遇险目标的位置，将信标的报警数据和统计信息转发给任务控制中心（MCC），MCC收集、整理、储存和分类从用户终端与其他控制中心送来的数据，过滤虚假报警信息，将正确的报警或定位信息发送给搜救调度中心（RCC），RCC将进行真正的海陆空搜救工作。

COSPAS-SARSAT组织主要通过低极轨道卫星搜救系统（LEOSAR）和对地静止轨道卫星搜救系统（GEOSAR）来实现定位。LEOSAR系统采用多普勒效应的原理来计算遇险目标的位置。举例来说，应急无线电示位标发射406MHz的信号，功率输出为5W，示位标信号包括用户名称、国籍和类型（海上、航空和地面）等信息。卫星接收、处理、存储并转发该信号给地面接收站。处理信号时，示位标在地面静止不动，用准确的406MHz发射信号，卫星接收到的信号频率高或低于该频率，这取决于卫星的速度方向。如果卫星轨道、信标频率和卫星接收到的多普勒频移已知，就可以确定示位标的位置。GEOSAR因为GEO卫星相对遇险目标是静止的，所以GEOLUT不采用多普勒效应，而是用信号自身携带的信息完成定位。LEO、GEO的上行频率分别为406.05MHz、406.025MHz，下行频率均为L频点1544.1MHz，这些均为国际电联规定的专用搜救频点，其他系统不得使用。

遇险示位标使用的频率有：121.5/243MHz、406MHz两种。121.5/243MHz的示位标内部没有登记信息，造成虚假报警事件太多，为规范系统运营，国际搜救卫星组织决定到2009年终止对121.5/243MHz的示位标业务，要求全球所有航空器、船舶、陆地用户必须装备统一的406MHz示位标。遇险报警信号以下行L频段1544.1MHz实时转发给本地用户终端进行处理。

因该系统被全球超过43个国家采纳，卫星覆盖范围广，报警探测系统经过验证，信息分布处理，COSPASSARSAT已经成为最重要的全球卫星搜救系统。目前，LEOSAR卫星系统主要由美国提供的5颗和俄罗斯提供的2颗低极轨道卫星组成，GEOSAR系统主要由美国和印度提供的5颗静止轨道卫星组成。LEOSAR因轨道低，单颗卫星覆盖面积小，遇险目标等待时间长，GEOSAR轨道高，传输时延大，因此寻求下一代卫星搜救系统就显得极为迫切。

三、中轨卫星搜救系统

目前全球搜救系统正在通过在中轨道卫星搜救系统（MEOSAR）中部署搜救接收机（比如中继器或转发装置）进行升级。中轨道卫星系统主要包括美国运营的GPS，俄罗斯GLONASS，2012年10月开始发射的欧洲导航卫星Galileo。2014年2月，COM DEV国际公司已成功完成中轨道卫星搜索和救援（MEOSAR）项目的初步设计评审（PDR），这是MEOSAR项目里程碑的一步。2013年3月，COM DEV拿到了加拿大国防部关于设计和开发MEOSAR中继器价值470万美元的合同。加拿大计划将MEOSAR中继提供给美国，美国将之整合为下一代GPS星座的有效载荷。该MEOSAR项目工作正于剑桥和渥太华的公司紧张进行中。

COSPAS-SARSAT在已有的卫星系统GEOSAR、LEOSAR的基础上引入MEOSAR，在示位标、空间站、地面站各个方面进一步完善了全球卫星搜救系统体制。

1.MEOSAR的优势

当前LEOSAR和GEOSAR系统有各自的缺陷。GEOSAR系统除了高纬度（如极地）地区外可连续地覆盖整个地球，但前提条件是信标位置信息经过编码。LEOSAR系统可以在没有GPS或其他导航信号帮助下定位信标，但在任何给定的时间，LEOSAR卫星仅能覆盖地球一小部分，所以接收到的求救信号有可能延迟。

与目前COSPAS-SARSAT 已经运行的12颗卫星形成对比，2018年中轨道卫星搜救系统完备部署后，MEOSAR将会包含72颗MEOSAR卫星。届时，全球卫星覆盖范围广，而且能实现目前及下一代应急示位标的近乎连续时间的探测及定位。表1总结了MEOSAR相对于目前COSPAS-SARSAT卫星系统的几点优势。

表1 LEOSAR、 GEOSAR和 MEOSAR的对比

MEOSAR需要至少3颗独立卫星传递的示位标信息来确定示位标的经度、纬度和高度。未来计划72颗卫星在轨时，本地用户终端几乎能在连续时间捕捉到3颗独立卫星的信号，而LEOSAR因卫星覆盖不全，本地用户终端捕捉到信号需要46min到100min。大部分MEOSAR本地用户终端需要4～6根天线，用以捕捉至少3个卫星信号进而确定示位标的位置。多天线的系统可以保证即使1根天线在修理，仍然有足够天线可用，进而提高系统的可用性。此外，MEOSAR本地用户终端网络结构也增加了全球实时覆盖。举例来说，如果位于大西洋中央的示位标被激活，而美国本地用户终端只有2根天线覆盖了那个区域，那么应该怎样确定示位标的信息？这种情形下，美国本地用户终端的两个数据与欧洲本地用户终端的一个数据结合起来，便可确定示位标信息的第三个参数，从而确定示位标的确切位置。

2. MEOSAR发展规划及应用

COSPAS-SARSAT理事会规定，MEOSAR系统主要通过五个阶段实现：①定义和开发阶段；②概念证明（POC）/在轨验证（IOV）阶段；③演示与评估（D&E）阶段；④初步运营（IOC）阶段； ⑤全运营阶段。定义和开发阶段是指空间段中轨道全球卫星导航系统的建设完成。美国从2001年到2010年底，陆续发射了9颗搭载S频段下行搜救载荷的GPS卫星（DASS），欧盟和俄罗斯也在Galileo以及GLONASS导航系统上开展MEOSAR验证工作。在2013年年初，全球搜救卫星系统进入了一个MEOSAR D＆E阶段，并从可靠性和精确度证明MEOSAR业绩符合预期的期望。2015年之后，全球搜救卫星系统将进入MEOSAR IOC阶段；当MEOSAR卫星和委托地面站可提供全球性、实时覆盖时，MEOSAR系统将进入FOC阶段。图1为MEOSAR发展规划图。

图1 MEOSAR发展规划

下一代卫星搜救系统的应用关键是整合。SAR产品/技术和工艺整合到应用中，如船队管理/船舶交通管理，以及交通工具监控等多个行业，也正在成为整合发展伙伴关系的催化剂。船队管理软件可以识别406MHz遇险信标技术和SAR自动识别系统（AIS）的危急事件，紧急情况下，将允许运营商工作船商业捕鱼船队和内河运输公司简化操作或者挽救生命。在商业航运业中，SAR整合到海域感知（MDA）的应用创造了新一代的e-海事解决方案。

TSi公司，被地面站基础设施的全球前两大供应商之一马克默多集团（McMurdo Group）收购，于2015年1月13日宣布，已由塞浦路斯、文莱、阿根廷和美国航空航天局选定部署SAR的网络基础设施解决方案和下一代MEOSAR系统，共计近500万欧元。主要包括在南美洲部署6通道MEOSAR系统，在美国部署2通道MEOSAR系统作为扩展，为欧洲和亚洲搜救机构设计救援协调中心软件，这些都更加促进MEOSAR的整合应用。

四、小结

本文介绍了全球卫星搜救系统（COSPAS-SARSAT）的发展动态，具体描述了中轨卫星搜救系统的优势、发展规划、应用前景和技术细节。一方面，我国的远洋、渔业急需卫星搜救系统的支持；另一方面，我国的北斗卫星导航系统也逐渐发展成熟，具有全球的定位授时功能，而且定位精度高。充分利用我国对卫星搜救系统的迫切需求及北斗导航系统的成熟契机，积极参与全球卫星搜救系统及活动，并大力发展我国的卫星搜救系统，具有很大的意义。

[1]More Lives Will Be Saved - The Future of Satellite-Based Search and Rescue（SAR），2014 [EB/OL].(2014-10-21).

[2]MEOSAR Search & Rescue Repeater’s successful PDR（Satellites），2014[EB/OL].(2014-08-11).

[3]The Saving Grace of COSPAS-SARSAT This GPS constellation will dramatically improve the speed and delivery of Search and Rescue services around the world，2014[EB/OL].(2014-03-05).

[4]Jeom-Hun Lee, lnone Joo, Sanguk Lee,et al. Galileo Return-Link Experiment using Galileo Receiver and Simulator[J]. lEEE，2013.