利用多源遥感数据的高效空难搜索定位与救援方法

晏泽翌，毛志强，孙宏峰，张孟侠

(1.北京市海淀外国语实验学校,北京 100095；2.中国石油大学,北京 102249；3.北京汇文中学,北京 100061)



利用多源遥感数据的高效空难搜索定位与救援方法

晏泽翌1，毛志强2，孙宏峰1，张孟侠3

(1.北京市海淀外国语实验学校,北京 100095；2.中国石油大学,北京 102249；3.北京汇文中学,北京 100061)

摘要：近年来空难接连不断，如何降低空难发生几率, 及时发现失事地点和飞机残骸，提供紧急救援，保证航空飞行的安全性是目前急需解决的问题。本文对飞机的航行过程如何跟踪，空难的搜索如何准确定位进行了综合分析；并以MH370马航事件为例，使用ENVI软件，对收集到的遥感影像图进行影像数据分析，提出搜索飞机残骸的可能方法。为快速有效地寻找坠机地点，使损失降到最低提供原理方法和实践依据。

关键词：空难；搜索；救援；遥感；影像

0引言

空难是不可避免的，但可以通过提高安全措施降低空难发生的几率。进入21世纪以来空难发生的次数逐年下降，这表明飞行安全逐年得到提高，然而2014年仍有111场空难发生，造成1 320人遇难。所以提高空难应急救援仍是不容忽视的问题，包括：如何降低空难发生的几率，提高航空飞行的安全性？在发生坠机事件后，如何快速有效地寻找坠机地点，使损失降到最低？

本文首先对飞机跟踪及事故搜索所对应的技术进行分类分析，引出多源遥感数据处理手段的高效空难搜索定位与救援方法，并针对如何提高安全性和救援的快速性给出系列方案。最后，本文再次聚焦马航案例，利用遥感数据处理方法进行空难搜索与救援的具体分析。

1飞机跟踪及事故搜索对应技术分析

1.1多普勒效应

多普勒指出：波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低[1-2]。假设原有波源的波长为λ，波速为c，观察者移动速度为v：当观察者走近波源时观察到的波源频率为(c+v)/λ，反之则观察到的波源频率为(c-v)/λ。如果把声波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象若你每走一步，便发射了一个脉冲，那么在你之前的每一个脉冲都比你站立不动时更接近你自己。而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说，在你之前的脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低了。一个较为常见的例子是火车的汽笛声，当火车接近观察者时，如果观察者远离波源，其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发动机声。

1.2雷达追踪

雷达技术是当今航空侦察的主要工具。对于民航飞机来说，雷达追踪是保护其飞行的重要手段。雷达通过向周围发射电磁波，如果有对象(比如飞机)出现在其搜索范围内，并且该对象具有一定的体积和运动速度可以产生有效的回波反射，可以判断该对象的大小及速度，从而识别该对象。

目标在空间、陆地或海面上的位置, 可以用空间任一点目标P的位置来决定。雷达测定目标如图1所示，下列三个坐标确定: 1) 目标的斜距R：雷达到目标的直线距离OP; 2) 方位角α：目标斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向(正北、正南或其它参考方向)在水平面上的夹角； 3) 仰角β：斜距R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角, 有时也称为倾角或高低角[3]。

图1　极(球)坐标系统表示目标位置

如需要知道目标的高度和水平距离, 那么利用圆柱坐标系统就比较方便。在这种系统中, 目标的位置由以下三个坐标来确定: 水平距离D，方位角α，高度H.这两种坐标系统之间的关系为

D=Rcosβ， H=Rsinβ，α=α,

(1)

雷达分为一次雷达和二次雷达。

一次雷达可以分成机场监视雷达、航路监视雷达、机场地面探测设备三类。在飞行航行中，发挥主要作用的是航路监视雷达。

二次雷达也叫做空管雷达信标系统[4]。管制员从二次雷达上很容易知道飞机的二次雷达应答机代码、飞行高度、飞行速度、航向等参数，使雷达由监视的工具变为空中管制的手段。

1.3遥感卫星

遥感卫星是用作外层空间遥感平台的人造卫星。遥感卫星能在规定的时间内覆盖整个地球或指定的任何区域，当沿地球同步轨道运行时，它能连续地对地球表面某指定地域进行遥感。遥感卫星主要有气象卫星、“陆地卫星”和“海洋卫星”三种类型。

1) 气象卫星以搜集气象数据为主要任务的遥感卫星，为气象预报、台风形成和运动过程监测、冰雪覆盖监测和大气与空间物理研究等提供大量实时数据。

2) “陆地卫星”是绕地球南北极附近运行的太阳同步卫星，具有接近圆形的轨道，在上午9时30分左右从913 km(“陆地卫星”1、2、3号)或804 km(陆地卫星“4、5”号)的高空跨越赤道。“陆地卫星”1、2、3号每隔18天覆盖地球一遍；“陆地卫星”4、5号每隔16天覆盖地球一遍，相邻条带相隔的日期为7～9天。卫星装载的多光谱扫描仪(MSS)、返束视像管摄像机(RBV)和专题制图仪(TM)等遥感器从北向南每次可扫描 185 km宽的地面条带。用两个 RBV相配合来拍摄地面的全色图像，其分辨率比用MSS提高一倍。TM的图像数据量为MSS的11倍，由于包含红外波段，并且几何精度和辐射精度都比MSS的高。

3) 海洋卫星以搜集海洋资源及其环境信息为主要任务的遥感卫星。海洋占地球面积的三分之二以上，蕴藏着丰富的资源并对气象有重大的影响。海洋卫星上的合成孔径侧视雷达能昼夜工作。雷达波穿透云层和浓密的植被获取地表图像。它能鉴别冰雪和水，在研究海洋浮冰和陆地积雪、地质构造、洪水泛滥淹没等方面都有很大的作用。

1.4GPS导航

现阶段卫星导航系统有美国全球定位系统(GPS)、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS、欧洲“伽利略”(GALILEO)系统。以GPS为例：24颗GPS卫星在离地面12 000 km里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。

事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。

1.5遥感图像分类

各种监测卫星的发射与运行为地表动态变化研究提供了多平台、多光谱、多时相、大范围的实时信息，遥感技术已成为当前人类研究地球资源环境的一种有力技术手段。

在遥感技术的研究中，分类是遥感图像应用的一个重点和热点[5-6]，是由图像生成专题图的过程。遥感图像分类就是基于图像像元的数据文件值，将像元归并成有限几种类型、等级或数据集的过程。常规图像分类主要有两种方法：非监督分类与监督分类。

非监督分类：是指人们事先对分类过程不施加任何的先验知识，而仅凭数据(遥感影像地物的光谱特征的分布规律)，即自然聚类的特性，其类别的属性是通过分类结束后目视判读或实地调查确定的。

监督分类。又称训练场地法，是以建立统计识别函数为理论基础，依据典型样本训练方法进行分类的技术。即根据已知训练区提供的样本，通过选择特征参数，求出特征参数作为决策规则，建立判别函数以对各待分类影像进行的图像分类，是模式识别的一种方法。要求训练区域具有典型性和代表性。判别准则若满足分类精度要求，则此准则成立；反之，需重新建立分类的决策规则，直至满足分类精度要求为止。常用算法有：判别分析、最大似然分析、特征分析、序贯分析和图形识别等。

2如何提高安全性和救援的快速性

2.1发现目标、全程追踪提高安全性

1) 实时追踪一次和二次雷达

一次雷达依靠目标对雷达发射的电磁波的反射机理工作，它可以主动发现目标并对目标定位；二次雷达了解飞机的二次雷达应答机代码、飞行高度、飞行速度、航向等参数，使雷达由监视的工具变为空中管制的手段，二次雷达的主天线安装在一次雷达的上方，和一次雷达同步旋转。加强雷达的覆盖使得这种有效识别方法能够实时追踪到飞机。

图2为雷达扫描的工作图，界面上不同的光斑代表不同的反射，民航飞机穿过固定的雷达区域时，雷达的界面上就会出现移动的小光斑，观测人员就可以清楚地发现该飞机，并反馈侦测信息。遥感卫星在太空中获取对地的观测数据，通过对卫星获取的图像进行预处理(辐射校正、几何校正)，之后对遥感图像进行分类，可以通过模式识别技术来识别卫星图像上的飞机。以此来辅助雷达系统，全方位追踪飞机的飞行。

2) GPS全球定位系统确定飞机位置

每架飞机都装有GPS导航设备。通过该设备能够获得飞机确切的三维坐标，一是为飞行员提供相关飞行数据，指导其正常驾驶，二是可以将这些数据实时传送给航管部门，当飞机的位置信息出现偏差，可以向飞行员提出警告，并按照飞行位置的偏离程度，制定相应的应急措施，使得飞机还没有发生事故之前就做好相应准备，也可以将人为因素(飞行员操作不当)造成的影响降到最低。

图2　雷达工作图

2.2出现事故、快速查找保证救援

应急救援系统：组织建立扩区域的应急救援系统，当飞机出现事故能够快速的提出相应的解决方案，并通知最近的国家救援队，使得救援能够火速进行。该系统可以充分利用雷达、GPS、遥感等获取信息，并通过相应的模式识别或者消息警报来处理应急事件，及时生成应急方案实施救援。

遥感卫星拍摄图片辅助分析：遥感卫星图像可以作为航空飞行的底图，若发生空难可以通过相应位置信息确定飞机。当飞机收到重创，失联后继续飞行一段时间才坠毁的，可以通过卫星图像来识别飞机，达到缩小搜索范围目的。

俄罗斯专家公布并称马来西亚的波音MH17是被乌克兰的战斗机击落，而不是被地对空导弹击毁。俄罗斯的国家电视台发布了一张被泄露的卫星图像，显示一枚导弹快速击落民航客机，如图3所示。

图3　卫星图像显示MH17被战机击落

运用GPS导航：通过实时的GPS数据(不受人为控制)快速获得飞机失联的最终位置，这样就可以将救援范围划定在相当小的范围内。这样可以缩短救援时间，为减少人员伤亡提供可能。

3以马航MH370为案例进行空难搜索与救援分析

3.1海事卫星Inmarsat分析

先分析海事卫星Inmarsat，Inmarsat通信系统的空间段由四颗工作卫星和在轨道上等待随时启用的五颗备用卫星组成。这些卫星位于距离地球赤道上空约35 700 km的同步轨道上，四个卫星覆盖区分别是大西洋东区、大西洋西区、太平洋区和印度洋区。另外飞机上的天线都是自动指向卫星的。

根据这些信息，可以得出结论：马航飞机只能与印度洋区的卫星联系，排除掉根据GPS类似的原理对飞机进行定位。GPS是根据定位者和多颗卫星距离不同，而无线电传输速度为30万公里每秒，GPS卫星上有着非常精准的时钟，接收器可以根据接受的GPS信号时间的差异进行空间定位，理论上三颗卫星即可定位。但在只有一颗海事卫星的前提下，是不可能根据时间定位的，何况Inmarsat是以通信为主，并不实时广播时间信号的，双方的通信也只有飞机发出的ping信号，飞机上是不可能有非常精准的时钟(要达到原子钟级别)，从通信的协议看也不可能传输精确到微秒以上的时间精度(一般只会到毫秒级)，因此所有所谓根据GPS定位原理进行海事卫星定位的猜测都是不成立的。

3.2多普勒效应法分析

由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象，称为多普勒效应。如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小。

根据多普勒效应，如果能知道飞机发出的无线电通信频率和卫星实际接收到的频率，通过对比就可以计算出飞机和卫星之间的相对速度。

要指出一点，那就是因为飞机高速运动引起的多普勒效应比较严重，因此在航空卫星通信系统设计中，已经采取了许多技术措施来改善多普勒频移的影响，例如频率校正技术等，这些会对上述计算有影响，但是，类似频率校正技术应该是在ping成功建立通信联系后才会进行，而马航因为未订购卫星服务，所以建立不起成功的连接，但多普勒效应是成立的。

3.3ping数据分析

飞机上的ping数据是一组无线信号，直接与卫星通信，以建立连接。ping数据包含的内容包括飞机的唯一识别代码，根据目前公开的信息看还应包括飞机高度数据。此外，在数据包之外的原始无线数据，还应包含卫星接收到的信号强度和信号频率等信息。

Inmarsat卫星是正对赤道的印度洋上空的一颗地球静止轨道同步卫星，根据信号强度能得到飞机离卫星的大概距离,如图4所示，也就是假设飞机信号发射功率恒定下，卫星能接收到的信号强度与距离成三次方反比，当然因为信号测量精度和无线信号传输本身的不稳定性，这个精度肯定是比较低的。

图4　拟MH370飞行路线

根据这个大概距离，再结合飞机的飞行高度和地球的表面交集，再根据飞机能飞到的可能距离，就能得到飞机在地球上的大概范围，这个范围肯定是以卫星为中心对称的，也就是媒体所说的南北两个走廊区域。其实北走廊早就可以排除，中国也没有把北走廊作为重点，因为这一带军事基地众多，大型民航飞机想躲过雷达侦察是不可能的。

根据信号频率能得到什么呢？假设飞机信号发射频率恒定的情况下，根据多普勒效应，飞机远离卫星频率就比正常的低，飞机靠近卫星频率就比正常的高，这样通过计算就能得到飞机离卫星的相对速度。如果假设飞机的飞行速度和高度固定(这就是此次计算必备的前提假设，外方也如此，所以很可能ping数据包含飞机速度和高度)，那么理论上就能计算出飞机相对精确的位置。当然，这个精度同样受限于飞机发射无线信号本身的稳定性以及卫星接收信号的测量精度，当然，再结合前面提到的信号强度，交叉计算就能大致得出飞机最后一次和卫星联系时的点坐标。至于为什么能计算出是南半球而不是北半球，这个很可能和地球的形状和地理高度差别有关，地球并不是个标准的球体，南北半球在对称地理位置、同样的飞行高度和速度下，多普勒效应会有细微的差异，这也就是为什么这个结果是通过类似区域其他飞机的ping数据比对而来的原因。

3.4遥感影像分析

然而在本次的马航事件中，雷达与GPS卫星均不能提供有效的数据。事故已经无法逆转，现在要做的是搜索坠机地点，找到残骸，分析事故原因。

首先，寻找数据,如图5所示。本次研究根据网络及中科院提供的数据进行影像分析。紧接着，便尝试使用ENVI软件对该地区的遥感影像进行分析。

图5　获取数据

1) 目视解译

以3个波段，分别作为R、G、B 颜色分量，对图片进行目视解译如图6所示。由于遥感卫星的分辨率不够目视解译很难发现体积较小的目标，在空难事故中飞机若发生解体，飞机碎片由于燃烧、碰撞体积不会很大，因此在分辨率不高的情况下，目视解译作用有限。

图6　目视解译

2) 非监督分类

对其结果进行大量分析及处理，分类出的集群与地类间不对应，加上普遍存在的“同物异谱”及“异物同谱”现象，使集群组与类别的匹配难度大；因各类别光谱特征随时间、地形等变化，则不同图像间的光谱集群组无法保持其连续性，难以对比。如图7所示，红色为云层，蓝色为海面，依旧不能通过非监督分类得到MH370的具体位置。

图7　非监督分类视图

3) 监督分类

首先从研究区域选取有代表性的训练场地作为样本。根据样本，通过选择特征参数(如像素亮度均值、方差等)，建立判别函数，据此对样本像元进行分类，依据样本类别的特征来识别非样本像元的归属类别。在此，将云层，海水，及其交界处分为3个样本。

然而监督分类只能识别训练样本中所定义的类别，对于因训练者不知或因数量太少未被定义的类别，监督分类不能识别，从而影响结果。如图8所示，无法准确地分辨白色物体与云层。因此，对于空难事故中，事先获得空难的大致位置信息再通过遥感图像进行分析效果会更佳。

图8　监督分类视图

图9　海面油污视图

使用监督分类及非监督分类依次进行影像分析，如图9所示。可以清楚地发现一些类似于油污的图像。油污来源分析：1) 海上采油点泄漏的石油；2) 飞机解体所遗留的油；3) 海上交通工具如轮船等泄漏造成。

在事故预测的区域内发现油污是非常有利的一个证据，但油污可能有其他来源，同时油污随水偏移，不能提供准确位置。然而并没有数据能够显示马航的具体位置，同时遥感影像分类也具有一定的误差。基于资料不足，不能很好的得到马航坠落的具体位置。

4结束语

1) 照情理，客机从执行航班任务开始，就不应中断和地面的航管联系；如果“失联”，则应第一时间通报。然而马来西亚空管部门和马航方面，竟过了五六个小时才披露失联一事，且马航最初通报的失联时间2时40分(马六甲海峡霹雳岛附近)，后来被悄悄修改为1时30分(马来西亚与越南雷达管制交接处)。

2) 马来西亚方面的信息不公开直接导致马航370航班搜救工作复杂化，救援盲目进行，使得黄金救援期白白浪费掉。

3) 卫星导航定位是非常重要的，在此基础上借助遥感影像可实现飞机残骸或状态发现。

4) 仅仅通过遥感影像分析，不能准确的寻找到马航残骸的具体位置。在卫星导航关闭情况下，只有通过多手段如多普勒效应大范围、雷达缩小范围和方位、遥感影像多尺度小范围，才能实现有效监测与查找。

5) 空管部门对二次雷达的管理机制需要修改，卫星导航应该作为强制性飞机定位手段。现在飞机可单方面关闭雷达应答、非强制性装载卫星导航系统的缺陷，实属本次事故的原因之一。

参考文献

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[6] 王一达,沈熙玲, 谢炯.遥感图像分类方法综述[J].遥感信息,2006:67-71.

晏泽翌男，主要对飞机跟踪及事故搜索方法整理，进行对高效空难搜索与救援方法的研究，并使用envi软件对遥感影像进行分析。

毛志强男，教授、博士生导师，遥感影像分析、解释与评价。

孙宏峰男，主要从事数据信息的收集、整理、提取、分析研究工作。

张孟侠女，主要从事数据的后期处理与分析工作。

Efficient Air Crash Search and Rescue Methods Based on Multisource Remote Sensing Images

YAN Zeyi1,MAO Zhiqiang2,SUN Hongfeng1,ZHANG Mengxia3

(1.BeijingHaidianForeignLanguageShiyanSchool,Beijing100095,China;2.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;3.BeijingHuiwenMiddleSchool,Beijing100061,China)

Abstract:There were many air crashes in 2014. Current urgent and critical issues include (1) to understand how to reduce the probability of air crash, (2) to locate the accident and airplane remains, (3) to provide rescues, and to (4) ensure the safety of the flights. In this paper, we investigated how to track airplanes and how to locate air crashes by using literature searching, website searching, and interviewing experts. In addition, we used MH370 air crash as an example and proposed a possibility of searching the airplane remains. This was done by analyzing data from remote sensing images by ENVI software. Our research provides both theoretical and practical evidence to efficiently locate air crashes and to minimize the financial loss.

Keywords:Air crash; search; rescue; remote sensing; image

作者简介

中图分类号：P237

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2016)01-0100-06

收稿日期：2015-11-13

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.021

联系人： 晏泽翌 E-mail: obbie1@163.com