基于北斗的海上失事飞机救援系统∗

2018-07-10柴川页赵帆帆林立洲矫俊鹏

舰船电子工程 2018年6期

柴川页赵帆帆林立洲矫俊鹏

（东南大学仪器科学与工程学院南京 211189）

1 引言

2014年马航MH370神秘失联事件发生后，相关国家投入大量人力物力到搜索失联客机的行动中。而我国以近海、浅海和已确定目标的搜寻、搜救为主的海上搜索救援能力［1］，对于大范围海上搜索行动存在一定局限性，难以适应这种不确定性的、飞机远海失事的搜索救援。《国家突发事件应急体系建设“十三五”规划》指出，我国应完善海上通信和应急指挥系统，提高海上突发事件处置能力，加强抢险打捞装备配置，配备可参与全球海上搜救和国际救援行动的海洋救助船及深海扫测打捞设备。从我国航空应急救援体系建设来看，中远海海上快速支援和搜救必须依赖远距飞机、辅以就近舰船（含船舶搭载的直升机）等工具，采用飞机进行目标搜索、空投物资、空降着水救援或飞机直接着水开展救援，以及舰船协助救援等方式。2018年1月24日，世界最大的水陆两用飞机AG600第二次试飞的成功标志着我国海上应急救援体系正在逐步完善。全球海上遇险和安全系统GMDSS（Global Maritime Distress and Safety System）主要由卫星通信系统和极轨道卫星搜救系统、地面无线电通信系统（即海岸电台）以及海上安全信息播发系统三大部分构成。自2012年底我国北斗卫星导航系统正式提供公开服务以来，北斗海事应用国际化工作取得了突破性进展。北斗系统具有高精度定位、授时服务，精密导航技术以及优于其他全球定位系统的短报文通信功能，能够为失事飞机的海上搜救工作提供新的手段。国际海事组织已将北斗系统纳入继GPS、GLONASS之后向国际海事界提供导航服务的第三个卫星导航系统。本文提出了一种基于北斗的海上失事飞机救援系统方案。

2 海上失事飞机救援系统方案

基于北斗的海上失事飞机救援系统如图1所示。搜救飞机或声纳浮标对海面和水下残骸进行搜索，利用北斗技术进行定位并将相关信息告知指挥调控中心，引导搜救船只前往搜救。整个系统围绕北斗技术体系展开，充分利用了北斗卫星的定位、授时、导航和通信等功能，体现了自主、精确、高效的应用优势。

该系统主要包括四个部分：遥感应用系统进行海面目标搜索时，搭载北斗定位装置的搜救飞机在海域上空对失事飞机目标进行搜索，机载摄像头使用遥感技术对海面目标进行识别；浮标系统由搜救飞机确定失事点后投放，浮标的水下部分形成声呐系统，以实现对水下目标的定位；定位接收子系统支持飞机与陆上指挥调控中心、船舶之间、搜救船只与陆上指挥所通信，以及各平台的时间同步；海上搜救指挥系统由多艘搜救船只组成，指挥中心与各舰船联络以规划路径达到最优的搜救效果，船只搭载北斗等组合导航设备。系统结构框图如下图2所示。

3 海上失事飞机救援系统分析

3.1 失事飞机海上定位

远距离目标靠肉眼难以判断，对海面上失事飞机（飞机残骸、油污等）等目标搜索可以依托遥感技术。遥感多采用扫描成像技术［2］，通过不同传感器获取海面上失事飞机的图像信息。近年来，遥感图像信息呈现“三高”和“三多”的趋势：即高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率；以及多平台、多传感器、多角度；经由以几何处理、图像辐射处理、图像判读等为代表的计算机图像处理方法［3、4］进行图像自动识别，同时结合地理信息系统和北斗卫星导航系统实现对目标相对高精度定位，通报和引导搜救船只前往搜救海域。

飞机发现目标后飞行至目标地点，空投特制的北斗浮标，可实现水下目标（残骸、黑匣子）的搜寻以及目标的精确定位。浮标由飞机平台投放入水后，保持直立姿态悬浮于水中，浮标筒内天线伸出海面，接收北斗卫星信号以实现自身定位。浮标水下部分装有声纳，工作时接收声音信号并转换成电信号，经放大器放大、信号处理器调制后，可采用北斗系统的短报文系统由天线向外发射。机载平台接收到相应讯息，解调后可明确水下目标精确位置。

北斗浮标由浮标体、北斗定位接收机、发射天线、水听器、水声发生器和浮标姿态稳定系统组成［5］。北斗接收机直接接收卫星导航信号实现浮标位置的精确标定；发射天线用于向机载平台发射浮标的位置信息；北斗浮标水下部分利用超声波水声信号实现对水下目标的定位，通常水下目标需要接收4个以上北斗浮标的测距信息，多个浮标组成类似卫星星座的海面动态大地测量基准，同时受益于精确的授时服务，以实现目标的水下定位功能；姿态稳定系统则测量由风浪、水流引起的浮标摆动，对浮标的坐标进行实时修正。

北斗接收机与北斗定位信号处理模块连接，发射天线与无线通信VHF模块连接，声呐系统中水声换能器与水声信号监测模块连接，数据处理模块与水声监测、北斗定位信号、VHF无线通信、数据储存、电源管理模块等相连［6］。投掷浮标的飞机上设有机载数据处理平台，包含无线通信收发终端、主控计算机、显示器、差分定位信号接收终端等，能将浮标发送的数据进行定位解算、误差补偿、储存以及发送给指挥调控中心。

针对卫星导航定位系统无法在水下使用的局限性，为实现水下目标的搜索与精确定位，本方案设计采用水声定位。水声定位系统主要指可用于局部区域精确定位和导航的系统，在海域中分布多个声接收器或应答器构成基元。系统根据基元间基线长度可分为长基线系统，短基线系统和超短基线系统［7］。

表1 水声定位系统分类

长基线定位系统的优点是定位与水深无关，在较大工作范围内精度较高，但布阵构成复杂，成本高。而短基线系统的定位精度介于长基线与超短基线中间，安装简单，不需要建立海底基阵，使用简单，但阵内部分基元容易受到载体自身噪声的影响。本方案的声学浮标基阵属于短基线系统。对于水下声源如黑匣子，水听器可满足定位要求；对于要声波反射定位的水下目标，需要声波发生器和水听器同时作用，两者统称水声换能器。

3.1.1 声学浮标定位方法

声学定位系统由若干个浮标组成，构成水听器基阵。浮标系统主要采集和处理水下目标声源信号，浮标之间可通过无线电通信进行数据交换。飞机失事后沉入水下的“黑匣子”作为飞行数据记录仪，是搜救重点。“黑匣子”会发出37.5KHz的超声信号，声学浮标基阵主要通过测声源到各个浮标阵元信号的时间来进行定位。

设要解的目标位置为（X，Y，Z），4个浮标的位置为（ X1，Y1，Z1）（ X2，Y2，Z2）（ X3，Y3，Z3）（X4，Y4，Z4），基本定位方程如下：

将以上四个式子两两相减，消去二次项X2，Y2，Z2，并记：

上式可化简为矩阵形式：Ax=B

则利用最小二乘解可得到目标的最佳解为x=(ATA-1)(ATB)。

3.1.2 时延差定位方法

Ri(i=1，2，3，4)为目标到第i个浮标的距离，而测量值往往是声源到达几个浮标的时延差，即时延差法［8］。 ∆ti1(i=2，3，4)为声源到达第i个浮标与第1个浮标的时延差。

时延差的获取主要来源于互相关函数和互功率谱。基本互相关法计算量小且易实现，将声源到达浮标的两路信号做基本互相关运算，函数峰值对应的时延即为真实时延的一个估值。但复杂的水下环境导致实测信号受噪声干扰，求得的互相关函数常出现多个相似峰值或无明显主极大峰的情况，便难以确定主极大峰的位置而使时延估计产生误差。而距离的确定正依赖于时延差的精确性，为提高水下定位的准确性，利用互谱密度乘以不同的频域加权窗，以此对信号和噪音进行白化处理，从而增强信号中信噪比较高的频率成分和抑制噪声的影响，再通过反傅里叶变换得到互相关函数和较精确时延差。

设第 i个浮标接收到的信号为xi(t)=aix(t - τi)+ni(t)，其中 ai为衰减系数，τi为传播时间，ni为噪音。则第i和第j个浮标接收到的两路声信号的互相关函数为

为抑制噪音影响，在xi、xj互相关之前加一前置滤波器 φij(ω ) ，加权后即可得到如下式子：，其中 Gij()ω为互功率谱，Gij(ω)、Rij(τ)为一对傅里叶变换对。

3.2 基于北斗卫星的通信与导航

北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，并按照“三步走”的发展战略稳步推进。对于北斗卫星定位接收子系统的基本原理大致可分为伪距定位和载波相位定位［9］。

与其他GNSS相比，北斗系统采用了GEO卫星、IGSO卫星、MEO卫星组成的空间混合星座，可有效改善亚太地区的星座布局。导航和通信集成是北斗系统的一大特色，GEO卫星在提供无源导航定位服务的同时，还继承了北斗试验系统的RDSS业务，使之同时具备有源导航定位、短报文通信和位置报告功能。短报文通信为北斗系统的核心优势，不仅可点对点双向通信，而且提供指挥端进行一点对多点的广播［10］。本系统中，北斗系统综合提供用于飞机、船舶的定位与导航，浮标的定位，飞机与陆上指挥调控中心、船舶之间、搜救船只与陆上指挥所的通信，以及各平台的时间同步。

将惯性导航与北斗卫星导航相结合，能发挥各自的优点，高精度北斗信息作为外部量测输入，在船体运动过程中可修正惯性导航，以限制误差随时间的积累；短时间内高精度的INS定位可以很好地解决卫星定位导航中在动态环境中的信号失锁和周跳问题［7］。组合导航的实质是以计算机信息处理为中心，将各个导航传感器送来的信息加以综合和最优化数学处理，其算法关键是卡尔曼滤波，即以最小均方误差为估计的最佳准则来寻求一套递推估计，利用前一时刻的估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现时刻的估计值，根据系统的量测值来消除随机干扰以再现系统的状态，并不断进行修正。

3.3 船舶救援综合指挥

船舶救援综合指挥可以依托船舶专门配置的搜救指挥系统，也可以利用船舶综合舰桥系统实现。船舶综合舰桥系统［11］IBS实现航行相关的各种系统状态监测，利用组合导航系统INS提供的包括航向、航速、位置及吃水深度等信息与舰艇操作控制、碰撞、搜救等设备有机组合起来，实现对舰船航行状态的监控。与传统舰桥系统相比，综合舰桥系统扩展了决策与行动数据采集与处理［12］。船舶救援综合指挥包括空中和海上搜救力量的指挥调度、搜救航线规划及优化、搜救过程综合信息展示、与空中水面岸上各指挥机构之间的行动协调等功能。