搜救卫星系统技术发展与应用探讨

● 文 |1.北京金交信息通信导航设计院.中国交通通信信息中心 何浩李阳赵晨 王玮

一、搜救卫星系统概况

国际搜救卫星系统（COSPAS-SARSAT）是国际海事组织（IMO）全球海上遇险与安全系统（GMDSS）的重要组成部分，为船舶、民用航空器和个人用户提供遇险报警信息服务。该系统是由美国、苏联、法国和加拿大四国在1979年联合开发的在全球范围内利用卫星进行遇险报警信息服务的系统[1]。目前拥有42个成员国家，4个空间设备提供国。目前我国是地面设备提供国，待北斗加入COSPAS-SARSAT后，将成为空间设备提供国。截至2016年底，系统已累计在全球12644次遇险事件的搜救行动中使43807名遇险人员得到及时有效的救助[2]。

搜救卫星系统由空间部分、地面部分和示位标组成。根据使用卫星的不同，国际搜救卫星系统分为低极轨道搜救卫星系统（LEOSAR）、静止轨道搜救卫星系统（GEOSAR）和中轨道搜救卫星系统（MEOSAR）。LEOSAR系统卫星数量较少，卫星轨道高度较低，单颗卫星覆盖地球的面积较小，两颗卫星飞越同一地区的时间间隔较长，遇险目标存在报警等待时间过长的风险。1998年，搜救卫星系统理事会决定通过使用静止轨道搜救卫星来增强已有的LEOSAR系统，解决了只依靠LEOSAR系统造成的报警延迟问题。但是GEOSAR系统不能独立进行定位处理，需依赖示位标内置的GPS导航接收装置，才能得到位置数据，而静止轨道卫星由于轨道高度较高，接收信号的能力较弱。鉴于GEOSAR和LEOSAR系统的局限和不足，自2000年开始，美国、俄罗斯和欧盟建议在其全球卫星导航星座上搭载搜救转发器，形成MEOSAR系统。MEOSAR系统是对国际搜救卫星系统进行的重要的技术改造，以提高系统对406MHz频率遇险信号的接收能力和数据处理的时效性，使得系统具备更加丰富的业务扩展功能。目前，空间部分卫星包括5颗低极轨道卫星、6颗静止轨道卫星和数量在不断增加的中轨道卫星，待MEOSAR系统全面运行后，中轨道卫星数量将达到72颗。

接收不同空间卫星的信号，地面部分需要对应不同的地面接收站。目前分布于全球范围内包括53座低极轨道搜救卫星地面接收站（LEOLUT）、21座静止轨道搜救 卫星地面接收站（GEOLUT）和正在建设的中轨道搜救卫星地面接收站（MEOLUT）。以及30个任务控制中心（MCC），实现全球范围内报警信号、系统信息等互联互通。

在全球范围内，搜救卫星作为应急救援报警系统，广泛地应用于船舶、民用航天器和个人领域。受可用卫星资源和技术条件限制，目前我国搜救卫星系统应用较少，主要应用于船舶等传统领域。随着我国搜救卫星系统的不断完善，系统性能不断提升，以及我国民众生活水平的不断提高，对安全保障的要求越来越高，搜救卫星系统将会得到更广泛的应用。

二、搜救卫星系统技术发展

1.国际搜救卫星系统发展

1985年，LEOSAR投入运行，由于卫星轨道较低、卫星数量较少，存在较大的等待时延问题。1998年GEOSAR投入使用，利用静止轨道卫星，轨道高度高、覆盖范围大的特点，解决了报警时延问题。但是整个搜救卫星系统依然面临空间卫星资源匮乏的问题，为此，自2000年开始MEOSAR技术研究，按照COSPAS-SARSAT计划，将于2020年投入运营，如图1所示。

图1 MEOSAR计划时间表

国际搜救卫星系统呈现如下发展趋势。

（1）多系统并行运行

搜救卫星系统作为应急救援系统，系统的可靠性和稳定性至关重要。当前国际搜救卫星系统由LEOSAR、GEOSAR和MEOSAR组成，三套系统并行运行，实现对全球范围的重复覆盖。三套系统独立运行，独立接收和转发遇险报警信号，为搜救卫星系统提供可靠的保障。同时通过地面MCC网络实现各个系统间信息交互。

（2）空间卫星链路多重冗余

搜救卫星系统中空间卫星至关重要。搜救卫星的数量将直接影响系统的可靠性、时效性和准确性。目前搜救卫星系统包括低轨道、中轨道和静止轨道搜救卫星。截至2017年，不同类型的搜救卫星数量如图2所示。在1544～1545MHz遇险专用频率，不同搜救卫星使用频率分布如图3所示。搜救卫星数量在不断增加。

图2 搜救卫星数量

图3 搜救卫星专用频率使用分布

（3）持续提升系统报警响应速度和定位性能

①定位技术升级

根据搜救卫星轨道的不同，LEOSAR、GEOSAR和MEOSAR系统采用不同的定位技术。最早运行使用的是LEOSAR系统，采用的是多普勒定位技术，该技术需要等待卫星过顶，通过测量多普勒频移来进行定位计算，定位计算等待时间较长，还存在镜像定位问题。随后建立的GEOSAR系统，卫星轨道高度很高，卫星覆盖范围大，转发遇险报警信号无需等待卫星经过，但是依靠1颗GEOSAR卫星无法实现独立定位计算，需要与其他系统配合。当前正在建设MEOSAR系统，利用数量众多的导航卫星资源，通过测量多个卫星的到达时间/到达频率（TOA/FOA）信息进行定位计算，定位精度和响应时间得到较大提高。

②卫星数量增加

不同时期建设的LEOSAR、GEOSAR和MEOSAR系统，并不是相互替换关系，而是在不断增强搜救卫星系统。通过增加可用搜救卫星的数量，降低报警信号转发的等待时间。而且不同类型不同轨道的搜救卫星可以实现对地球表面的多重覆盖，形成可靠的信号转发链路冗余，进一步降低报警信号丢失的概率，提升整个搜救卫星系统的可靠性。

③示位标升级

一代示位标采用窄带信号，信道带宽为3kHz，为避免信道上示位标数量过多导致系统过载，主要通过授权管理各个信道上生产的示位标数量。由于一代示位标产生的年代较为久远，一定程度上制约了搜救卫星系统的性能，在典型条件下，能够达到的典型定位性能如下：

LEOSAR系统：典型定位精度5km，平均检测时间45min。

GEOSAR系统：示位标带有导航装置时可达60m。

MEOSAR系统：激活30s可达5km，激活1min可达1km，激活30min可达100m。

新一代的示位标则采用扩频宽带信号，信号带宽为80kHz。目前只有MEOSAR系统支持。在典型条件下，二代示位标能够达到的典型定位性能如下：激活3s可达5km；激活5min可达100m。

2.我国搜救卫星系统发展

中国搜救卫星系统由中国建造的地面系统和国外的搜救卫星组成，地面系统包括两个地面接收站和一个任务控制中心，系统只能接收低极轨道搜救卫星转发的示位标报警信号，且最多同时跟踪2颗卫星。

中国搜救卫星系统自1998年投入运行以来，为在中国搜救服务区范围内的海上、空中和陆地用户提供遇险报警服务，通过国际搜救卫星系统西北太平洋数据节点，向全球用户发布遇险报警信息，为中国和境外的遇险搜救指挥部门实施救助行动，提供了有力的支持和帮助。

受到可用卫星资源的限制，我国目前只有LEOSAR系统处于运行状态，即在北京建设LEOLUT接收LEOSAR卫星报警信号，并将报警信息发送至中国海上搜救中心，由搜救中心组织相关人员进行救援。但是目前LEOSAR卫星在轨运行的有5颗，其中4颗已经超过设计使用寿命，对搜救卫星系统的稳定性造成一定影响。目前我国搜救卫星系统覆盖响应区域如图4所示，最内圈为1h响应区域，增加一环增加0.5h。一旦可用LEOSAR卫星数量减少，将进一步增加报警响应等待时间。我国搜救卫星系统要与国际搜救卫星系统的发展相匹配，解决我国搜救卫星系统空间资源不足的问题，进一步完善我国搜救卫星系统。

图4 LEOLUT覆盖响应区域（平均响应时间）

（1）建设MEOSAR系统

鉴于低极轨道卫星空间资源不足，导致中国搜救卫星系统存在较长的卫星空白时段和信号接收不稳定等问题，已经开始影响到正常的遇险报警工作。我国已经开始建设MEOSAR系统，计划在北京建设MEOLUT接收MEOSAR报警信号。同时联合北斗卫星导航系统，计划使用6颗北斗中轨道卫星转发406MHz遇险报警信号。待MEOSAR全面运行后，我国搜救责任区内，我国搜救卫星系统定位性能将达到如下要求[3]：

一代示位标：示位标激活首次脉冲信号，定位精度5km的概率达到90%；示位标激活10min，定位精度5km的概率达到95%。

二代示位标：示位标激活首次脉冲信号，定位精度5km的概率达到95%；示位标激活5min，定位精度1km的概率达到97%；示位标激活30min，定位精度100m的概率达到97%。

届时我国搜救卫星系统的定位精度和时效性将会得到极大改善。

（2）补充GEOSAR系统

覆盖我国范围的GEOSAR卫星为印度国家卫星-3D（INSAT-3D）。但是由于该卫星的下行波束进行了调整，主要覆盖印度范围。由于缺少可用的GEOSAR卫星，我国不具备建设GEOSAR系统的条件。

继北斗中轨道卫星加入MEOSAR系统后，我国在搜救卫星领域的影响力越来越大。北斗系统不仅包含中轨道卫星，还包含静止轨道卫星。通过在北斗静止轨道卫星上搭载搜救转发器，不仅可以弥补我国GEOSAR系统的缺失，还可以进一步增强我国在搜救卫星系统中的话语权，提升我国搜救卫星系统的覆盖范围和搜救能力。

三、搜救卫星系统业务应用现状

示位标的类型包括船用（EPIRB）、个人用（PLB）和航空用（ELT）。全球注册示位标数量已经超过百万，遍布全球各地，一直处于增长态势，特别是陆地用户增长显著，如图5-6所示。

图5 注册示位标的数量

图6 搜救事件数

规定使用

EPIRB：全球海上遇险与安全系统（GMDSS）规定300t以上船舶必须搭载。

ELT：国际民用航空组织（ICAO）辖区内航空器建议搭载。

普通民用

PLB：崎岖偏远陆地等地区会有使用。

但是我国搜救卫星系统主要应用于海事等存在强制规定使用的领域。民用等其他领域应用较少，我国搜救卫星系统在我国领土范围内几乎没有陆地用户。

四、我国搜救卫星业务应用

中国搜救卫星系统自1998年投入运行以来，一直为行业用户提供遇险报警搜救服务。受到我国经济发展水平、搜救卫星系统性能等因素的限制，搜救卫星系统长期以来一直不为人所知。中轨道搜救卫星系统建成后，除了能够极大地提高原有业务的运行效率，还具备了更多扩展业务功能。特别是经济发展以后，人民生活水平不断提高，人们对出行安全要求越来越高，对出行安全保障越来越重视，将会推动个人用户的蓬勃发展。

1.户外活动人员生命安全保障

随着人们生活水平的提高，越来越多的群众参与户外运动，特别是进行登山、攀岩、户外徒步等具有较高危险性的户外运动的群众人数超过6000万人[4]。由于我国人口基数大，高危户外活动的人员数量不低。而且这些活动区域通常是蜂窝网络覆盖不足的区域。搜救卫星系统不存在覆盖盲区，而且示位标只有在遇险激活后才会发送信号，激活后可以连续工作48h以上，充分保障了救援可以及时赶到现场。

2.传统行业应用

（1）海上搜救应用

由于海洋范围十分广泛，一直以来海上搜救存在较大难度，覆盖全球的卫星系统成为主要的搜救手段。海上搜救业务也是搜救卫星系统主要的应用领域。通过任务控制中心进行报警报文交换，中国搜救卫星系统能够对全球范围遇险报警进行监测，是海上应急遇险搜救的主要方式。

（2）航空定位应用

航空系统也是国际搜救卫星系统最主要的应用领域之一。在航空器上部署示位标，一旦航空器遇险可以定位遇险地点实施救援。国际民航组织在其系统文件中，对航空器所配备的遇险定位和搜救设备也有明确的规定和要求。随着我国航空事业的全方位发展，越来越多的军用飞机和小型商用飞机上将配备遇险示位标，搜救卫星系统在航空领域将得到更广泛的应用。搜救卫星系统完善后能够对遇险对象进行持续的定位跟踪，将更加有利于对遇险飞机实施救援。

（3）航天应用

航天器的回收和应急返回需要准确、可靠和快速的定位信息。搜救卫星系统可以承担重大航天科研项目的技术保障工作。

3.保密定位服务

与LEOSAR和GEOSAR系统不同，MEOSAR系统能够支持新的二代示位标。不同于一代示位标，二代示位标采用了扩频技术[5-6]，能够将信号隐藏在背景噪声中。此外通过使用特定的扩频编码，使得信号只能由特定的地面接收站接收，信号不被其他地面接收站解码，可以提供保密定位服务。

4.科研领域

南极科考和远洋测绘调查等科研活动，其活动范围为偏远人迹罕至的地区。搜救卫星系统全球覆盖能力能够为其任务提供安全保障，也为遇险搜救人员提高搜救效率提供帮助。

五、结论

搜救卫星系统是国际海事组织全球海上遇险与安全系统的重要组成部分，为船舶、民用航空器和个人用户提供遇险报警信息服务，能够实现在全球范围内接收和定位遇险报警信号的功能。经过数十年发展，搜救卫星系统的稳定性、可靠性和定位性能得到长足发展，已经形成包括低极轨道、中轨道和静止轨道卫星在内的较为完备的系统，具备开展多种扩展业务的能力。我国搜救卫星系统，由于缺少可用的空间卫星资源，一直主要用于特定行业。随着北斗导航卫星加入搜救卫星系统体系，我国搜救卫星系统与国际搜救卫星系统技术发展趋于一致，系统覆盖范围、响应时间和定位性能等得到较大提高，除强制规定要求外，搜救卫星系统的应用领域将会越来越广。特别是随着国家经济和人民生活水平的不断提高，对人身安全保障越来越重视，将会有越来越多的普通民众等个人用户开始使用搜救卫星系统。