MH370搜尋中的科學問題

葛江濤+齊岳峰+吳銘

截至北京時間2014年3月20日午夜，馬航MH370航班失聯已超過12天。從中、美、日到事發地區的東南亞各國，都動用了各種先進設備進行搜尋。

然而，如此巨大的一架民航班機經過這樣長時間、這么多先進設備的搜救，卻只得到目前讓人匪夷所思又瞠目結舌的現實。

面對這樣的情形，甚至有人提出了這樣的問題：它的種種詭異之處，是否已經超出了科學的范圍。

《瞭望東方周刊》就這些問題采訪了包括中國科學院院士在內的多位科學家，希望在紛亂復雜的說法中，令讀者了解關于MH370的一些基本問題。

為何無法與MH370聯絡

北京航空航天大學電子信息工程學院教授談展中告訴《瞭望東方周刊》，飛機上只有兩種通信系統，一種是高頻通信（HF），一種是甚高頻傳送（VHF）。通常情況下，通信以數據鏈的形式進行傳遞。

高頻通信一般是短波傳送，又稱作語音通信、模擬通信，也叫無線電臺，它能把信息傳播到更遠的地方。

另外一種方式叫飛機通信尋址與報告系統（ACARS），是最常用的飛機數據通信鏈。這種甚高頻應答式通信系統，先把信號變成編碼數據，然后再傳送接收處理。這個過程要經過解調、解擴、再解碼、再譯碼。

它一般并不發送到衛星上，而是把信息發送到地面。有了衛星以后，又在衛星上增加了一個衛星的收發單元，一般通過INMARSAT系統，即國際海事衛星通信系統進行數據通信。

國際海事衛星通信系統是在地球上空36000公里高度上分布的四五顆衛星，沿著赤道平面繞地球飛行，這種商用衛星的覆蓋薄弱環節是在兩極區域。

波音公司提供一種連接國際海事衛星的服務，并稱即使飛機運營商不購買這種服務，飛機也會自動發送信號和衛星建立聯系。但在談展中看來，這是付費服務項目，不是所有的飛機都有這項功能。波音飛機在出廠后裝置了向衛星發射信息的設備，作為一種保障設備，在一般的國際航班上都會裝置。在衛星覆蓋的范圍內都會接收到飛機的信號。

對于一架飛機來說，其實有三個常規系統是比較重要的：除了通信系統，一個是定位系統，一個是識別系統。

識別系統與雷達有關，又分為一次雷達、二次雷達、高頻雷達。所謂“二次雷達”主要用于空中管制，管制員從“二次雷達”上很容易知道飛機的“二次雷達”應答機代碼、飛行高度、飛行速度、航向等參數，使雷達由監視的工具變為空中管制的手段。目前公開的信息是，MH370主動關閉了應答設施。

至于飛機發動機，也會有相關的飛行數據通過飛機通信尋址與報告系統進行傳送，這種民用航空通信網絡可以進行數據鏈的傳送。

總體而言，對于飛機通信中斷，談展中認為這種情況比較少見。

他表示，如果飛機失去聯系，一個原因是關掉通信設備或設備出現故障，另外就可能是掉進海洋了，“無線電波一般不能入水，在海水里很難接收到聲吶系統外的信號”。

中國科學院院士、中國科學院遙感與數字地球研究所研究員童慶禧則告訴《瞭望東方周刊》，雖然MH370的信號一直到失聯當天早8點才消失，但是這個信號不是飛機傳到地面上的，而是飛機的信號發射到通信衛星上的，通信衛星收到這個信號，由于不是事先合作的聯系，通信衛星就不會及時把數據轉給有關方面處理。

“對衛星來說，你不是我的用戶，我就不會管你的信號，但是在最后調查的時候，就發現了這個信號，直到8點多才消失。”童慶禧說。

地面雷達還能看見MH370嗎

談展中說，其實事發地區國家相關系統都比較完善，“而且這個系統可以記錄，雖然有時雷達不一定記錄，但現在一般都會儲存這些資料，所以把這些儲存資料都拿出來以后，這個東西就比較容易解決。因為我想，在周圍，尤其是在馬六甲海峽區域，人們對這里都很注意，各自的雷達都會在工作，所以把這些東西綜合一下，會比較容易的。”

飛機要避開軍用雷達的監測，就要低空飛行，這對大飛機來說耗油就會增大，同時，還會有很大的空氣阻力。讓談展中疑惑的是，MH370的飛行航線與距離為何一直不能確定。

當然，雷達要想看到飛行中的飛機，第一是飛機要在空中，第二是不能到雷達的盲區里面去。

北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院研究員吳偉仁告訴《瞭望東方周刊》，如果航線密集，雷達會覆蓋一部分地區，意味著精度更可靠，被過濾掉的信息更少。不過，如果飛機離開了航線，“那就不知道了。”

通常來講，飛行器飛經陸地上空，地面雷達都會很好辨別。但如果航線范圍包括海上特別是在大洋上，雷達的功效就會差一些，“海上作用有限。”吳偉仁說。

作用有限的緣故是，需要在海島上設置雷達，這些雷達將與設置在海岸線上的雷達一起構成一個巨大的網絡，用于監控和指揮飛行器。但是緣于空間地理條件的限制，海上雷達的布設不會像地面雷達那樣便利。

北京航空航天大學電子工程學院教授黃智剛告訴《瞭望東方周刊》，一般雷達作用區是三五百公里，每個雷達有作用范圍，還受到高山等自然環境影響。因此，每個國家都要根據國土面積、海岸線等情況部署雷達。

事實上，在浩瀚的大洋上用地面雷達監測飛機，是一件難度極其巨大的事情。

如果按馬方提出的一條路線推測，雷達監控的難度幾乎顯而易見---南印度洋和南極洲北部海域是世界上雷達覆蓋最少的區域之一。

重新梳理：如果MH370還在馬六甲及中南半島區域，應該比較容易被地面雷達發現。通常情況下，部署在沿岸和島嶼上的軍用雷達可以達到數百公里的探測范圍。即使懷疑的中南半島西部安達曼海、以及印度洋沿岸，都處在這樣的監控之下。

但是，如果在8日早晨最后失去MH370信號后，它繼續向南、向西飛入廣闊的印度洋，或者中間在某地加油繼續飛行，就極其難以被地面雷達發現。

相比之下，如果MH370飛向南亞次大陸就比較容易偵測。不過，從軍事角度講，假如MH370跟在一架大型客機后飛入這些空域，就難以被發現。endprint

現在，已經可以證實，如果按照MH370關閉應答裝置后的航線，有一架新航的波音777也在相同位置和時間飛行，這使MH370能夠貼近印度或巴基斯坦領空的可能。總之，如果MH370最終飛到阿富汗或中亞地區，這就是從地面雷達角度的唯一解釋。

但說到底，已經發生的、在東南亞非常繁忙的空域讓一架飛機徹底失蹤，是難以想象的。

衛星能找到MH370嗎

童慶禧告訴本刊，作為最常見的衛星觀測手段，遙感“除了相機的圖片外，夜間可以用紅外線探測的方式成像。另外還有安裝雷達的衛星，可以通過雷達的方式進行遙感。這種雷達不是地面的雷達。”他所在的中國科學院遙感與數字地球研究所參與了MH370搜尋的相關工作。

衛星遙感簡單地理解，就是一顆衛星在經過相關區域時，對該區域進行拍攝和探測，并獲得一定分辨率的圖像和數據。這些數據傳輸到地面上，通過對圖像和數據的分析，獲得分析結果并進行應用。

在大氣中受到云層、霧氣等影響時，會影響可見光線的傳播，但紅外線以及雷達遙感可以不受這些障礙的干擾，“所以，這次我們國家動員多顆衛星對失聯航班進行搜索，通過遙感的手段，加上地面船舶、飛機等綜合手段進行分析和搜救。”

“通過遙感，我們發現了海面上的油污帶，還有漂浮物等。但我個人認為，衛星遙感并沒有在這次搜救馬航的實踐中發揮更大的作用，因為還沒有通過遙感提供失聯航班的任何證據。當然，包括衛星和遙感工作人員，都做出了很多努力，到現在大家仍然沒有放棄，在不同的地方，包括泰國灣到馬六甲海峽一直在持續地搜索。但目前的問題并非是衛星遙感所能解決的，因為遙感的范圍畢竟有限，也不可能把整個地球都用那么高的分辨率給呈現出來。”

對于遙感圖像，最優手段仍然是人工判斷，通過有經驗的技術人員肉眼判斷，再用計算機進一步處理，比如增加反差、增強信息，然后匹配位置，“現在計算機也可以分析了，但是還是人工判斷優先，在這個基礎上，再加上計算機的分析。”他說，現在很少采取洗出照片的辦法，因為衛星地面站都會有大屏幕，將圖片更大地呈現出來。

通過衛星搜索航班有明顯優勢。因為衛星雷達信號一旦碰到金屬物體，就會產生非常強烈的反射，將結果呈現在雷達影像上，就是一個非常亮的物體的形象，“如果沒有這些金屬物體，比如只有海面，就是相對黑的一片，連海浪也看不出來。”童慶禧說。

“當然，跟照相機一樣，衛星分辨率越高，圖像越清晰，遙感的范圍就越小。反過來，分辨率越低，遙感的范圍就越大，包括對失聯客機的搜索，這是遙感暫時不能避免的一個矛盾的地方。”童慶禧解釋說，現在動用不同的衛星，有的遙感范圍寬、但是分辨率不是很高，有的分辨率高、但是范圍就變窄了，兩者結合使用進行搜尋。

衛星遙感的分辨率一般很難高于幾十厘米，甚至到2米作為分辨率。童慶禧說，這樣的圖像看空中的飛機等，信息已經足夠了。這種分辨率的衛星，遙感覆蓋寬度可以達到三四十公里。

當然，也可能會用到16米左右的分辨率，這樣衛星的覆蓋寬度就可以達到幾百公里，搜索起來相對方便。如果在這個分辨率的遙感圖像中發現可疑物，可以在這個區域進一步用更高分辨率的遙感圖像作進一步的分析。

他強調說，“我認為關鍵的問題不在遙感，而是在于馬航的失聯飛機撲朔迷離。馬方提供的信息根本不能判斷飛機到了什么區域。泰國灣就幾十萬平方公里，但是過了馬六甲到印度洋后，有幾百萬平方公里的海洋。想在這個區域搜索，如果仍然沒有明確的方向，難度可想而知。如果說客機在空中解體，海面上一定有散落物，通過衛星遙感一定可以看到，但是現在我們沒有看到。”

對于MH370，目前需要更多的真實信息，“比如不明飛行物的信息開始就一直沒有說，直到后來才被確認。”童慶禧認為，本次搜救在溝通方面存在不少問題，而這些問題導致的結果，就是不足以判斷到底應該從什么方向去搜尋失聯客機。“如果我們仍然在泰國灣尋找，但飛機早就飛走了，我們即使再努力也找不到它。”他表示，現在重要的問題并不是技術本身和搜救能力，而是搜尋的方向到底對不對。

衛星能搜尋水下目標嗎

童慶禧說，衛星雷達同樣無法穿透海水，看不見海底的東西，只能探測漂浮在海面上的物體，“而一旦在海平面上發現蛛絲馬跡，就可以通過水面船舶的聲吶系統去探測海底的具體情況。”

但是，“聲吶只能看底下的東西，范圍只有幾百米、幾公里。發現疑似物再用聲吶去找，才是最合理的辦法。聲吶其實也屬于遙感范圍，但遙感通常還是指衛星遙感。”他說。

中國科學院遙感與數字地球研究所研究員宮鵬告訴本刊，在衛星這一高度，目前探測的信號主要是電磁波，也有探測重力異常的，但是這類數據分辨率在200公里的尺度，對一架飛機不敏感。因為水面鏡面反射干擾大，水對電磁波吸收強等因素，使得電磁波信號難以探測到目標，因此電磁波在水中傳播沒有優勢。如果飛機處在水面以下一定的深度，就很難通過電磁波信號探測到。他也認為，探測水下目標的理想傳感器是聲吶，通過聲波進行傳感。

據宮鵬介紹，一般一張衛星影像的大致尺寸為幾百兆，現在各種計算機平臺都可以處理這類影像。方式是接收到數據之后，對成像過程中的幾何形變、輻射偏差做消除處理，然后可以在計算機屏幕上進行顯示，通過人工檢測去尋找特定目標。現在也可以用計算機自動探測，稱為目標識別。

而海面的油污帶則可以通過其在特殊光波中的特點進行判斷識別，但是，“由于油污會隨風漂移，所以見到油污未必飛機就在其下方，這還需要對海水的流動過程和過去一定時間的情況有所了解。”宮鵬說。

綜合多位科學家的意見，根據目前公開信息，也是可以劃定MH370的大致范圍的。

3月8日8時11分，印度洋上空的一顆地球同步靜止衛星與MH370進行了聯絡。通過計算數據傳輸的時間，可以確定當時航班與衛星的距離。這就像以衛星為圓規的固定端，用一個距離畫出一個圓形。MH370當時就在這個圈上的某一點。

由于可以通過飛機燃油量以及馬來西亞軍用雷達探測的飛行速度計算MH370的油耗，因此，可以具體在這個圓圈上劃定它所能達到的最遠距離。

在剩下的弧線中，相當一部分處于緬甸等國家的雷達探測范圍。由于各個相關國家都已經聲明沒有MH370的雷達信號，因此剩下的圓弧也是斷續的。

如果不考慮一些其他因素：在某個小島起降加油或有其他加油辦法、始終超低空躲避雷達探測，MH370在3月8日8時11分就處于這個斷續弧線的某一個點。這就是說，搜尋可以以弧線為中軸，兩側展開。endprint