全球衛星搜救系統及其發展現狀

● 文|北京大學信息科學技術學院 衛星與無線通信實驗室 鄭晴 王冰 程宇新 吳建軍

全球衛星搜救系統及其發展現狀

● 文|北京大學信息科學技術學院 衛星與無線通信實驗室 鄭晴 王冰 程宇新 吳建軍

一、引言

2014年，馬航失聯，韓國渡輪悲劇，克利伯環球帆船賽男子落水事件，Cheeki Rafiki游艇4名英國水手失去生命，華盛頓Mt. Rainier 6名登山者失蹤，這些僅僅是海陸空緊急危險事故的冰山一角。平均每年有40萬人落水而亡，2萬多漁民遇難，更有超過700人在空難中去世，因此，有效的搜救系統——如何更快定位危險信標，如何快速調度救援團隊，如何救出更多的人，顯得尤為重要。發展日趨成熟的衛星搜索與救援系統（Search and Rescue，SAR），利用衛星來探測來自海上、空中和地面示位標發出的遇險信號，從而達到快速確定目標位置并進行救援的目的。

本文對衛星搜救系統的現狀，中軌道衛星搜救系統的引入發展與技術體制以及下一代衛星搜救系統的應用進行簡介。

二、全球衛星搜救系統

由加拿大、法國、美國和蘇聯聯合發起成立的全球衛星搜救系統（COSPAS-SARSAT）是國際移動衛星公司推行的全球海上遇險與安全系統（Global Maritime Distress and Safety System，GMDSS）的重要組成部分。自1982年以來，該系統已經成功救援眾多遇險人員，僅2010年一年間，就救援了2338人。世界各地的軍事和民用SAR組織通過該系統，與在危急事故中被激活的示位信標、發射機或者其他定位裝置進行通信。

系統具體工作流程如下：當危險事故發生時，遇險示位標（包括航空用應急示位發射機ELT、航海用應急無線電示位標EPIRB和個人位置示位標PLB）人工或者自動激活（信標激活可以存活48小時），發送遇險報警信號，經由搜救衛星變頻轉發后，由遍布全球的衛星地面信號接收站或稱本地用戶終端（LUT）接收并計算出遇險目標的位置，將信標的報警數據和統計信息轉發給任務控制中心（MCC），MCC收集、整理、儲存和分類從用戶終端與其他控制中心送來的數據，過濾虛假報警信息，將正確的報警或定位信息發送給搜救調度中心（RCC），RCC將進行真正的海陸空搜救工作。

COSPAS-SARSAT組織主要通過低極軌道衛星搜救系統（LEOSAR）和對地靜止軌道衛星搜救系統（GEOSAR）來實現定位。LEOSAR系統采用多普勒效應的原理來計算遇險目標的位置。舉例來說，應急無線電示位標發射406MHz的信號，功率輸出為5W，示位標信號包括用戶名稱、國籍和類型（海上、航空和地面）等信息。衛星接收、處理、存儲并轉發該信號給地面接收站。處理信號時，示位標在地面靜止不動，用準確的406MHz發射信號，衛星接收到的信號頻率高或低于該頻率，這取決于衛星的速度方向。如果衛星軌道、信標頻率和衛星接收到的多普勒頻移已知，就可以確定示位標的位置。GEOSAR因為GEO衛星相對遇險目標是靜止的，所以GEOLUT不采用多普勒效應，而是用信號自身攜帶的信息完成定位。LEO、GEO的上行頻率分別為406.05MHz、406.025MHz，下行頻率均為L頻點1544.1MHz，這些均為國際電聯規定的專用搜救頻點，其他系統不得使用。

遇險示位標使用的頻率有：121.5/243MHz、406MHz兩種。121.5/243MHz的示位標內部沒有登記信息，造成虛假報警事件太多，為規范系統運營，國際搜救衛星組織決定到2009年終止對121.5/243MHz的示位標業務，要求全球所有航空器、船舶、陸地用戶必須裝備統一的406MHz示位標。遇險報警信號以下行L頻段1544.1MHz實時轉發給本地用戶終端進行處理。

因該系統被全球超過43個國家采納，衛星覆蓋范圍廣，報警探測系統經過驗證，信息分布處理，COSPASSARSAT已經成為最重要的全球衛星搜救系統。目前，LEOSAR衛星系統主要由美國提供的5顆和俄羅斯提供的2顆低極軌道衛星組成，GEOSAR系統主要由美國和印度提供的5顆靜止軌道衛星組成。LEOSAR因軌道低，單顆衛星覆蓋面積小，遇險目標等待時間長，GEOSAR軌道高，傳輸時延大，因此尋求下一代衛星搜救系統就顯得極為迫切。

三、中軌衛星搜救系統

目前全球搜救系統正在通過在中軌道衛星搜救系統（MEOSAR）中部署搜救接收機（比如中繼器或轉發裝置）進行升級。中軌道衛星系統主要包括美國運營的GPS，俄羅斯GLONASS，2012年10月開始發射的歐洲導航衛星Galileo。2014年2月，COM DEV國際公司已成功完成中軌道衛星搜索和救援（MEOSAR）項目的初步設計評審（PDR），這是MEOSAR項目里程碑的一步。2013年3月，COM DEV拿到了加拿大國防部關于設計和開發MEOSAR中繼器價值470萬美元的合同。加拿大計劃將MEOSAR中繼提供給美國，美國將之整合為下一代GPS星座的有效載荷。該MEOSAR項目工作正于劍橋和渥太華的公司緊張進行中。

COSPAS-SARSAT在已有的衛星系統GEOSAR、LEOSAR的基礎上引入MEOSAR，在示位標、空間站、地面站各個方面進一步完善了全球衛星搜救系統體制。

1.MEOSAR的優勢

當前LEOSAR和GEOSAR系統有各自的缺陷。GEOSAR系統除了高緯度（如極地）地區外可連續地覆蓋整個地球，但前提條件是信標位置信息經過編碼。LEOSAR系統可以在沒有GPS或其他導航信號幫助下定位信標，但在任何給定的時間，LEOSAR衛星僅能覆蓋地球一小部分，所以接收到的求救信號有可能延遲。

與目前COSPAS-SARSAT 已經運行的12顆衛星形成對比，2018年中軌道衛星搜救系統完備部署后，MEOSAR將會包含72顆MEOSAR衛星。屆時，全球衛星覆蓋范圍廣，而且能實現目前及下一代應急示位標的近乎連續時間的探測及定位。表1總結了MEOSAR相對于目前COSPAS-SARSAT衛星系統的幾點優勢。

表1 LEOSAR、 GEOSAR和 MEOSAR的對比

MEOSAR需要至少3顆獨立衛星傳遞的示位標信息來確定示位標的經度、緯度和高度。未來計劃72顆衛星在軌時，本地用戶終端幾乎能在連續時間捕捉到3顆獨立衛星的信號，而LEOSAR因衛星覆蓋不全，本地用戶終端捕捉到信號需要46min到100min。大部分MEOSAR本地用戶終端需要4～6根天線，用以捕捉至少3個衛星信號進而確定示位標的位置。多天線的系統可以保證即使1根天線在修理，仍然有足夠天線可用，進而提高系統的可用性。此外，MEOSAR本地用戶終端網絡結構也增加了全球實時覆蓋。舉例來說，如果位于大西洋中央的示位標被激活，而美國本地用戶終端只有2根天線覆蓋了那個區域，那么應該怎樣確定示位標的信息？這種情形下，美國本地用戶終端的兩個數據與歐洲本地用戶終端的一個數據結合起來，便可確定示位標信息的第三個參數，從而確定示位標的確切位置。

2. MEOSAR發展規劃及應用

COSPAS-SARSAT理事會規定，MEOSAR系統主要通過五個階段實現：①定義和開發階段；②概念證明（POC）/在軌驗證（IOV）階段；③演示與評估（D&E）階段；④初步運營（IOC）階段； ⑤全運營階段。定義和開發階段是指空間段中軌道全球衛星導航系統的建設完成。美國從2001年到2010年底，陸續發射了9顆搭載S頻段下行搜救載荷的GPS衛星（DASS），歐盟和俄羅斯也在Galileo以及GLONASS導航系統上開展MEOSAR驗證工作。在2013年年初，全球搜救衛星系統進入了一個MEOSAR D＆E階段，并從可靠性和精確度證明MEOSAR業績符合預期的期望。2015年之后，全球搜救衛星系統將進入MEOSAR IOC階段；當MEOSAR衛星和委托地面站可提供全球性、實時覆蓋時，MEOSAR系統將進入FOC階段。圖1為MEOSAR發展規劃圖。

圖1 MEOSAR發展規劃

下一代衛星搜救系統的應用關鍵是整合。SAR產品/技術和工藝整合到應用中，如船隊管理/船舶交通管理，以及交通工具監控等多個行業，也正在成為整合發展伙伴關系的催化劑。船隊管理軟件可以識別406MHz遇險信標技術和SAR自動識別系統（AIS）的危急事件，緊急情況下，將允許運營商工作船商業捕魚船隊和內河運輸公司簡化操作或者挽救生命。在商業航運業中，SAR整合到海域感知（MDA）的應用創造了新一代的e-海事解決方案。

TSi公司，被地面站基礎設施的全球前兩大供應商之一馬克默多集團（McMurdo Group）收購，于2015年1月13日宣布，已由塞浦路斯、文萊、阿根廷和美國航空航天局選定部署SAR的網絡基礎設施解決方案和下一代MEOSAR系統，共計近500萬歐元。主要包括在南美洲部署6通道MEOSAR系統，在美國部署2通道MEOSAR系統作為擴展，為歐洲和亞洲搜救機構設計救援協調中心軟件，這些都更加促進MEOSAR的整合應用。

四、小結

本文介紹了全球衛星搜救系統（COSPAS-SARSAT）的發展動態，具體描述了中軌衛星搜救系統的優勢、發展規劃、應用前景和技術細節。一方面，我國的遠洋、漁業急需衛星搜救系統的支持；另一方面，我國的北斗衛星導航系統也逐漸發展成熟，具有全球的定位授時功能，而且定位精度高。充分利用我國對衛星搜救系統的迫切需求及北斗導航系統的成熟契機，積極參與全球衛星搜救系統及活動，并大力發展我國的衛星搜救系統，具有很大的意義。

[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.