一種基于北斗的航空搜救機載指揮系統設計

方芳 楊航 李偉 李洪烈 葛耀武

摘要：針對飛行人員海上航空搜救應用特點，本文提出一種基于北斗的機載指揮系統設計方案，分析了北斗衛星導航系統在搜救系統機載平臺應用的作用與功能需求;設計了系統功能優先級，將服務權限劃分為六級，合理解決了北斗RDSS服務頻度限制與應用需求的矛盾;設計了三級搜救裝備體制，明確了搜救指揮層級中的角色定位;設計了指揮操作流程方案，在此基礎上完成了功能單元劃分，建立軟件功能框架，為北斗衛星導航系統在航空搜救領域的應用提供技術依據。

關鍵詞：北斗衛星導航系統;航空搜救;指揮系統;機載裝備;功能框架

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A

我國已建設了以超短波手段為主的搜救通信裝備體系，采用超短波通信鏈路，通過搜救直升機或固定翼搜索引導飛機在海上大范圍搜索探尋超短波救生電臺信號和示位信標信號開展救援行動[1]。正在提升以北斗導航為手段的監控、定位、搜救處理功能，但是受限于海上搜救通信困難、定位困難、生存困難等因素，航空搜救仍處于搜救力量、技術手段、體制機制建設的初級階段[2，3]。

本文從系統的角度分析研究北斗在航空救生機載平臺中的功能需求[4，5]，對其在航空救生系統中角色進行定位，以北斗二代協議[6-8]為基礎，通過北斗一代定位、短報文[10]、指揮等功能[9，10]實現北斗機載端機與原機搜救系統的信息交互;通過功能優先級限定及操作流程規劃，使其進一步融人整個機載救生系統;通過短報文功能完成搜救信息轉發、位置報告、協同搜救等功能，提高海上搜救效率與成功率。

1 功能需求

調研后功能需求見表1。

2 優先級設定

北斗RDSS服務具有頻度限制，每使用一次后都需要一定的時間間隔，而按上述功能的描述，在工作過程中有些任務是需要連續進行的，會一直占用服務頻度，從而導致其他的任務不能執行，如自報位或連續定位工作時，會一直占用，其他信息無法及時發送。因此，需要對這些功能進行優先級劃分，更好地完成系統賦予的任務使命，優先級劃分如下：

（1）特權：SOS

該功能為飛機遇險向指揮監測站發出的求救信息，為飛機最后的遇險位置，關系到飛行員的生命保障。

（2）優先1級：無線電靜默

該功能為執行特定任務或在某些區域時必須保持的狀態，一旦發信息很有可能造成飛機遇險。

（3）優先2級：指揮短報文發送

該功能為飛行員通過手持控制器編輯發送的指揮控制信息，需要及時與指揮監測站或被救對象溝通。

（4）重要：被救對象位置信息發送

該功能把被救對象位置信息發送給指揮監測站，引導其他兵力開展救援，因為采用的是1s級服務頻度，即便延遲1～2s，不會對救援行動產生影響。

（5）一般：自報位信息發送

該功能連續把慣導的本機精確位置信息發送給指揮監測站，即便中斷一段時間（30s以內，按10個被救對象的位置信息都要發送），也不會對地面觀察造成影響。

（6）普通：連續定位

該功能為輔助功能，定位的位置信息僅作飛行員參考用。

開機自檢完成后自動進入連續定位模式，自報位可以中斷連續定位，被救對象信息發送可以中斷自報位，指揮短報文發送可以中斷被救對象信息發送，SOS可以中斷所有當前工作。

3 角色定位

采用北斗二號系統的RDSS體制，具有指揮、短報文通信與有源定位功能。其與指揮監測站、飛行員救生電臺構成三級搜救體制。

按搜救指揮體系的層級，第一級是集成有RDSS體制的北斗二號指揮型用戶機的指揮監測站，第二級是所在的搜索引導平臺，第三級是集成有RDSS體制的北斗二號基本型用戶機的手持救生臺，如圖2所示。按北斗指揮關系的特點，存在以下幾種情況：

（1）手持臺自定位時，指揮監測站和搜索引導平臺均可以收到其定位信息。

（2）手持臺給搜索引導平臺發送短報文時，指揮監測站能監收到短報文。

（3）自定位時，指揮監測站能監收到其定位信息，從而知道搜索引導平臺位置。

（4）搜索引導平臺能通過手持臺與指揮監測站進行信息交互。

下級用戶可以對應多個上級，圖中以虛線表示，上級用戶可以監收多個下級的信息，或同時指揮多個下級協同完成任務。對于搜救體系來說，指揮監測站可以指揮多個搜索平臺協同實現多區域的多目標搜索，使搜救體系能夠應對大規模的救援任務，具體應用如下：

（1）監收

在采用北斗的搜救體系中，擔負監收下屬子用戶，即待救目標的定位信息。

（2）被救對象位置信息發送

擔負把救生電臺得到的被救對象位置信息以短報文的形式發送給指揮監測站。

（3）聯絡和自救報位

在遠海或超低空飛行中，擔負自救報位和指揮聯絡任務，在遇險時上報求救信號和本機坐標。

搜索引導任務系統完成任務時，主要搜救流程如下：

（1）手持臺中的北斗能正常工作，當其自動進行定位時，搜索平臺或指揮監測站任何一個處于開機正常工作狀態，都能及時收到該位置信息，能立即組織救援。

（2）手持臺中沒有北斗或其北斗不能正常工作，搜救任務系統啟用救生電臺與定向機定位落水飛行員位置，以短報文通信方式發送給指揮監測站，便于及時開展救援行動。

4 操作流程設計

開機后首先進入開機自檢過程，完成后進入連續定位工作狀態。用戶可根據需要用手持控制器設置為其他工作狀態。

主機內部工作流程按照優先級進行工作，處理流程圖如圖3所示。整個工作流程分為ARINC429數據和RS422數據兩個中斷，一個主線程。

ARINC429數據中斷主要處理兩個信息，一是主動的從搜索定位處理系統性獲取慣導的定位信息，在用戶通過手持控制器選擇自報位功能時啟動;二是搜索定位處理系統有被救對象位置信息時向主機報送該位置信息，是被動過程。收到后先保存，設置對應發送標志，然后退出中斷。

RS422數據中斷主要處理手持控制器來的控制指令與編輯的短消息，收到后先保存，設置對應狀態或發送標志，然后退出中斷。

主線程先判斷服務頻度是否到來，在沒到來時執行手持控制器的其他操作。服務頻度到來后按優先級從高到低查看有無，先執行優先級高的任務。

SOS任務因涉及到飛機遇險與飛行員救援，進入后不再退出。靜默開啟后所有發送功能禁止，包括北斗校時，一直到靜默關閉再恢復正常工作。指控信息和被救對象位置信息都有發送需求時，優先發送指控信息，被救對象位置信息壓棧保存，待下次服務頻度到來時再取出發送。

自報位和RDSS自定位功能按優先級什么時候空閑，什么時候執行，因為其不會對完成搜索引導任務產生影響。

5 結論

根據以上設計準則，設計了一套機載北斗短報文收發設備，設備由天饋、主機和手柄組成，通過ARINC429接口與原機搜索定位處理系統交聯，該產品的主要作用為傳輸本機地理位置信息（慣導信息）和收到的手持救生電臺地理位置信息，由北斗衛星通信鏈路實現短報文遠程通信，傳輸信息到地面站，最終實現對手持北斗設備的搜尋，該設備已實現小批量裝備，在航空搜救領域發揮了積極作用。

參考文獻

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