基于北斗的海上失事飛機(jī)救援系統(tǒng)?

柴川頁(yè) 趙帆帆 林立洲 矯俊鵬

（東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 南京 211189）

1 引言

2014年馬航MH370神秘失聯(lián)事件發(fā)生后，相關(guān)國(guó)家投入大量人力物力到搜索失聯(lián)客機(jī)的行動(dòng)中。而我國(guó)以近海、淺海和已確定目標(biāo)的搜尋、搜救為主的海上搜索救援能力［1］，對(duì)于大范圍海上搜索行動(dòng)存在一定局限性，難以適應(yīng)這種不確定性的、飛機(jī)遠(yuǎn)海失事的搜索救援。《國(guó)家突發(fā)事件應(yīng)急體系建設(shè)“十三五”規(guī)劃》指出，我國(guó)應(yīng)完善海上通信和應(yīng)急指揮系統(tǒng)，提高海上突發(fā)事件處置能力，加強(qiáng)搶險(xiǎn)打撈裝備配置，配備可參與全球海上搜救和國(guó)際救援行動(dòng)的海洋救助船及深海掃測(cè)打撈設(shè)備。從我國(guó)航空應(yīng)急救援體系建設(shè)來(lái)看，中遠(yuǎn)海海上快速支援和搜救必須依賴遠(yuǎn)距飛機(jī)、輔以就近艦船（含船舶搭載的直升機(jī)）等工具，采用飛機(jī)進(jìn)行目標(biāo)搜索、空投物資、空降著水救援或飛機(jī)直接著水開(kāi)展救援，以及艦船協(xié)助救援等方式。2018年1月24日，世界最大的水陸兩用飛機(jī)AG600第二次試飛的成功標(biāo)志著我國(guó)海上應(yīng)急救援體系正在逐步完善。全球海上遇險(xiǎn)和安全系統(tǒng)GMDSS（Global Maritime Distress and Safety System）主要由衛(wèi)星通信系統(tǒng)和極軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)、地面無(wú)線電通信系統(tǒng)（即海岸電臺(tái)）以及海上安全信息播發(fā)系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。自2012年底我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供公開(kāi)服務(wù)以來(lái)，北斗海事應(yīng)用國(guó)際化工作取得了突破性進(jìn)展。北斗系統(tǒng)具有高精度定位、授時(shí)服務(wù)，精密導(dǎo)航技術(shù)以及優(yōu)于其他全球定位系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能，能夠?yàn)槭嘛w機(jī)的海上搜救工作提供新的手段。國(guó)際海事組織已將北斗系統(tǒng)納入繼GPS、GLONASS之后向國(guó)際海事界提供導(dǎo)航服務(wù)的第三個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。本文提出了一種基于北斗的海上失事飛機(jī)救援系統(tǒng)方案。

2 海上失事飛機(jī)救援系統(tǒng)方案

基于北斗的海上失事飛機(jī)救援系統(tǒng)如圖1所示。搜救飛機(jī)或聲納浮標(biāo)對(duì)海面和水下殘骸進(jìn)行搜索，利用北斗技術(shù)進(jìn)行定位并將相關(guān)信息告知指揮調(diào)控中心，引導(dǎo)搜救船只前往搜救。整個(gè)系統(tǒng)圍繞北斗技術(shù)體系展開(kāi)，充分利用了北斗衛(wèi)星的定位、授時(shí)、導(dǎo)航和通信等功能，體現(xiàn)了自主、精確、高效的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

該系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：遙感應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行海面目標(biāo)搜索時(shí)，搭載北斗定位裝置的搜救飛機(jī)在海域上空對(duì)失事飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行搜索，機(jī)載攝像頭使用遙感技術(shù)對(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別；浮標(biāo)系統(tǒng)由搜救飛機(jī)確定失事點(diǎn)后投放，浮標(biāo)的水下部分形成聲吶系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的定位；定位接收子系統(tǒng)支持飛機(jī)與陸上指揮調(diào)控中心、船舶之間、搜救船只與陸上指揮所通信，以及各平臺(tái)的時(shí)間同步；海上搜救指揮系統(tǒng)由多艘搜救船只組成，指揮中心與各艦船聯(lián)絡(luò)以規(guī)劃路徑達(dá)到最優(yōu)的搜救效果，船只搭載北斗等組合導(dǎo)航設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示。

3 海上失事飛機(jī)救援系統(tǒng)分析

3.1 失事飛機(jī)海上定位

遠(yuǎn)距離目標(biāo)靠肉眼難以判斷，對(duì)海面上失事飛機(jī)（飛機(jī)殘骸、油污等）等目標(biāo)搜索可以依托遙感技術(shù)。遙感多采用掃描成像技術(shù)［2］，通過(guò)不同傳感器獲取海面上失事飛機(jī)的圖像信息。近年來(lái)，遙感圖像信息呈現(xiàn)“三高”和“三多”的趨勢(shì)：即高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率；以及多平臺(tái)、多傳感器、多角度；經(jīng)由以幾何處理、圖像輻射處理、圖像判讀等為代表的計(jì)算機(jī)圖像處理方法［3、4］進(jìn)行圖像自動(dòng)識(shí)別，同時(shí)結(jié)合地理信息系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)相對(duì)高精度定位，通報(bào)和引導(dǎo)搜救船只前往搜救海域。

飛機(jī)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后飛行至目標(biāo)地點(diǎn)，空投特制的北斗浮標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)（殘骸、黑匣子）的搜尋以及目標(biāo)的精確定位。浮標(biāo)由飛機(jī)平臺(tái)投放入水后，保持直立姿態(tài)懸浮于水中，浮標(biāo)筒內(nèi)天線伸出海面，接收北斗衛(wèi)星信號(hào)以實(shí)現(xiàn)自身定位。浮標(biāo)水下部分裝有聲納，工作時(shí)接收聲音信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大器放大、信號(hào)處理器調(diào)制后，可采用北斗系統(tǒng)的短報(bào)文系統(tǒng)由天線向外發(fā)射。機(jī)載平臺(tái)接收到相應(yīng)訊息，解調(diào)后可明確水下目標(biāo)精確位置。

北斗浮標(biāo)由浮標(biāo)體、北斗定位接收機(jī)、發(fā)射天線、水聽(tīng)器、水聲發(fā)生器和浮標(biāo)姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)組成［5］。北斗接收機(jī)直接接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)位置的精確標(biāo)定；發(fā)射天線用于向機(jī)載平臺(tái)發(fā)射浮標(biāo)的位置信息；北斗浮標(biāo)水下部分利用超聲波水聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的定位，通常水下目標(biāo)需要接收4個(gè)以上北斗浮標(biāo)的測(cè)距信息，多個(gè)浮標(biāo)組成類似衛(wèi)星星座的海面動(dòng)態(tài)大地測(cè)量基準(zhǔn)，同時(shí)受益于精確的授時(shí)服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的水下定位功能；姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)則測(cè)量由風(fēng)浪、水流引起的浮標(biāo)擺動(dòng)，對(duì)浮標(biāo)的坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

北斗接收機(jī)與北斗定位信號(hào)處理模塊連接，發(fā)射天線與無(wú)線通信VHF模塊連接，聲吶系統(tǒng)中水聲換能器與水聲信號(hào)監(jiān)測(cè)模塊連接，數(shù)據(jù)處理模塊與水聲監(jiān)測(cè)、北斗定位信號(hào)、VHF無(wú)線通信、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、電源管理模塊等相連［6］。投擲浮標(biāo)的飛機(jī)上設(shè)有機(jī)載數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，包含無(wú)線通信收發(fā)終端、主控計(jì)算機(jī)、顯示器、差分定位信號(hào)接收終端等，能將浮標(biāo)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位解算、誤差補(bǔ)償、儲(chǔ)存以及發(fā)送給指揮調(diào)控中心。

針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)無(wú)法在水下使用的局限性，為實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的搜索與精確定位，本方案設(shè)計(jì)采用水聲定位。水聲定位系統(tǒng)主要指可用于局部區(qū)域精確定位和導(dǎo)航的系統(tǒng)，在海域中分布多個(gè)聲接收器或應(yīng)答器構(gòu)成基元。系統(tǒng)根據(jù)基元間基線長(zhǎng)度可分為長(zhǎng)基線系統(tǒng)，短基線系統(tǒng)和超短基線系統(tǒng)［7］。

表1 水聲定位系統(tǒng)分類

長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是定位與水深無(wú)關(guān)，在較大工作范圍內(nèi)精度較高，但布陣構(gòu)成復(fù)雜，成本高。而短基線系統(tǒng)的定位精度介于長(zhǎng)基線與超短基線中間，安裝簡(jiǎn)單，不需要建立海底基陣，使用簡(jiǎn)單，但陣內(nèi)部分基元容易受到載體自身噪聲的影響。本方案的聲學(xué)浮標(biāo)基陣屬于短基線系統(tǒng)。對(duì)于水下聲源如黑匣子，水聽(tīng)器可滿足定位要求；對(duì)于要聲波反射定位的水下目標(biāo)，需要聲波發(fā)生器和水聽(tīng)器同時(shí)作用，兩者統(tǒng)稱水聲換能器。

3.1.1 聲學(xué)浮標(biāo)定位方法

聲學(xué)定位系統(tǒng)由若干個(gè)浮標(biāo)組成，構(gòu)成水聽(tīng)器基陣。浮標(biāo)系統(tǒng)主要采集和處理水下目標(biāo)聲源信號(hào)，浮標(biāo)之間可通過(guò)無(wú)線電通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。飛機(jī)失事后沉入水下的“黑匣子”作為飛行數(shù)據(jù)記錄儀，是搜救重點(diǎn)。“黑匣子”會(huì)發(fā)出37.5KHz的超聲信號(hào)，聲學(xué)浮標(biāo)基陣主要通過(guò)測(cè)聲源到各個(gè)浮標(biāo)陣元信號(hào)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行定位。

設(shè)要解的目標(biāo)位置為（X，Y，Z），4個(gè)浮標(biāo)的位置 為（ X1，Y1，Z1）（ X2，Y2，Z2）（ X3，Y3，Z3）（X4，Y4，Z4），基本定位方程如下：

將以上四個(gè)式子兩兩相減，消去二次項(xiàng)X2，Y2，Z2，并記：

上式可化簡(jiǎn)為矩陣形式：Ax=B

則利用最小二乘解可得到目標(biāo)的最佳解為x=(ATA-1)(ATB)。

3.1.2 時(shí)延差定位方法

Ri(i=1，2，3，4)為目標(biāo)到第i個(gè)浮標(biāo)的距離，而測(cè)量值往往是聲源到達(dá)幾個(gè)浮標(biāo)的時(shí)延差，即時(shí)延差法［8］。 ?ti1(i=2，3，4)為聲源到達(dá)第i個(gè)浮標(biāo)與第1個(gè)浮標(biāo)的時(shí)延差。

時(shí)延差的獲取主要來(lái)源于互相關(guān)函數(shù)和互功率譜。基本互相關(guān)法計(jì)算量小且易實(shí)現(xiàn)，將聲源到達(dá)浮標(biāo)的兩路信號(hào)做基本互相關(guān)運(yùn)算，函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)延即為真實(shí)時(shí)延的一個(gè)估值。但復(fù)雜的水下環(huán)境導(dǎo)致實(shí)測(cè)信號(hào)受噪聲干擾，求得的互相關(guān)函數(shù)常出現(xiàn)多個(gè)相似峰值或無(wú)明顯主極大峰的情況，便難以確定主極大峰的位置而使時(shí)延估計(jì)產(chǎn)生誤差。而距離的確定正依賴于時(shí)延差的精確性，為提高水下定位的準(zhǔn)確性，利用互譜密度乘以不同的頻域加權(quán)窗，以此對(duì)信號(hào)和噪音進(jìn)行白化處理，從而增強(qiáng)信號(hào)中信噪比較高的頻率成分和抑制噪聲的影響，再通過(guò)反傅里葉變換得到互相關(guān)函數(shù)和較精確時(shí)延差。

設(shè)第 i個(gè)浮標(biāo)接收到的信號(hào)為xi(t)=aix(t - τi)+ni(t)，其中 ai為衰減系數(shù)，τi為傳播時(shí)間，ni為噪音。則第i和第j個(gè)浮標(biāo)接收到的兩路聲信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為

為抑制噪音影響，在xi、xj互相關(guān)之前加一前置濾波器 φij(ω ) ，加權(quán)后即可得到如下式子：，其中 Gij()ω為互功率譜，Gij(ω)、Rij(τ)為一對(duì)傅里葉變換對(duì)。

3.2 基于北斗衛(wèi)星的通信與導(dǎo)航

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略穩(wěn)步推進(jìn)。對(duì)于北斗衛(wèi)星定位接收子系統(tǒng)的基本原理大致可分為偽距定位和載波相位定位［9］。

與其他GNSS相比，北斗系統(tǒng)采用了GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星組成的空間混合星座，可有效改善亞太地區(qū)的星座布局。導(dǎo)航和通信集成是北斗系統(tǒng)的一大特色，GEO衛(wèi)星在提供無(wú)源導(dǎo)航定位服務(wù)的同時(shí)，還繼承了北斗試驗(yàn)系統(tǒng)的RDSS業(yè)務(wù)，使之同時(shí)具備有源導(dǎo)航定位、短報(bào)文通信和位置報(bào)告功能。短報(bào)文通信為北斗系統(tǒng)的核心優(yōu)勢(shì)，不僅可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信，而且提供指揮端進(jìn)行一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播［10］。本系統(tǒng)中，北斗系統(tǒng)綜合提供用于飛機(jī)、船舶的定位與導(dǎo)航，浮標(biāo)的定位，飛機(jī)與陸上指揮調(diào)控中心、船舶之間、搜救船只與陸上指揮所的通信，以及各平臺(tái)的時(shí)間同步。

將慣性導(dǎo)航與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航相結(jié)合，能發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，高精度北斗信息作為外部量測(cè)輸入，在船體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可修正慣性導(dǎo)航，以限制誤差隨時(shí)間的積累；短時(shí)間內(nèi)高精度的INS定位可以很好地解決衛(wèi)星定位導(dǎo)航中在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的信號(hào)失鎖和周跳問(wèn)題［7］。組合導(dǎo)航的實(shí)質(zhì)是以計(jì)算機(jī)信息處理為中心，將各個(gè)導(dǎo)航傳感器送來(lái)的信息加以綜合和最優(yōu)化數(shù)學(xué)處理，其算法關(guān)鍵是卡爾曼濾波，即以最小均方誤差為估計(jì)的最佳準(zhǔn)則來(lái)尋求一套遞推估計(jì)，利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和現(xiàn)時(shí)刻的觀測(cè)值來(lái)更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)，求出現(xiàn)時(shí)刻的估計(jì)值，根據(jù)系統(tǒng)的量測(cè)值來(lái)消除隨機(jī)干擾以再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，并不斷進(jìn)行修正。

3.3 船舶救援綜合指揮

船舶救援綜合指揮可以依托船舶專門(mén)配置的搜救指揮系統(tǒng)，也可以利用船舶綜合艦橋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。船舶綜合艦橋系統(tǒng)［11］IBS實(shí)現(xiàn)航行相關(guān)的各種系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，利用組合導(dǎo)航系統(tǒng)INS提供的包括航向、航速、位置及吃水深度等信息與艦艇操作控制、碰撞、搜救等設(shè)備有機(jī)組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船航行狀態(tài)的監(jiān)控。與傳統(tǒng)艦橋系統(tǒng)相比，綜合艦橋系統(tǒng)擴(kuò)展了決策與行動(dòng)數(shù)據(jù)采集與處理［12］。船舶救援綜合指揮包括空中和海上搜救力量的指揮調(diào)度、搜救航線規(guī)劃及優(yōu)化、搜救過(guò)程綜合信息展示、與空中水面岸上各指揮機(jī)構(gòu)之間的行動(dòng)協(xié)調(diào)等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將現(xiàn)有的北斗系統(tǒng)和海上搜救過(guò)程結(jié)合起來(lái)，利用北斗的區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓褪跁r(shí)能力，飛機(jī)和船舶在海上搜救過(guò)程中緊密地配合，并利用海上船舶的搜救系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，使救援過(guò)程緊湊而不失條理，實(shí)現(xiàn)救援系統(tǒng)立體化和協(xié)同，大幅提高海上搜救能力。

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