搜救衛星系統技術發展與應用探討

● 文 |1.北京金交信息通信導航設計院.中國交通通信信息中心 何浩李陽趙晨 王瑋

一、搜救衛星系統概況

國際搜救衛星系統（COSPAS-SARSAT）是國際海事組織（IMO）全球海上遇險與安全系統（GMDSS）的重要組成部分，為船舶、民用航空器和個人用戶提供遇險報警信息服務。該系統是由美國、蘇聯、法國和加拿大四國在1979年聯合開發的在全球范圍內利用衛星進行遇險報警信息服務的系統[1]。目前擁有42個成員國家，4個空間設備提供國。目前我國是地面設備提供國，待北斗加入COSPAS-SARSAT后，將成為空間設備提供國。截至2016年底，系統已累計在全球12644次遇險事件的搜救行動中使43807名遇險人員得到及時有效的救助[2]。

搜救衛星系統由空間部分、地面部分和示位標組成。根據使用衛星的不同，國際搜救衛星系統分為低極軌道搜救衛星系統（LEOSAR）、靜止軌道搜救衛星系統（GEOSAR）和中軌道搜救衛星系統（MEOSAR）。LEOSAR系統衛星數量較少，衛星軌道高度較低，單顆衛星覆蓋地球的面積較小，兩顆衛星飛越同一地區的時間間隔較長，遇險目標存在報警等待時間過長的風險。1998年，搜救衛星系統理事會決定通過使用靜止軌道搜救衛星來增強已有的LEOSAR系統，解決了只依靠LEOSAR系統造成的報警延遲問題。但是GEOSAR系統不能獨立進行定位處理，需依賴示位標內置的GPS導航接收裝置，才能得到位置數據，而靜止軌道衛星由于軌道高度較高，接收信號的能力較弱。鑒于GEOSAR和LEOSAR系統的局限和不足，自2000年開始，美國、俄羅斯和歐盟建議在其全球衛星導航星座上搭載搜救轉發器，形成MEOSAR系統。MEOSAR系統是對國際搜救衛星系統進行的重要的技術改造，以提高系統對406MHz頻率遇險信號的接收能力和數據處理的時效性，使得系統具備更加豐富的業務擴展功能。目前，空間部分衛星包括5顆低極軌道衛星、6顆靜止軌道衛星和數量在不斷增加的中軌道衛星，待MEOSAR系統全面運行后，中軌道衛星數量將達到72顆。

接收不同空間衛星的信號，地面部分需要對應不同的地面接收站。目前分布于全球范圍內包括53座低極軌道搜救衛星地面接收站（LEOLUT）、21座靜止軌道搜救 衛星地面接收站（GEOLUT）和正在建設的中軌道搜救衛星地面接收站（MEOLUT）。以及30個任務控制中心（MCC），實現全球范圍內報警信號、系統信息等互聯互通。

在全球范圍內，搜救衛星作為應急救援報警系統，廣泛地應用于船舶、民用航天器和個人領域。受可用衛星資源和技術條件限制，目前我國搜救衛星系統應用較少，主要應用于船舶等傳統領域。隨著我國搜救衛星系統的不斷完善，系統性能不斷提升，以及我國民眾生活水平的不斷提高，對安全保障的要求越來越高，搜救衛星系統將會得到更廣泛的應用。

二、搜救衛星系統技術發展

1.國際搜救衛星系統發展

1985年，LEOSAR投入運行，由于衛星軌道較低、衛星數量較少，存在較大的等待時延問題。1998年GEOSAR投入使用，利用靜止軌道衛星，軌道高度高、覆蓋范圍大的特點，解決了報警時延問題。但是整個搜救衛星系統依然面臨空間衛星資源匱乏的問題，為此，自2000年開始MEOSAR技術研究，按照COSPAS-SARSAT計劃，將于2020年投入運營，如圖1所示。

圖1 MEOSAR計劃時間表

國際搜救衛星系統呈現如下發展趨勢。

（1）多系統并行運行

搜救衛星系統作為應急救援系統，系統的可靠性和穩定性至關重要。當前國際搜救衛星系統由LEOSAR、GEOSAR和MEOSAR組成，三套系統并行運行，實現對全球范圍的重復覆蓋。三套系統獨立運行，獨立接收和轉發遇險報警信號，為搜救衛星系統提供可靠的保障。同時通過地面MCC網絡實現各個系統間信息交互。

（2）空間衛星鏈路多重冗余

搜救衛星系統中空間衛星至關重要。搜救衛星的數量將直接影響系統的可靠性、時效性和準確性。目前搜救衛星系統包括低軌道、中軌道和靜止軌道搜救衛星。截至2017年，不同類型的搜救衛星數量如圖2所示。在1544～1545MHz遇險專用頻率，不同搜救衛星使用頻率分布如圖3所示。搜救衛星數量在不斷增加。

圖2 搜救衛星數量

圖3 搜救衛星專用頻率使用分布

（3）持續提升系統報警響應速度和定位性能

①定位技術升級

根據搜救衛星軌道的不同，LEOSAR、GEOSAR和MEOSAR系統采用不同的定位技術。最早運行使用的是LEOSAR系統，采用的是多普勒定位技術，該技術需要等待衛星過頂，通過測量多普勒頻移來進行定位計算，定位計算等待時間較長，還存在鏡像定位問題。隨后建立的GEOSAR系統，衛星軌道高度很高，衛星覆蓋范圍大，轉發遇險報警信號無需等待衛星經過，但是依靠1顆GEOSAR衛星無法實現獨立定位計算，需要與其他系統配合。當前正在建設MEOSAR系統，利用數量眾多的導航衛星資源，通過測量多個衛星的到達時間/到達頻率（TOA/FOA）信息進行定位計算，定位精度和響應時間得到較大提高。

②衛星數量增加

不同時期建設的LEOSAR、GEOSAR和MEOSAR系統，并不是相互替換關系，而是在不斷增強搜救衛星系統。通過增加可用搜救衛星的數量，降低報警信號轉發的等待時間。而且不同類型不同軌道的搜救衛星可以實現對地球表面的多重覆蓋，形成可靠的信號轉發鏈路冗余，進一步降低報警信號丟失的概率，提升整個搜救衛星系統的可靠性。

③示位標升級

一代示位標采用窄帶信號，信道帶寬為3kHz，為避免信道上示位標數量過多導致系統過載，主要通過授權管理各個信道上生產的示位標數量。由于一代示位標產生的年代較為久遠，一定程度上制約了搜救衛星系統的性能，在典型條件下，能夠達到的典型定位性能如下：

LEOSAR系統：典型定位精度5km，平均檢測時間45min。

GEOSAR系統：示位標帶有導航裝置時可達60m。

MEOSAR系統：激活30s可達5km，激活1min可達1km，激活30min可達100m。

新一代的示位標則采用擴頻寬帶信號，信號帶寬為80kHz。目前只有MEOSAR系統支持。在典型條件下，二代示位標能夠達到的典型定位性能如下：激活3s可達5km；激活5min可達100m。

2.我國搜救衛星系統發展

中國搜救衛星系統由中國建造的地面系統和國外的搜救衛星組成，地面系統包括兩個地面接收站和一個任務控制中心，系統只能接收低極軌道搜救衛星轉發的示位標報警信號，且最多同時跟蹤2顆衛星。

中國搜救衛星系統自1998年投入運行以來，為在中國搜救服務區范圍內的海上、空中和陸地用戶提供遇險報警服務，通過國際搜救衛星系統西北太平洋數據節點，向全球用戶發布遇險報警信息，為中國和境外的遇險搜救指揮部門實施救助行動，提供了有力的支持和幫助。

受到可用衛星資源的限制，我國目前只有LEOSAR系統處于運行狀態，即在北京建設LEOLUT接收LEOSAR衛星報警信號，并將報警信息發送至中國海上搜救中心，由搜救中心組織相關人員進行救援。但是目前LEOSAR衛星在軌運行的有5顆，其中4顆已經超過設計使用壽命，對搜救衛星系統的穩定性造成一定影響。目前我國搜救衛星系統覆蓋響應區域如圖4所示，最內圈為1h響應區域，增加一環增加0.5h。一旦可用LEOSAR衛星數量減少，將進一步增加報警響應等待時間。我國搜救衛星系統要與國際搜救衛星系統的發展相匹配，解決我國搜救衛星系統空間資源不足的問題，進一步完善我國搜救衛星系統。

圖4 LEOLUT覆蓋響應區域（平均響應時間）

（1）建設MEOSAR系統

鑒于低極軌道衛星空間資源不足，導致中國搜救衛星系統存在較長的衛星空白時段和信號接收不穩定等問題，已經開始影響到正常的遇險報警工作。我國已經開始建設MEOSAR系統，計劃在北京建設MEOLUT接收MEOSAR報警信號。同時聯合北斗衛星導航系統，計劃使用6顆北斗中軌道衛星轉發406MHz遇險報警信號。待MEOSAR全面運行后，我國搜救責任區內，我國搜救衛星系統定位性能將達到如下要求[3]：

一代示位標：示位標激活首次脈沖信號，定位精度5km的概率達到90%；示位標激活10min，定位精度5km的概率達到95%。

二代示位標：示位標激活首次脈沖信號，定位精度5km的概率達到95%；示位標激活5min，定位精度1km的概率達到97%；示位標激活30min，定位精度100m的概率達到97%。

屆時我國搜救衛星系統的定位精度和時效性將會得到極大改善。

（2）補充GEOSAR系統

覆蓋我國范圍的GEOSAR衛星為印度國家衛星-3D（INSAT-3D）。但是由于該衛星的下行波束進行了調整，主要覆蓋印度范圍。由于缺少可用的GEOSAR衛星，我國不具備建設GEOSAR系統的條件。

繼北斗中軌道衛星加入MEOSAR系統后，我國在搜救衛星領域的影響力越來越大。北斗系統不僅包含中軌道衛星，還包含靜止軌道衛星。通過在北斗靜止軌道衛星上搭載搜救轉發器，不僅可以彌補我國GEOSAR系統的缺失，還可以進一步增強我國在搜救衛星系統中的話語權，提升我國搜救衛星系統的覆蓋范圍和搜救能力。

三、搜救衛星系統業務應用現狀

示位標的類型包括船用（EPIRB）、個人用（PLB）和航空用（ELT）。全球注冊示位標數量已經超過百萬，遍布全球各地，一直處于增長態勢，特別是陸地用戶增長顯著，如圖5-6所示。

圖5 注冊示位標的數量

圖6 搜救事件數

規定使用

EPIRB：全球海上遇險與安全系統（GMDSS）規定300t以上船舶必須搭載。

ELT：國際民用航空組織（ICAO）轄區內航空器建議搭載。

普通民用

PLB：崎嶇偏遠陸地等地區會有使用。

但是我國搜救衛星系統主要應用于海事等存在強制規定使用的領域。民用等其他領域應用較少，我國搜救衛星系統在我國領土范圍內幾乎沒有陸地用戶。

四、我國搜救衛星業務應用

中國搜救衛星系統自1998年投入運行以來，一直為行業用戶提供遇險報警搜救服務。受到我國經濟發展水平、搜救衛星系統性能等因素的限制，搜救衛星系統長期以來一直不為人所知。中軌道搜救衛星系統建成后，除了能夠極大地提高原有業務的運行效率，還具備了更多擴展業務功能。特別是經濟發展以后，人民生活水平不斷提高，人們對出行安全要求越來越高，對出行安全保障越來越重視，將會推動個人用戶的蓬勃發展。

1.戶外活動人員生命安全保障

隨著人們生活水平的提高，越來越多的群眾參與戶外運動，特別是進行登山、攀巖、戶外徒步等具有較高危險性的戶外運動的群眾人數超過6000萬人[4]。由于我國人口基數大，高危戶外活動的人員數量不低。而且這些活動區域通常是蜂窩網絡覆蓋不足的區域。搜救衛星系統不存在覆蓋盲區，而且示位標只有在遇險激活后才會發送信號，激活后可以連續工作48h以上，充分保障了救援可以及時趕到現場。

2.傳統行業應用

（1）海上搜救應用

由于海洋范圍十分廣泛，一直以來海上搜救存在較大難度，覆蓋全球的衛星系統成為主要的搜救手段。海上搜救業務也是搜救衛星系統主要的應用領域。通過任務控制中心進行報警報文交換，中國搜救衛星系統能夠對全球范圍遇險報警進行監測，是海上應急遇險搜救的主要方式。

（2）航空定位應用

航空系統也是國際搜救衛星系統最主要的應用領域之一。在航空器上部署示位標，一旦航空器遇險可以定位遇險地點實施救援。國際民航組織在其系統文件中，對航空器所配備的遇險定位和搜救設備也有明確的規定和要求。隨著我國航空事業的全方位發展，越來越多的軍用飛機和小型商用飛機上將配備遇險示位標，搜救衛星系統在航空領域將得到更廣泛的應用。搜救衛星系統完善后能夠對遇險對象進行持續的定位跟蹤，將更加有利于對遇險飛機實施救援。

（3）航天應用

航天器的回收和應急返回需要準確、可靠和快速的定位信息。搜救衛星系統可以承擔重大航天科研項目的技術保障工作。

3.保密定位服務

與LEOSAR和GEOSAR系統不同，MEOSAR系統能夠支持新的二代示位標。不同于一代示位標，二代示位標采用了擴頻技術[5-6]，能夠將信號隱藏在背景噪聲中。此外通過使用特定的擴頻編碼，使得信號只能由特定的地面接收站接收，信號不被其他地面接收站解碼，可以提供保密定位服務。

4.科研領域

南極科考和遠洋測繪調查等科研活動，其活動范圍為偏遠人跡罕至的地區。搜救衛星系統全球覆蓋能力能夠為其任務提供安全保障，也為遇險搜救人員提高搜救效率提供幫助。

五、結論

搜救衛星系統是國際海事組織全球海上遇險與安全系統的重要組成部分，為船舶、民用航空器和個人用戶提供遇險報警信息服務，能夠實現在全球范圍內接收和定位遇險報警信號的功能。經過數十年發展，搜救衛星系統的穩定性、可靠性和定位性能得到長足發展，已經形成包括低極軌道、中軌道和靜止軌道衛星在內的較為完備的系統，具備開展多種擴展業務的能力。我國搜救衛星系統，由于缺少可用的空間衛星資源，一直主要用于特定行業。隨著北斗導航衛星加入搜救衛星系統體系，我國搜救衛星系統與國際搜救衛星系統技術發展趨于一致，系統覆蓋范圍、響應時間和定位性能等得到較大提高，除強制規定要求外，搜救衛星系統的應用領域將會越來越廣。特別是隨著國家經濟和人民生活水平的不斷提高，對人身安全保障越來越重視，將會有越來越多的普通民眾等個人用戶開始使用搜救衛星系統。