搜救直升機(jī)應(yīng)急通信及定位追蹤系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)*

張 一，張洪彬，屈明佑

（1.成都天奧信息科技有限公司，四川 成都 611731；2.北海第一救助飛行隊(duì)，山東 蓬萊 265600）

0 引言

直升機(jī)搜救是海上人命救助中最為快捷、最有效的救助方式，也是救助搜尋和現(xiàn)場救助處置的重要平臺。搜救直升機(jī)具有出動(dòng)速度快、機(jī)動(dòng)靈活；視野廣、搜索范圍大，居高臨下易發(fā)現(xiàn)海上目標(biāo)；可懸停在空中救人或者快速轉(zhuǎn)運(yùn)人員，適合危重創(chuàng)傷或者特殊人員急救等優(yōu)點(diǎn)。此外，海上立體救助中，搜救直升機(jī)還擔(dān)負(fù)著早于救助船提前抵達(dá)現(xiàn)場，與遇險(xiǎn)船只進(jìn)行有效的溝通；向救助指揮和其他救助力量傳達(dá)最新的遇險(xiǎn)信息，提供現(xiàn)場險(xiǎn)情、氣象、海況等情況報(bào)告等任務(wù)[1]。

如何更快找到遇險(xiǎn)船只和遇險(xiǎn)者，為實(shí)施救援贏得時(shí)間和最佳時(shí)機(jī)，同時(shí)確保直升機(jī)飛行和機(jī)組安全，是搜救直升機(jī)飛行員、飛行隊(duì)運(yùn)控中心和救助指揮中心最為關(guān)切的問題。搜救直升機(jī)裝備的常規(guī)空管通信、導(dǎo)航和監(jiān)視手段受限于視距傳輸，在外遠(yuǎn)海和低空飛行時(shí)能力不足，為了確保飛行安全并充分發(fā)揮搜救直升機(jī)的海上救助優(yōu)勢，研制全空域無盲區(qū)、運(yùn)行穩(wěn)定、信息直觀的搜救直升機(jī)應(yīng)急通信和定位追蹤系統(tǒng)，是我國海空立體救助體系建設(shè)、飛行隊(duì)運(yùn)控系統(tǒng)建設(shè)中需要研究的重要內(nèi)容[2]。

1 搜救直升機(jī)特性分析

1.1 搜救直升機(jī)運(yùn)行體制

我國現(xiàn)有搜救直升機(jī)都不屬于國家航空器，在實(shí)施任務(wù)時(shí)領(lǐng)受救助指揮中心任務(wù)，同時(shí)向民航空管單位申請空域和管制協(xié)調(diào)。北海第一救助飛行隊(duì)堅(jiān)持民航體系管理的發(fā)展理念，現(xiàn)已通過CCAR 135 部、145 部運(yùn)行合格審定。近年來，為加強(qiáng)搜救直升機(jī)資源管理，實(shí)現(xiàn)航空器與救助基地網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)化運(yùn)行系統(tǒng)，夯實(shí)安全保障基礎(chǔ)，提高救助工作效率，北海第一救助飛行隊(duì)在全力推進(jìn)運(yùn)控中心的建設(shè)工作。

2014 年3 月馬航MH370 失聯(lián)事件在全球引發(fā)極大震動(dòng)，對民航安全管理工作提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2016 年8 月，國家民航局在發(fā)布了《航空承運(yùn)人航空器追蹤監(jiān)控實(shí)施指南》中明確，由航空承運(yùn)人以15 分鐘或更短周期，針對每架飛行中的航空器在地面記錄并更新航空器4D 位置信息（經(jīng)度、緯度、高度、時(shí)刻）的過程，實(shí)施航空器4D/15 追蹤。CCAR 135 部和CCAR 91 部實(shí)施運(yùn)行的航空運(yùn)營人可參照本通告實(shí)施例行航空器追蹤監(jiān)控。

1.2 搜救飛行任務(wù)特性

搜救直升機(jī)在實(shí)施搜索救援任務(wù)時(shí)，面臨著搜救環(huán)境復(fù)雜、飛行方式復(fù)雜、指揮協(xié)調(diào)復(fù)雜等問題[3][4]。

（1）海上、海島、陸上救援時(shí)，面對著近中遠(yuǎn)各種海域、空域和復(fù)雜的山谷地形，外海遠(yuǎn)距離飛行可達(dá)110 海里。

（2）面對惡劣天氣，經(jīng)常是大風(fēng)、高海況下實(shí)施搜索救援。受風(fēng)浪影響，以視距傳輸?shù)拇丁⒋w機(jī)之間的無線通信和監(jiān)視手段的距離嚴(yán)重降級。

（3）從收到救助報(bào)警、領(lǐng)受救助飛行指令到現(xiàn)場搜索和救助作業(yè)時(shí)，涉及的聯(lián)絡(luò)協(xié)調(diào)對象包括待救船只、待救助人員、運(yùn)控中心、空管單位、海事單位、救護(hù)單位等。多方之間需要快速聯(lián)絡(luò)協(xié)調(diào)時(shí)，只能依靠船舶甚高頻調(diào)頻（Very High Frequency Frequency Modulation）、空管甚高頻調(diào)幅（Very High Frequency Amplitude Modulation）、船載海事衛(wèi)星電話、陸上公網(wǎng)手機(jī)等方式進(jìn)行；聯(lián)絡(luò)雙方不能直接通話時(shí)，則需要靠話音轉(zhuǎn)達(dá)報(bào)告。缺少直觀的數(shù)據(jù)化、信息化的通信指揮手段。

（4）受天氣變化、續(xù)航能力、承載能力限制，搜救直升機(jī)可能需要反復(fù)進(jìn)入退出搜救現(xiàn)場，隨時(shí)可能調(diào)整飛行計(jì)劃，并及時(shí)協(xié)調(diào)通報(bào)相關(guān)單位確認(rèn)，地空聯(lián)絡(luò)頻繁。

（5）搜索時(shí)以300 米以下低高度飛行，海上懸停時(shí)可達(dá)10 米甚至更低高度，傳統(tǒng)的民航通信和監(jiān)視手段低空盲區(qū)效應(yīng)明顯，運(yùn)控中心無法獲取航空器飛行狀態(tài)。

（6）飛行機(jī)動(dòng)性大，實(shí)施小半徑、大坡度轉(zhuǎn)向時(shí)航空器姿態(tài)變化快，造成機(jī)載無線信號可靠性下降。

1.3 搜救直升機(jī)機(jī)載通信監(jiān)視裝備情況

目前，交通運(yùn)輸部4 個(gè)救助飛行隊(duì)自有20 架中大型救助直升機(jī)（4 架S-76C+、4 架S-76C++、8 架S-76D 和4 架EC225）。主要機(jī)載通信及監(jiān)視裝備情況如下：

（1）機(jī)載甚高頻（Airborne Very High Frequency）航空電臺。

（2）機(jī)載短波（Airborne High Frequency）航空電臺。

（3）機(jī)載空管應(yīng)答機(jī)。

（4）機(jī)載甚高頻（VHF）海事電臺。

（5）機(jī)載銥星設(shè)備Sky Connect Tracker III（僅S-76D 機(jī)型配置）。

可見，目前我國搜救直升機(jī)大部分只配置了常規(guī)的機(jī)載通信和監(jiān)視裝備，可與空管單位、海事單位、海上船舶保持視距之內(nèi)的基本話音通信。在執(zhí)行遠(yuǎn)距離低空復(fù)雜搜救任務(wù)，需要多方指揮協(xié)調(diào)時(shí)，這些常見手段難以滿足應(yīng)急通信和定位監(jiān)控的需求。S-76D 機(jī)型配置Sky Connect Tracker III 系統(tǒng)，具有基于銥星的話音、短信、位置追蹤功能，但機(jī)載終端和地面Web 軟件的信息編輯發(fā)送、地圖顯示等功能較簡單，且不支持中文，位置發(fā)送間隔在3 分鐘左右，其功能和性能與搜救飛行任務(wù)需求有較大差距。

2 航空通信監(jiān)視技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 空管通信技術(shù)

在我國，甚高頻地空語音通信（118MHz-137MHz、DSB-AM）是目前使用的主要地空通信手段。隨著全國機(jī)場和航線上的甚高頻系統(tǒng)的不斷建設(shè)，我國東部地區(qū)6600 米以上空域基本實(shí)現(xiàn)了雙重覆蓋，西部大部分地區(qū)，包括主要航路6600 米以上空域?qū)崿F(xiàn)單重覆蓋。通過內(nèi)話系統(tǒng)的交換和聯(lián)網(wǎng)能力，集中利用了地空通信網(wǎng)絡(luò)資源，改善了地空管制的通信可靠性。

數(shù)據(jù)通信在未來成為空管地空通信的主要手段，地空之間信息交互能力將有極大提升[5]：

（1）VDL 模式2 是國際民航組織推薦的航空電信網(wǎng)主要的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，信息傳輸率可達(dá)31.5kbps，相比目前使用的數(shù)據(jù)鏈有了大幅度的提高，是近期和中期（當(dāng)前至2028 年）在大陸區(qū)域使用的主要數(shù)據(jù)鏈。

（2）L-DCAS 是正在研究中的未來用于終端區(qū)和大陸區(qū)域航路上的地空數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。L-DACS使用L波段，可提供更高的通信速率，覆蓋范圍大（約400km），支持航空器高速移動(dòng)（1080km/h）通信。

（3）衛(wèi)星通信適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)和洋區(qū)，數(shù)據(jù)通信也將逐步取代HF 語音通信和基于衛(wèi)星的語音通信。國際民航組織希望用衛(wèi)星技術(shù)作為未來偏遠(yuǎn)地區(qū)和洋區(qū)的主要通信手段，面向中遠(yuǎn)期應(yīng)用，下一代衛(wèi)星通信技術(shù)及相關(guān)的數(shù)據(jù)鏈也在研究之中。

2.2 空管監(jiān)視技術(shù)

空域監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展歷程可以分為4 個(gè)階段，從最早的人工監(jiān)視到被動(dòng)、獨(dú)立式監(jiān)視（一次雷達(dá)），然后過渡到被動(dòng)、協(xié)作式監(jiān)視（二次雷達(dá)/應(yīng)答機(jī)、Traffic Collision Avoidance System，TCAS），逐步發(fā)展到目前的主動(dòng)、協(xié)同式監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance，ADS），與此相適應(yīng)，空域監(jiān)視范圍逐步擴(kuò)大，相應(yīng)的運(yùn)行管制方式也在不斷變化。

協(xié)同式空域監(jiān)視技術(shù)的特點(diǎn)是：飛機(jī)主動(dòng)發(fā)布自身飛行狀態(tài)信息；機(jī)載設(shè)備與地面設(shè)備相互協(xié)同，在原有協(xié)作的基礎(chǔ)上還需要進(jìn)行信息處理與性能監(jiān)測；空域監(jiān)視的范圍也擴(kuò)展為航空飛行的全過程。

由于機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備的引入，協(xié)同式空域監(jiān)視技術(shù)的核心在于機(jī)載導(dǎo)航信息源與地面設(shè)備的相互配合。第一，必須解決機(jī)載導(dǎo)航完好性監(jiān)測問題，機(jī)載信息源的完好性直接決定監(jiān)視性能。第二，必須解決多元可信監(jiān)視問題，在星基監(jiān)視與地基監(jiān)視的覆蓋重疊區(qū)需要進(jìn)行多元融合。第三，必須解決航跡保持性能監(jiān)視問題。為了保障精細(xì)化運(yùn)行條件下的空域安全，需要對航跡保持的穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視[6]。

2.3 基于衛(wèi)星鏈路的直升機(jī)航空通信監(jiān)視技術(shù)

為了充分發(fā)揮直升機(jī)在軍事和民用陸上、海上低空快速反應(yīng)和機(jī)動(dòng)能力，通過與傳統(tǒng)的視距通信監(jiān)視手段互相補(bǔ)充，利用衛(wèi)星鏈路的超視距能力和多業(yè)務(wù)傳輸手段，構(gòu)建基于衛(wèi)星鏈路的直升機(jī)地空通信和定位追蹤監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)[7]。

以傳統(tǒng)空管通信和監(jiān)視手段看，搜救直升機(jī)地空通信網(wǎng)與監(jiān)視情報(bào)網(wǎng)由相對獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。搜救直升機(jī)在正常航路飛行時(shí)受空管單位指揮，運(yùn)行體制和通信監(jiān)視方式與現(xiàn)行民航空管程序匹配；在執(zhí)行搜救作業(yè)，特別是外遠(yuǎn)海和低空飛行時(shí)，基于衛(wèi)星鏈路將地空任務(wù)信息和位置信息合成并超視距傳輸，將極大提高救助單位運(yùn)控中心對搜救直升機(jī)應(yīng)急通信和定位追蹤能力。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

為滿足全空域無盲區(qū)、運(yùn)行穩(wěn)定、信息直觀等搜救飛行支持能力要求，以衛(wèi)星定位、衛(wèi)星鏈路為信息網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建地面飛行監(jiān)控管理平臺，面向運(yùn)控部門，提供所有監(jiān)控和應(yīng)急通信業(yè)務(wù)服務(wù)。通過在搜救直升機(jī)上加裝機(jī)載衛(wèi)星通信終端，結(jié)合運(yùn)控中心的地面監(jiān)控信息軟件，實(shí)現(xiàn)對地、空、海一體化的搜救飛行監(jiān)控及通信調(diào)度作業(yè)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對搜救直升機(jī)全天候的飛行監(jiān)控及通信，同時(shí)面向用戶提供可靠的信息服務(wù)。監(jiān)控軟件支持多種圖層模式顯示；支持全球范圍雙通道話音實(shí)時(shí)通信，支持全球范圍航空器飛行位置跟蹤，位置監(jiān)控更新頻次可調(diào)節(jié)，一分鐘內(nèi)可提供8 次位置刷新；通過地面智能終端App，實(shí)現(xiàn)隨身的移動(dòng)監(jiān)控及通信；支持歷史航跡查詢和數(shù)據(jù)回放；支持機(jī)組SOS 一鍵告警；支持基于GIS 的運(yùn)行位置區(qū)域告警；支持短信收發(fā)；支持專業(yè)圖層標(biāo)注等功能；系統(tǒng)根據(jù)需要可擴(kuò)展接入外部的AIS 數(shù)據(jù)，支持AIS 目標(biāo)的顯示。

3.2 信息流程設(shè)計(jì)

（1）前向數(shù)據(jù)信息流程。前向數(shù)據(jù)信息流程如圖2 所示：

（2）返向數(shù)據(jù)信息流程。返向數(shù)據(jù)信息流程如圖3 所示：

圖1 搜救直升機(jī)應(yīng)急通信及定位追蹤系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 前向數(shù)據(jù)信息流程

圖3 返向數(shù)據(jù)信息流程

3.3 傳輸鏈路設(shè)計(jì)

目前，主流的衛(wèi)星傳輸鏈路主要有INMARSAT衛(wèi)星、Iridium 衛(wèi)星和北斗RDSS 系統(tǒng)，各自的主要特點(diǎn)如表1 所示。

表1 主流衛(wèi)星傳輸鏈路對比

通過技術(shù)體制對比分析，針對海上搜救尤其是旋翼航空器的飛行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，基于銥星的衛(wèi)星通信技術(shù)體制可以提供全球話音通信和SBD（Short Burst Data）報(bào)文功能，在航空搜救應(yīng)用上有一定優(yōu)勢。

從政策上看，2013 年中國民航局制定了《航空公司運(yùn)行控制衛(wèi)星通信實(shí)施政策》，為徹底解決飛機(jī)與航空公司運(yùn)行控制中心之間語音通信聯(lián)系和實(shí)時(shí)監(jiān)控問題，要求在2017 年底前實(shí)現(xiàn)所有運(yùn)輸類飛機(jī)使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)與運(yùn)行控制中心在4 分鐘內(nèi)建立語音通信聯(lián)系的目標(biāo)，銥星系統(tǒng)在此政策的選用范圍之內(nèi)。

3.4 位置源設(shè)計(jì)

根據(jù)民航局技術(shù)發(fā)展政策并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求，系統(tǒng)加入北斗衛(wèi)星位置源體制，使設(shè)備具備北斗、GPS 雙模合一的位置源體制下的雙星定位能力，并采用衛(wèi)星通信天線與北斗/GPS 定位天線二合一天線體制，如圖4 所示。

3.5 數(shù)據(jù)處理及存儲設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)飛行數(shù)據(jù)的可靠存儲及異地便捷訪問，系統(tǒng)采用云計(jì)算存儲技術(shù)。在云平臺服務(wù)器上，通過與數(shù)據(jù)認(rèn)證與轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)建立TCP 連接，用戶將能直接接收銥星設(shè)備上報(bào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括銥星位置數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、短信報(bào)文。相比WebService 數(shù)據(jù)接口方式，系統(tǒng)采用主動(dòng)推送方式，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

圖4 GPS/北斗雙星定位源示意圖

為了保障數(shù)據(jù)的安全性，系統(tǒng)采用用戶賬戶名和密碼的認(rèn)證和登錄機(jī)制。系統(tǒng)提供統(tǒng)一的外部數(shù)據(jù)接入口，對外部數(shù)據(jù)源有很好的擴(kuò)展性，可以接入北斗示位、AIS 船舶識別等外部系統(tǒng)的海上目標(biāo)信息，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控待救船只、救助船只、臨近船只的準(zhǔn)確位置，便捷地形成海空搜救立體態(tài)勢。

3.6 雙通道一體化切換設(shè)計(jì)

結(jié)合搜救直升機(jī)飛行作業(yè)實(shí)際情況，在進(jìn)行較大機(jī)動(dòng)動(dòng)作時(shí)為保障衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，通過在直升機(jī)機(jī)身兩側(cè)各配置一個(gè)衛(wèi)星天線及收發(fā)數(shù)據(jù)通道，使得兩個(gè)衛(wèi)星天線至少能有一個(gè)能夠較好地指向衛(wèi)星，以利于衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)合機(jī)載平臺環(huán)境，設(shè)備的安裝布線以及操作的實(shí)際情況，需要對設(shè)備進(jìn)行“一體化雙通道”設(shè)計(jì)，硬件架構(gòu)如圖5所示。

機(jī)載通信終端采用雙通道一體化設(shè)計(jì)，設(shè)備內(nèi)部集成2 個(gè)衛(wèi)星通信信道，采用主備雙機(jī)備份配置，提升設(shè)備運(yùn)行的可靠性。通信終端能夠根據(jù)兩個(gè)通道中衛(wèi)星信號質(zhì)量，自適應(yīng)切換選擇信號較好的衛(wèi)星信道完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，從而保障衛(wèi)星數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

3.7 數(shù)據(jù)加密設(shè)計(jì)

為保護(hù)直升機(jī)上通信終端與地面監(jiān)控系統(tǒng)之間的信息安全性，確保信息傳輸連續(xù)性，系統(tǒng)采用AES 算法，密鑰長度為128 位，達(dá)到商用級別保密要求。加密算法原理如圖6 所示。

圖5 雙通道一體化硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 加密算法原理示意圖

AES 算法中的密鑰管理是關(guān)鍵，需要在收發(fā)兩端保證密鑰的一致性才能正常通信，加密算法AES的密鑰為128bit，密鑰在終端和系統(tǒng)端同時(shí)更新。

3.8 終端顯控功能設(shè)計(jì)

地面監(jiān)控軟件是以衛(wèi)星通信、GIS、AIS、云處理等技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)信息系統(tǒng)平臺，用于飛機(jī)位置監(jiān)視和任務(wù)行動(dòng)的指揮調(diào)度。系統(tǒng)采用基于地圖引擎的開放式數(shù)據(jù)源，還提供海圖、衛(wèi)星圖，及疊加顯示方式，用戶可以自由在這三種地圖顯示方式中進(jìn)行切換。支持電子海圖在“簡單”“標(biāo)準(zhǔn)”“完全”的標(biāo)記顯示狀態(tài)間切換，并可擴(kuò)展接入AIS 船舶動(dòng)態(tài)信息，終端多圖疊加界面如圖7 所示。

圖7 多圖疊加的終端顯控功能界面

隨著網(wǎng)絡(luò)通信在監(jiān)控領(lǐng)域的高速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，有效地安全訪問控制機(jī)制是合法地使用系統(tǒng)、充分發(fā)揮系統(tǒng)功能的一個(gè)重要前提。系統(tǒng)軟件基于角色的訪問權(quán)限控制（RBAC，Role-Base Access Control）進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠?qū)?quán)限控制獨(dú)立開發(fā)，形成獨(dú)立的功能模塊；能夠?qū)?quán)限與角色進(jìn)行簡單的增加與修改便能實(shí)現(xiàn)權(quán)限的控制，從而讓權(quán)限管理簡單、高效、可靠，大大減少了頻繁的數(shù)據(jù)庫鏈接，很好地實(shí)現(xiàn)了高效的訪問控制管理[8]，可為飛行隊(duì)各部門分配不同權(quán)限，加強(qiáng)訪問飛機(jī)定位監(jiān)控信息和實(shí)施地空應(yīng)急通信的權(quán)限管理。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

系統(tǒng)應(yīng)用運(yùn)行界面見圖8。2017 年1 月起，搜救直升機(jī)應(yīng)急通信及定位追蹤系統(tǒng)陸續(xù)裝備北海第一救助飛行隊(duì)及其他飛行隊(duì)使用，在S-76 機(jī)型和EC225 機(jī)型上使用飛行總時(shí)間總計(jì)超過3000 小時(shí)，飛行架次總計(jì)超過1200 架次，期間設(shè)備工作可靠，系統(tǒng)運(yùn)行良好，解決了搜救直升機(jī)在海上低空飛行時(shí)缺乏實(shí)時(shí)有效監(jiān)控和超視距通信的難題，有力保障了海上救助飛行任務(wù)的順利執(zhí)行，并對飛行隊(duì)安全運(yùn)行提供了重要支持。

圖8 系統(tǒng)應(yīng)用運(yùn)行界面