利用多源遙感數據的高效空難搜索定位與救援方法

晏澤翌，毛志強，孫宏峰，張孟俠

(1.北京市海淀外國語實驗學校,北京 100095；2.中國石油大學,北京 102249；3.北京匯文中學,北京 100061)

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利用多源遙感數據的高效空難搜索定位與救援方法

晏澤翌1，毛志強2，孫宏峰1，張孟俠3

(1.北京市海淀外國語實驗學校,北京 100095；2.中國石油大學,北京 102249；3.北京匯文中學,北京 100061)

摘要：近年來空難接連不斷，如何降低空難發生幾率, 及時發現失事地點和飛機殘骸，提供緊急救援，保證航空飛行的安全性是目前急需解決的問題。本文對飛機的航行過程如何跟蹤，空難的搜索如何準確定位進行了綜合分析；并以MH370馬航事件為例，使用ENVI軟件，對收集到的遙感影像圖進行影像數據分析，提出搜索飛機殘骸的可能方法。為快速有效地尋找墜機地點，使損失降到最低提供原理方法和實踐依據。

關鍵詞：空難；搜索；救援；遙感；影像

0引言

空難是不可避免的，但可以通過提高安全措施降低空難發生的幾率。進入21世紀以來空難發生的次數逐年下降，這表明飛行安全逐年得到提高，然而2014年仍有111場空難發生，造成1 320人遇難。所以提高空難應急救援仍是不容忽視的問題，包括：如何降低空難發生的幾率，提高航空飛行的安全性？在發生墜機事件后，如何快速有效地尋找墜機地點，使損失降到最低？

本文首先對飛機跟蹤及事故搜索所對應的技術進行分類分析，引出多源遙感數據處理手段的高效空難搜索定位與救援方法，并針對如何提高安全性和救援的快速性給出系列方案。最后，本文再次聚焦馬航案例，利用遙感數據處理方法進行空難搜索與救援的具體分析。

1飛機跟蹤及事故搜索對應技術分析

1.1多普勒效應

多普勒指出：波在波源移向觀察者接近時接收頻率變高，而在波源遠離觀察者時接收頻率變低[1-2]。假設原有波源的波長為λ，波速為c，觀察者移動速度為v：當觀察者走近波源時觀察到的波源頻率為(c+v)/λ，反之則觀察到的波源頻率為(c-v)/λ。如果把聲波視為有規律間隔發射的脈沖，可以想象若你每走一步，便發射了一個脈沖，那么在你之前的每一個脈沖都比你站立不動時更接近你自己。而在你后面的聲源則比原來不動時遠了一步。或者說，在你之前的脈沖頻率比平常變高，而在你之后的脈沖頻率比平常變低了。一個較為常見的例子是火車的汽笛聲，當火車接近觀察者時，如果觀察者遠離波源，其汽鳴聲會比平常更刺耳。你可以在火車經過時聽出刺耳聲的變化。同樣的情況還有：警車的警報聲和賽車的發動機聲。

1.2雷達追蹤

雷達技術是當今航空偵察的主要工具。對于民航飛機來說，雷達追蹤是保護其飛行的重要手段。雷達通過向周圍發射電磁波，如果有對象(比如飛機)出現在其搜索范圍內，并且該對象具有一定的體積和運動速度可以產生有效的回波反射，可以判斷該對象的大小及速度，從而識別該對象。

目標在空間、陸地或海面上的位置, 可以用空間任一點目標P的位置來決定。雷達測定目標如圖1所示，下列三個坐標確定: 1) 目標的斜距R：雷達到目標的直線距離OP; 2) 方位角α：目標斜距R在水平面上的投影OB與某一起始方向(正北、正南或其它參考方向)在水平面上的夾角； 3) 仰角β：斜距R與它在水平面上的投影OB在鉛垂面上的夾角, 有時也稱為傾角或高低角[3]。

圖1　極(球)坐標系統表示目標位置

如需要知道目標的高度和水平距離, 那么利用圓柱坐標系統就比較方便。在這種系統中, 目標的位置由以下三個坐標來確定: 水平距離D，方位角α，高度H.這兩種坐標系統之間的關系為

D=Rcosβ， H=Rsinβ，α=α,

(1)

雷達分為一次雷達和二次雷達。

一次雷達可以分成機場監視雷達、航路監視雷達、機場地面探測設備三類。在飛行航行中，發揮主要作用的是航路監視雷達。

二次雷達也叫做空管雷達信標系統[4]。管制員從二次雷達上很容易知道飛機的二次雷達應答機代碼、飛行高度、飛行速度、航向等參數，使雷達由監視的工具變為空中管制的手段。

1.3遙感衛星

遙感衛星是用作外層空間遙感平臺的人造衛星。遙感衛星能在規定的時間內覆蓋整個地球或指定的任何區域，當沿地球同步軌道運行時，它能連續地對地球表面某指定地域進行遙感。遙感衛星主要有氣象衛星、“陸地衛星”和“海洋衛星”三種類型。

1) 氣象衛星以搜集氣象數據為主要任務的遙感衛星，為氣象預報、臺風形成和運動過程監測、冰雪覆蓋監測和大氣與空間物理研究等提供大量實時數據。

2) “陸地衛星”是繞地球南北極附近運行的太陽同步衛星，具有接近圓形的軌道，在上午9時30分左右從913 km(“陸地衛星”1、2、3號)或804 km(陸地衛星“4、5”號)的高空跨越赤道。“陸地衛星”1、2、3號每隔18天覆蓋地球一遍；“陸地衛星”4、5號每隔16天覆蓋地球一遍，相鄰條帶相隔的日期為7～9天。衛星裝載的多光譜掃描儀(MSS)、返束視像管攝像機(RBV)和專題制圖儀(TM)等遙感器從北向南每次可掃描 185 km寬的地面條帶。用兩個 RBV相配合來拍攝地面的全色圖像，其分辨率比用MSS提高一倍。TM的圖像數據量為MSS的11倍，由于包含紅外波段，并且幾何精度和輻射精度都比MSS的高。

3) 海洋衛星以搜集海洋資源及其環境信息為主要任務的遙感衛星。海洋占地球面積的三分之二以上，蘊藏著豐富的資源并對氣象有重大的影響。海洋衛星上的合成孔徑側視雷達能晝夜工作。雷達波穿透云層和濃密的植被獲取地表圖像。它能鑒別冰雪和水，在研究海洋浮冰和陸地積雪、地質構造、洪水泛濫淹沒等方面都有很大的作用。

1.4GPS導航

現階段衛星導航系統有美國全球定位系統(GPS)、中國的北斗、俄羅斯的GLONASS、歐洲“伽利略”(GALILEO)系統。以GPS為例：24顆GPS衛星在離地面12 000 km里的高空上，以12小時的周期環繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。

由于衛星的位置精確可知，在GPS觀測中，可得到衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置(X,Y,Z)。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。

事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星，這時，接收機可按衛星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

1.5遙感圖像分類

各種監測衛星的發射與運行為地表動態變化研究提供了多平臺、多光譜、多時相、大范圍的實時信息，遙感技術已成為當前人類研究地球資源環境的一種有力技術手段。

在遙感技術的研究中，分類是遙感圖像應用的一個重點和熱點[5-6]，是由圖像生成專題圖的過程。遙感圖像分類就是基于圖像像元的數據文件值，將像元歸并成有限幾種類型、等級或數據集的過程。常規圖像分類主要有兩種方法：非監督分類與監督分類。

非監督分類：是指人們事先對分類過程不施加任何的先驗知識，而僅憑數據(遙感影像地物的光譜特征的分布規律)，即自然聚類的特性，其類別的屬性是通過分類結束后目視判讀或實地調查確定的。

監督分類。又稱訓練場地法，是以建立統計識別函數為理論基礎，依據典型樣本訓練方法進行分類的技術。即根據已知訓練區提供的樣本，通過選擇特征參數，求出特征參數作為決策規則，建立判別函數以對各待分類影像進行的圖像分類，是模式識別的一種方法。要求訓練區域具有典型性和代表性。判別準則若滿足分類精度要求，則此準則成立；反之，需重新建立分類的決策規則，直至滿足分類精度要求為止。常用算法有：判別分析、最大似然分析、特征分析、序貫分析和圖形識別等。

2如何提高安全性和救援的快速性

2.1發現目標、全程追蹤提高安全性

1) 實時追蹤一次和二次雷達

一次雷達依靠目標對雷達發射的電磁波的反射機理工作，它可以主動發現目標并對目標定位；二次雷達了解飛機的二次雷達應答機代碼、飛行高度、飛行速度、航向等參數，使雷達由監視的工具變為空中管制的手段，二次雷達的主天線安裝在一次雷達的上方，和一次雷達同步旋轉。加強雷達的覆蓋使得這種有效識別方法能夠實時追蹤到飛機。

圖2為雷達掃描的工作圖，界面上不同的光斑代表不同的反射，民航飛機穿過固定的雷達區域時，雷達的界面上就會出現移動的小光斑，觀測人員就可以清楚地發現該飛機，并反饋偵測信息。遙感衛星在太空中獲取對地的觀測數據，通過對衛星獲取的圖像進行預處理(輻射校正、幾何校正)，之后對遙感圖像進行分類，可以通過模式識別技術來識別衛星圖像上的飛機。以此來輔助雷達系統，全方位追蹤飛機的飛行。

2) GPS全球定位系統確定飛機位置

每架飛機都裝有GPS導航設備。通過該設備能夠獲得飛機確切的三維坐標，一是為飛行員提供相關飛行數據，指導其正常駕駛，二是可以將這些數據實時傳送給航管部門，當飛機的位置信息出現偏差，可以向飛行員提出警告，并按照飛行位置的偏離程度，制定相應的應急措施，使得飛機還沒有發生事故之前就做好相應準備，也可以將人為因素(飛行員操作不當)造成的影響降到最低。

圖2　雷達工作圖

2.2出現事故、快速查找保證救援

應急救援系統：組織建立擴區域的應急救援系統，當飛機出現事故能夠快速的提出相應的解決方案，并通知最近的國家救援隊，使得救援能夠火速進行。該系統可以充分利用雷達、GPS、遙感等獲取信息，并通過相應的模式識別或者消息警報來處理應急事件，及時生成應急方案實施救援。

遙感衛星拍攝圖片輔助分析：遙感衛星圖像可以作為航空飛行的底圖，若發生空難可以通過相應位置信息確定飛機。當飛機收到重創，失聯后繼續飛行一段時間才墜毀的，可以通過衛星圖像來識別飛機，達到縮小搜索范圍目的。

俄羅斯專家公布并稱馬來西亞的波音MH17是被烏克蘭的戰斗機擊落，而不是被地對空導彈擊毀。俄羅斯的國家電視臺發布了一張被泄露的衛星圖像，顯示一枚導彈快速擊落民航客機，如圖3所示。

圖3　衛星圖像顯示MH17被戰機擊落

運用GPS導航：通過實時的GPS數據(不受人為控制)快速獲得飛機失聯的最終位置，這樣就可以將救援范圍劃定在相當小的范圍內。這樣可以縮短救援時間，為減少人員傷亡提供可能。

3以馬航MH370為案例進行空難搜索與救援分析

3.1海事衛星Inmarsat分析

先分析海事衛星Inmarsat，Inmarsat通信系統的空間段由四顆工作衛星和在軌道上等待隨時啟用的五顆備用衛星組成。這些衛星位于距離地球赤道上空約35 700 km的同步軌道上，四個衛星覆蓋區分別是大西洋東區、大西洋西區、太平洋區和印度洋區。另外飛機上的天線都是自動指向衛星的。

根據這些信息，可以得出結論：馬航飛機只能與印度洋區的衛星聯系，排除掉根據GPS類似的原理對飛機進行定位。GPS是根據定位者和多顆衛星距離不同，而無線電傳輸速度為30萬公里每秒，GPS衛星上有著非常精準的時鐘，接收器可以根據接受的GPS信號時間的差異進行空間定位，理論上三顆衛星即可定位。但在只有一顆海事衛星的前提下，是不可能根據時間定位的，何況Inmarsat是以通信為主，并不實時廣播時間信號的，雙方的通信也只有飛機發出的ping信號，飛機上是不可能有非常精準的時鐘(要達到原子鐘級別)，從通信的協議看也不可能傳輸精確到微秒以上的時間精度(一般只會到毫秒級)，因此所有所謂根據GPS定位原理進行海事衛星定位的猜測都是不成立的。

3.2多普勒效應法分析

由于波源和觀察者之間有相對運動，使觀察者感到頻率發生變化的現象，稱為多普勒效應。如果二者相互接近，觀察者接收到的頻率增大；如果二者遠離，觀察者接收到的頻率減小。

根據多普勒效應，如果能知道飛機發出的無線電通信頻率和衛星實際接收到的頻率，通過對比就可以計算出飛機和衛星之間的相對速度。

要指出一點，那就是因為飛機高速運動引起的多普勒效應比較嚴重，因此在航空衛星通信系統設計中，已經采取了許多技術措施來改善多普勒頻移的影響，例如頻率校正技術等，這些會對上述計算有影響，但是，類似頻率校正技術應該是在ping成功建立通信聯系后才會進行，而馬航因為未訂購衛星服務，所以建立不起成功的連接，但多普勒效應是成立的。

3.3ping數據分析

飛機上的ping數據是一組無線信號，直接與衛星通信，以建立連接。ping數據包含的內容包括飛機的唯一識別代碼，根據目前公開的信息看還應包括飛機高度數據。此外，在數據包之外的原始無線數據，還應包含衛星接收到的信號強度和信號頻率等信息。

Inmarsat衛星是正對赤道的印度洋上空的一顆地球靜止軌道同步衛星，根據信號強度能得到飛機離衛星的大概距離,如圖4所示，也就是假設飛機信號發射功率恒定下，衛星能接收到的信號強度與距離成三次方反比，當然因為信號測量精度和無線信號傳輸本身的不穩定性，這個精度肯定是比較低的。

圖4　擬MH370飛行路線

根據這個大概距離，再結合飛機的飛行高度和地球的表面交集，再根據飛機能飛到的可能距離，就能得到飛機在地球上的大概范圍，這個范圍肯定是以衛星為中心對稱的，也就是媒體所說的南北兩個走廊區域。其實北走廊早就可以排除，中國也沒有把北走廊作為重點，因為這一帶軍事基地眾多，大型民航飛機想躲過雷達偵察是不可能的。

根據信號頻率能得到什么呢？假設飛機信號發射頻率恒定的情況下，根據多普勒效應，飛機遠離衛星頻率就比正常的低，飛機靠近衛星頻率就比正常的高，這樣通過計算就能得到飛機離衛星的相對速度。如果假設飛機的飛行速度和高度固定(這就是此次計算必備的前提假設，外方也如此，所以很可能ping數據包含飛機速度和高度)，那么理論上就能計算出飛機相對精確的位置。當然，這個精度同樣受限于飛機發射無線信號本身的穩定性以及衛星接收信號的測量精度，當然，再結合前面提到的信號強度，交叉計算就能大致得出飛機最后一次和衛星聯系時的點坐標。至于為什么能計算出是南半球而不是北半球，這個很可能和地球的形狀和地理高度差別有關，地球并不是個標準的球體，南北半球在對稱地理位置、同樣的飛行高度和速度下，多普勒效應會有細微的差異，這也就是為什么這個結果是通過類似區域其他飛機的ping數據比對而來的原因。

3.4遙感影像分析

然而在本次的馬航事件中，雷達與GPS衛星均不能提供有效的數據。事故已經無法逆轉，現在要做的是搜索墜機地點，找到殘骸，分析事故原因。

首先，尋找數據,如圖5所示。本次研究根據網絡及中科院提供的數據進行影像分析。緊接著，便嘗試使用ENVI軟件對該地區的遙感影像進行分析。

圖5　獲取數據

1) 目視解譯

以3個波段，分別作為R、G、B 顏色分量，對圖片進行目視解譯如圖6所示。由于遙感衛星的分辨率不夠目視解譯很難發現體積較小的目標，在空難事故中飛機若發生解體，飛機碎片由于燃燒、碰撞體積不會很大，因此在分辨率不高的情況下，目視解譯作用有限。

圖6　目視解譯

2) 非監督分類

對其結果進行大量分析及處理，分類出的集群與地類間不對應，加上普遍存在的“同物異譜”及“異物同譜”現象，使集群組與類別的匹配難度大；因各類別光譜特征隨時間、地形等變化，則不同圖像間的光譜集群組無法保持其連續性，難以對比。如圖7所示，紅色為云層，藍色為海面，依舊不能通過非監督分類得到MH370的具體位置。

圖7　非監督分類視圖

3) 監督分類

首先從研究區域選取有代表性的訓練場地作為樣本。根據樣本，通過選擇特征參數(如像素亮度均值、方差等)，建立判別函數，據此對樣本像元進行分類，依據樣本類別的特征來識別非樣本像元的歸屬類別。在此，將云層，海水，及其交界處分為3個樣本。

然而監督分類只能識別訓練樣本中所定義的類別，對于因訓練者不知或因數量太少未被定義的類別，監督分類不能識別，從而影響結果。如圖8所示，無法準確地分辨白色物體與云層。因此，對于空難事故中，事先獲得空難的大致位置信息再通過遙感圖像進行分析效果會更佳。

圖8　監督分類視圖

圖9　海面油污視圖

使用監督分類及非監督分類依次進行影像分析，如圖9所示。可以清楚地發現一些類似于油污的圖像。油污來源分析：1) 海上采油點泄漏的石油；2) 飛機解體所遺留的油；3) 海上交通工具如輪船等泄漏造成。

在事故預測的區域內發現油污是非常有利的一個證據，但油污可能有其他來源，同時油污隨水偏移，不能提供準確位置。然而并沒有數據能夠顯示馬航的具體位置，同時遙感影像分類也具有一定的誤差。基于資料不足，不能很好的得到馬航墜落的具體位置。

4結束語

1) 照情理，客機從執行航班任務開始，就不應中斷和地面的航管聯系；如果“失聯”，則應第一時間通報。然而馬來西亞空管部門和馬航方面，竟過了五六個小時才披露失聯一事，且馬航最初通報的失聯時間2時40分(馬六甲海峽霹靂島附近)，后來被悄悄修改為1時30分(馬來西亞與越南雷達管制交接處)。

2) 馬來西亞方面的信息不公開直接導致馬航370航班搜救工作復雜化，救援盲目進行，使得黃金救援期白白浪費掉。

3) 衛星導航定位是非常重要的，在此基礎上借助遙感影像可實現飛機殘骸或狀態發現。

4) 僅僅通過遙感影像分析，不能準確的尋找到馬航殘骸的具體位置。在衛星導航關閉情況下，只有通過多手段如多普勒效應大范圍、雷達縮小范圍和方位、遙感影像多尺度小范圍，才能實現有效監測與查找。

5) 空管部門對二次雷達的管理機制需要修改，衛星導航應該作為強制性飛機定位手段。現在飛機可單方面關閉雷達應答、非強制性裝載衛星導航系統的缺陷，實屬本次事故的原因之一。

參考文獻

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晏澤翌男，主要對飛機跟蹤及事故搜索方法整理，進行對高效空難搜索與救援方法的研究，并使用envi軟件對遙感影像進行分析。

毛志強男，教授、博士生導師，遙感影像分析、解釋與評價。

孫宏峰男，主要從事數據信息的收集、整理、提取、分析研究工作。

張孟俠女，主要從事數據的后期處理與分析工作。

Efficient Air Crash Search and Rescue Methods Based on Multisource Remote Sensing Images

YAN Zeyi1,MAO Zhiqiang2,SUN Hongfeng1,ZHANG Mengxia3

(1.BeijingHaidianForeignLanguageShiyanSchool,Beijing100095,China;2.ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;3.BeijingHuiwenMiddleSchool,Beijing100061,China)

Abstract:There were many air crashes in 2014. Current urgent and critical issues include (1) to understand how to reduce the probability of air crash, (2) to locate the accident and airplane remains, (3) to provide rescues, and to (4) ensure the safety of the flights. In this paper, we investigated how to track airplanes and how to locate air crashes by using literature searching, website searching, and interviewing experts. In addition, we used MH370 air crash as an example and proposed a possibility of searching the airplane remains. This was done by analyzing data from remote sensing images by ENVI software. Our research provides both theoretical and practical evidence to efficiently locate air crashes and to minimize the financial loss.

Keywords:Air crash; search; rescue; remote sensing; image

作者簡介

中圖分類號：P237

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)01-0100-06

收稿日期：2015-11-13

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.021

聯系人： 晏澤翌 E-mail: obbie1@163.com