深海中失事飛機黑匣子的綜合化高效搜索方法研究

當飛機在海上失事時，如何找到深海中的飛機黑匣子成為一個世界性的難題。眾所周知，馬航MH370的搜救工作持續了相當長的時間，但飛機黑匣子至今仍未找到。影響黑匣子搜索的因素有很多，但最重要的莫過于兩點：一是大洋環境異常復雜，難以準確定位黑匣子的位置；二是黑匣子信號發射器的信號太弱，而且電池只能持續30天左右，這還遠遠不能滿足搜索任務的需要。因此，在大洋中搜索黑匣子需要耗費極大的人力物力。為了解決這個問題，本文提出了一種全新的綜合化高效搜索方法，可以很好地解決難以搜索到深海中失事飛機黑匣子的問題。

深海中黑匣子搜索任務與解決方案概述

眾所周知，飛機黑匣子記錄了重要的飛行參數，如高度、速度和飛行任務等信息，這些內容都將成為在空難后找到真相的證據。機載黑匣子包括數字飛行數據記錄器（DFDR）和駕駛艙話音記錄器（CVR）。如果飛機落水，黑匣子里的水下定位信標將會被觸發。它將發出37.5kHz/s脈沖信號。在深海中可以持續工作30天左右。即便如此，裝載AUV的救援飛機和船只還是很難找到黑匣子。這其中的影響因素有很多，首先，人們對飛機墜毀的海域知之甚少，深海和海底的環境又異常復雜。其次，水下一片漆黑，電磁波無法傳輸，只能通過聲吶信號辨識黑匣子的方位。然而，定位信標所發出的脈沖信號功率是十分微弱的，即便如此，定位信標的電池也只能持續30天左右，這給搜索工作帶來了極大的困難。為解決以上問題，本文提出了一套綜合化的高效搜索方案。結合北斗二代（BDS-2）衛星定位系統、水面智能浮標、自動水下航行器（AUV）和船舶控制中心，形成高效的搜索網絡。在這個框架下，進一步改變了黑匣子定位信標入水時的信號傳輸方法，既可以延長定位信標的工作時間，又可以提高黑匣子的發現概率。

目前，北斗全球定位系統即將完成，它將為我國的海洋搜救任務帶來極大的便利[1]。但是由于電磁波在水中快速衰減，海面下任何衛星定位系統都將失去功效。幸運的是，聲波在水中具備良好的傳輸特性，可以彌補電磁波的不足。BDS-2與聲吶系統相結合，可以實現搜索區域的無縫銜接，在空中、陸地和水下開展一體化救援任務。而對于黑匣子定位信標來說，它可以通過改變發送脈沖信號的周期，以不同時間間隔發送求救信號，從而保存大部分電量，延長在水下工作的壽命。此外，水下聲吶定位的搜索范圍廣，但定位精度十分有限。為了提高搜索的準確度，在AUV接近黑匣子水域的百米范圍內，可以啟動黑匣子中的磁信標，它可以產生磁性信號。三軸正交磁信號可以實現在低功耗條件下的高精度定位。從而為漆黑海底近距離搜索黑匣子提供有效補充[2]。

綜合化高效搜索方案的系統構成與實現

整個搜索系統的結構包括五大部分，北斗差分站、北斗智能浮標、艦載控制中心、AUV和黑匣子定位信標。如圖1所示，北斗差分站提供北斗差動校正，可使北斗定位系統精確到厘米級[1]。AUV的主要任務是接收聲波信號，同時接收北斗智能浮標的控制信息。黑匣子定位信標穩定地發送脈沖信號，艦載控制中心接收和記錄每個浮標的觀測數據。在此框架下，深海中的黑匣子定位信標的信號傳輸的方法發生了變化，從而使工作時間大大增加。

圖1 綜合化高效搜索系統構成與互聯關系

BDS-2可以實現在開闊的陸地、海面和外部空間的全球定位和導航。然而，由于海水對無線電波信號快速衰減，BDS-2系統在海洋內部的巨大空間里是無效的。而聲波可以在水中傳播數百公里，并且沒有明顯的吸收損失，憑借其良好的物理特征當仁不讓成為了在海洋里傳播信息的主力。水下黑匣子的坐標相對于智能浮標而言屬于獨立的局部相對坐標系，如果水下聲吶系統和BDS-2衛星定位系統可以集成在一起，衛星定位系統便可以使用全球統一的空間直角坐標系。進而，陸地、水面和水下的位置坐標可以實現坐標系的統一[3]。

綜合化搜索系統核心部分是BDS-2智能浮標，主要功能包括空間位置測量、姿態測量、聲吶信號檢測、水下聲波延時測量、無線電數據傳輸等，將衛星定位系統和水下聲吶系統整合在一起，實現水下定位系統和衛星的協同工作。通過BDS-2衛星，智能浮標可以直接測量其自己的精確坐標。水下目標的位置可以通過計算聲波的到達時間差而獲得（DOT）。通過無線通信數據鏈，定位數據被發送到水面艦艇的控制中心。一方面，內置的BDS-2接收器得到了空間定位信號，另一方面，它將提供精確的時鐘頻率標準。通過精確的時鐘頻率控制，時間測量和數據同步傳輸可以被實現[4]。

另外，差分BDS-2參考站可以提供BDS-2差分信號，以實現BDS-2智能浮標的厘米級精確定位。對于大范圍的水下搜索任務，水面浮標的位置可以視為固定的，位置數據在水面上可以用數字羅盤實時校正。船舶控制中心的主要功能是接收浮標數據、記錄數據、處理數據，計算目標的空間位置，監視AUV和浮標的工作狀態，傳輸數據和通信。主要設備有多臺航道浮標接收機，水下通信接收機，通訊換能器等。AUV主要負責水下的搜尋工作。整個綜合化搜索系統的工作流程可以總結成圖2所示。

圖2 水下綜合化高效黑匣子搜索方法工作流程圖

黑匣子定位信標的工作方式和水下定位算法

黑匣子定位信標的新型工作方式與綜合化搜索實現

在黑匣子里，內置一個緊急定位信標。一旦飛機失事落水，此時黑匣子定位信標將自動打開，信標以37.5kHz/s

的頻率定時發送超聲波脈沖信號。通常情況下，定位信標會連續工作30天左右，直到電量耗盡為止。然而，通過馬航MH370搜索事件可以看出，黑匣子信標工作時間太短，搜索區域又太大，給搜索任務帶來了巨大的困難。為了延長定位信標的工作時間，大概60天或更長，黑匣子可以改變不同的時間間隔發出信號。其傳輸模式的原理圖如圖3所示。

在墜機的前10天，定位信標將每隔1分鐘發送一個聲脈沖信號。通過識別這種特殊的聲吶信號，救援船可以確定飛機失事的海域，并在海面上布置BDS-2定位浮標。然后，AUV將被派遣到深海中搜尋黑匣子。由于AUV每天只能搜索一個有限的海域，搜索黑匣子的過程將會非常消耗時間。為了保持電源電量并延長工作時間，黑匣子的發射器將在接下來的20天里每隔10分鐘發射一次脈沖信號。在這個時間段，脈沖的占空比也隨之縮短。收到黑匣子的定位信號后，AUV可以進一步壓縮搜索范圍。與此同時，AUV可以通過BDS-2在深海中確定自己的位置坐標。在接下來的30天里，定位發射機將每小時發送一次脈沖信號。以這種方式，大部分電力可以保存，黑匣子水下的工作時間也將被大大延長。endprint

圖3 延長信標工作時間的信號發送模式

水下聲波定位模型

水下聲吶定位系統分為超短基線定位系統（USBL），短基線定位系統（SBL）和長基線定位系統（LBL）。由于水面浮標分布的海域很廣，水下聲吶定位可以采用甚長基線定位模型[3]。圖4中闡明了甚長基線雙曲線定位方程的概念圖，根據圖中的幾何關系，可以得到定位方程（1）。

圖4 定位方程的概念闡釋圖

（1）

上述公式中，、、代表了水下收發器的位置坐標，而、、代表了空間中1號智能浮標的位置坐標，以此類推。在海洋中的平均聲速用來描述。和分別表示信號傳遞到1號與2號智能浮標的具體時間。對于多個浮標來說，將其中一個浮標選擇為參照物，它的位置坐標、、已知，根據方程（1）可以建立以下定位的數學模型：

（2）

由于在不同海水深度的時候，海洋密度不盡相同，這導致了在海洋中，聲速也會隨著海水深度發生改變。所以在計算時，我們將也看作一個未知數，在方程組中可以求解。當浮標的個數大于4個時，我們可以利用最小二乘法的方法對于方程組進行求解，以提高位置坐標的計算準確度。

結論

如何在深海中尋找飛機黑匣子是一個世界性的難題。本文提出了一種新型的綜合化高效黑匣子搜索方案。結合BDS-2衛星定位系統、水面智能浮標、AUV和船舶控制中心，形成了一個綜合化的高效搜索網絡。在此基礎上，本文提出改變深海中黑箱的信號傳輸方法，定位發射機發送兩種定位信號，即聲吶信號和磁信號。黑匣子定位信標將在不同的時間間隔發送聲吶脈沖信號，從而節省電能，極大地延長了黑匣子的工作時間。為了提高近距離搜索精度，還可以采用磁定位方法作為輔助，最終實現水下飛機黑匣子的綜合化高效搜索。

參考文獻

[1]楊青青.基于GPS/北斗的嵌入式黑匣子組合定位系統的研究[D].太原：中北大學，2011.

[2]張朝陽，肖昌漢.海底布放磁傳感器的磁定位方法的模擬實驗研究[J].上海交通大學學報，2011，45（6）：826-830.

[3]郭榜增.基于EMI與ANN技術的聲波信號探測機理研究[D].淮南：安徽理工大學，2015.

[4]璩瑩瑩.“北斗二代”B1頻段弱信號捕獲技術研究與實現[D].西安：西安電子科技大學，2014.

（作者簡介：王淼，中國人民大學附屬中學朝陽

分校。）endprint