基于北斗的海上失事飛機救援系統?

柴川頁 趙帆帆 林立洲 矯俊鵬

（東南大學儀器科學與工程學院 南京 211189）

1 引言

2014年馬航MH370神秘失聯事件發生后，相關國家投入大量人力物力到搜索失聯客機的行動中。而我國以近海、淺海和已確定目標的搜尋、搜救為主的海上搜索救援能力［1］，對于大范圍海上搜索行動存在一定局限性，難以適應這種不確定性的、飛機遠海失事的搜索救援。《國家突發事件應急體系建設“十三五”規劃》指出，我國應完善海上通信和應急指揮系統，提高海上突發事件處置能力，加強搶險打撈裝備配置，配備可參與全球海上搜救和國際救援行動的海洋救助船及深海掃測打撈設備。從我國航空應急救援體系建設來看，中遠海海上快速支援和搜救必須依賴遠距飛機、輔以就近艦船（含船舶搭載的直升機）等工具，采用飛機進行目標搜索、空投物資、空降著水救援或飛機直接著水開展救援，以及艦船協助救援等方式。2018年1月24日，世界最大的水陸兩用飛機AG600第二次試飛的成功標志著我國海上應急救援體系正在逐步完善。全球海上遇險和安全系統GMDSS（Global Maritime Distress and Safety System）主要由衛星通信系統和極軌道衛星搜救系統、地面無線電通信系統（即海岸電臺）以及海上安全信息播發系統三大部分構成。自2012年底我國北斗衛星導航系統正式提供公開服務以來，北斗海事應用國際化工作取得了突破性進展。北斗系統具有高精度定位、授時服務，精密導航技術以及優于其他全球定位系統的短報文通信功能，能夠為失事飛機的海上搜救工作提供新的手段。國際海事組織已將北斗系統納入繼GPS、GLONASS之后向國際海事界提供導航服務的第三個衛星導航系統。本文提出了一種基于北斗的海上失事飛機救援系統方案。

2 海上失事飛機救援系統方案

基于北斗的海上失事飛機救援系統如圖1所示。搜救飛機或聲納浮標對海面和水下殘骸進行搜索，利用北斗技術進行定位并將相關信息告知指揮調控中心，引導搜救船只前往搜救。整個系統圍繞北斗技術體系展開，充分利用了北斗衛星的定位、授時、導航和通信等功能，體現了自主、精確、高效的應用優勢。

該系統主要包括四個部分：遙感應用系統進行海面目標搜索時，搭載北斗定位裝置的搜救飛機在海域上空對失事飛機目標進行搜索，機載攝像頭使用遙感技術對海面目標進行識別；浮標系統由搜救飛機確定失事點后投放，浮標的水下部分形成聲吶系統，以實現對水下目標的定位；定位接收子系統支持飛機與陸上指揮調控中心、船舶之間、搜救船只與陸上指揮所通信，以及各平臺的時間同步；海上搜救指揮系統由多艘搜救船只組成，指揮中心與各艦船聯絡以規劃路徑達到最優的搜救效果，船只搭載北斗等組合導航設備。系統結構框圖如下圖2所示。

3 海上失事飛機救援系統分析

3.1 失事飛機海上定位

遠距離目標靠肉眼難以判斷，對海面上失事飛機（飛機殘骸、油污等）等目標搜索可以依托遙感技術。遙感多采用掃描成像技術［2］，通過不同傳感器獲取海面上失事飛機的圖像信息。近年來，遙感圖像信息呈現“三高”和“三多”的趨勢：即高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率；以及多平臺、多傳感器、多角度；經由以幾何處理、圖像輻射處理、圖像判讀等為代表的計算機圖像處理方法［3、4］進行圖像自動識別，同時結合地理信息系統和北斗衛星導航系統實現對目標相對高精度定位，通報和引導搜救船只前往搜救海域。

飛機發現目標后飛行至目標地點，空投特制的北斗浮標，可實現水下目標（殘骸、黑匣子）的搜尋以及目標的精確定位。浮標由飛機平臺投放入水后，保持直立姿態懸浮于水中，浮標筒內天線伸出海面，接收北斗衛星信號以實現自身定位。浮標水下部分裝有聲納，工作時接收聲音信號并轉換成電信號，經放大器放大、信號處理器調制后，可采用北斗系統的短報文系統由天線向外發射。機載平臺接收到相應訊息，解調后可明確水下目標精確位置。

北斗浮標由浮標體、北斗定位接收機、發射天線、水聽器、水聲發生器和浮標姿態穩定系統組成［5］。北斗接收機直接接收衛星導航信號實現浮標位置的精確標定；發射天線用于向機載平臺發射浮標的位置信息；北斗浮標水下部分利用超聲波水聲信號實現對水下目標的定位，通常水下目標需要接收4個以上北斗浮標的測距信息，多個浮標組成類似衛星星座的海面動態大地測量基準，同時受益于精確的授時服務，以實現目標的水下定位功能；姿態穩定系統則測量由風浪、水流引起的浮標擺動，對浮標的坐標進行實時修正。

北斗接收機與北斗定位信號處理模塊連接，發射天線與無線通信VHF模塊連接，聲吶系統中水聲換能器與水聲信號監測模塊連接，數據處理模塊與水聲監測、北斗定位信號、VHF無線通信、數據儲存、電源管理模塊等相連［6］。投擲浮標的飛機上設有機載數據處理平臺，包含無線通信收發終端、主控計算機、顯示器、差分定位信號接收終端等，能將浮標發送的數據進行定位解算、誤差補償、儲存以及發送給指揮調控中心。

針對衛星導航定位系統無法在水下使用的局限性，為實現水下目標的搜索與精確定位，本方案設計采用水聲定位。水聲定位系統主要指可用于局部區域精確定位和導航的系統，在海域中分布多個聲接收器或應答器構成基元。系統根據基元間基線長度可分為長基線系統，短基線系統和超短基線系統［7］。

表1 水聲定位系統分類

長基線定位系統的優點是定位與水深無關，在較大工作范圍內精度較高，但布陣構成復雜，成本高。而短基線系統的定位精度介于長基線與超短基線中間，安裝簡單，不需要建立海底基陣，使用簡單，但陣內部分基元容易受到載體自身噪聲的影響。本方案的聲學浮標基陣屬于短基線系統。對于水下聲源如黑匣子，水聽器可滿足定位要求；對于要聲波反射定位的水下目標，需要聲波發生器和水聽器同時作用，兩者統稱水聲換能器。

3.1.1 聲學浮標定位方法

聲學定位系統由若干個浮標組成，構成水聽器基陣。浮標系統主要采集和處理水下目標聲源信號，浮標之間可通過無線電通信進行數據交換。飛機失事后沉入水下的“黑匣子”作為飛行數據記錄儀，是搜救重點?！昂谙蛔印睍l出37.5KHz的超聲信號，聲學浮標基陣主要通過測聲源到各個浮標陣元信號的時間來進行定位。

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

將以上四個式子兩兩相減，消去二次項X2，Y2，Z2，并記：

上式可化簡為矩陣形式：Ax=B

則利用最小二乘解可得到目標的最佳解為x=(ATA-1)(ATB)。

3.1.2 時延差定位方法

Ri(i=1，2，3，4)為目標到第i個浮標的距離，而測量值往往是聲源到達幾個浮標的時延差，即時延差法［8］。 ?ti1(i=2，3，4)為聲源到達第i個浮標與第1個浮標的時延差。

時延差的獲取主要來源于互相關函數和互功率譜?；净ハ嚓P法計算量小且易實現，將聲源到達浮標的兩路信號做基本互相關運算，函數峰值對應的時延即為真實時延的一個估值。但復雜的水下環境導致實測信號受噪聲干擾，求得的互相關函數常出現多個相似峰值或無明顯主極大峰的情況，便難以確定主極大峰的位置而使時延估計產生誤差。而距離的確定正依賴于時延差的精確性，為提高水下定位的準確性，利用互譜密度乘以不同的頻域加權窗，以此對信號和噪音進行白化處理，從而增強信號中信噪比較高的頻率成分和抑制噪聲的影響，再通過反傅里葉變換得到互相關函數和較精確時延差。

設第 i個浮標接收到的信號為xi(t)=aix(t - τi)+ni(t)，其中 ai為衰減系數，τi為傳播時間，ni為噪音。則第i和第j個浮標接收到的兩路聲信號的互相關函數為

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

3.2 基于北斗衛星的通信與導航

北斗衛星導航系統是我國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，并按照“三步走”的發展戰略穩步推進。對于北斗衛星定位接收子系統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，北斗系統采用了GEO衛星、IGSO衛星、MEO衛星組成的空間混合星座，可有效改善亞太地區的星座布局。導航和通信集成是北斗系統的一大特色，GEO衛星在提供無源導航定位服務的同時，還繼承了北斗試驗系統的RDSS業務，使之同時具備有源導航定位、短報文通信和位置報告功能。短報文通信為北斗系統的核心優勢，不僅可點對點雙向通信，而且提供指揮端進行一點對多點的廣播［10］。本系統中，北斗系統綜合提供用于飛機、船舶的定位與導航，浮標的定位，飛機與陸上指揮調控中心、船舶之間、搜救船只與陸上指揮所的通信，以及各平臺的時間同步。

將慣性導航與北斗衛星導航相結合，能發揮各自的優點，高精度北斗信息作為外部量測輸入，在船體運動過程中可修正慣性導航，以限制誤差隨時間的積累；短時間內高精度的INS定位可以很好地解決衛星定位導航中在動態環境中的信號失鎖和周跳問題［7］。組合導航的實質是以計算機信息處理為中心，將各個導航傳感器送來的信息加以綜合和最優化數學處理，其算法關鍵是卡爾曼濾波，即以最小均方誤差為估計的最佳準則來尋求一套遞推估計，利用前一時刻的估計值和現時刻的觀測值來更新對狀態變量的估計，求出現時刻的估計值，根據系統的量測值來消除隨機干擾以再現系統的狀態，并不斷進行修正。

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配置的搜救指揮系統，也可以利用船舶綜合艦橋系統實現。船舶綜合艦橋系統［11］IBS實現航行相關的各種系統狀態監測，利用組合導航系統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、搜救等設備有機組合起來，實現對艦船航行狀態的監控。與傳統艦橋系統相比，綜合艦橋系統擴展了決策與行動數據采集與處理［12］。船舶救援綜合指揮包括空中和海上搜救力量的指揮調度、搜救航線規劃及優化、搜救過程綜合信息展示、與空中水面岸上各指揮機構之間的行動協調等功能。

4 結語

本文將現有的北斗系統和海上搜救過程結合起來，利用北斗的區域導航、定位和授時能力，飛機和船舶在海上搜救過程中緊密地配合，并利用海上船舶的搜救系統統一協調，使救援過程緊湊而不失條理，實現救援系統立體化和協同，大幅提高海上搜救能力。

［1］刑勝偉.海上立體搜尋全局優化模型及仿真研究［D］.大連：大連海事大學，2012.

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［3］潘帆.一種用于海上救援的圖像識別系統：中國，201610642880.1.［P］.2016-08-09.

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［5］李晨航.基于北斗的水下導航系統設計［C］//第六屆中國衛星導航學術年會，陜西西安，2015.

［6］林冠英.一種基于長基線水下定位系統的GPS智能浮標：中國，201620913755.5［P］，2016.08.22.

［7］張濤.基于慣導及聲學浮標輔助的水下航行器導航定位系統［J］. 中國慣性技術學報，2016，12：741-745.

［8］王國臣.水下組合導航系統［M］.北京：國防工業出版社，2016.

［9］田建波，陳剛.北斗導航定位技術及其應用［M］.武漢：中國地質大學出版社，2017.

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［11］林偉國，王立新.綜合艦橋系統綜述［J］.船舶，2007，4：1-5.

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