BDS中軌衛星搜救系統返向鏈路技術與應用

高雅 ,何澤驊,2

(1.中國交通通信信息中心,北京 100011; 2.中電科(寧波)海洋電子研究院,浙江 寧波 315040)

0 引 言

國際衛星搜救系統(COSPAS-SARSAT,以下簡稱C/S)是由美國、蘇聯、法國和加拿大聯合開發的全球范圍的公益性衛星遇險報警系統,由低軌道、中軌道和靜止衛星上搭載的搜救載荷、地面處理系統和406 MHz搜救終端三大部分組成.

系統的報警工作原理是406 MHz搜救終端發射報警信號,通過衛星搜救載荷轉發,由地面用戶終端(LUT)接收處理,任務控制中心(MCC)分發數據,救援協調中心(RCC)采取救援行動. 早期系統報警信息流為單向,只有前向報警服務鏈路(FLAM). 《COSPAS-SARSAT 406 MHz中軌衛星搜救實施計劃》(C/S R.012)[1]中將返向鏈路服務(RLS)作為中軌衛星搜救系統(MEOSAR)的一項先進功能,無論衛星是低軌、中軌還是靜止軌道,只要衛星系統能夠提供前向406 MHz報警服務,均可以向兼容的信標提供返向鏈路服務.

2018年12月,歐盟Galileo系統已具備通過導航電文播發返向鏈路消息的功能,并在歐洲開展區域范圍測試[2-4]. 美國和俄羅斯也即將開展在GPS,GLONASS系統上增加返向鏈路模塊的研究工作. 由此可見在中軌衛星搜救系統中增加返向鏈路功能已是大勢所趨. 作為全球四大衛星導航系統之一,北斗衛星導航系統(BDS)中軌衛星搜救系統也將提供前向報警服務以及返向鏈路服務.

1 返向鏈路系統介紹

為便于警情確認、減少誤報警,增強遇難者的信心及存活概率,國際衛星搜救系統于2016年12月發布第二代406 MHz搜救信標標準[5-6],要求信標支持報警確認及報警取消功能,即通過返向鏈路處理系統,以導航電文方式向信標提供返向鏈路消息(RLM)播發服務,旨在實現為遇險人員提供雙向報警確認和位置服務,如營救正在進行的確認,甚至可以通過返向鏈路發送自定義消息.

為實現該功能,返向鏈路系統由支持返向鏈路編碼的406 MHz遇險信標、播發返向鏈路消息的衛星、現有C/S地面網絡、返向鏈路信息處理系統(RLSP)及上行站組成. 返向鏈路系統組成如圖1所示.

圖1 返向鏈路系統功能圖

當遇險人員遇到緊急情況時,自動或人工啟動遇險信標,發出求救信號.信標在406 MHz前向鏈路報警消息中發送返向鏈路消息請求標識,告知系統需要遇險報警確認服務,開始接收導航電文中包含的返向鏈路的反饋信息. 報警信息被本地用戶終端站探測到,并通過C/S的任務控制中心(MCC)網絡分發,各國服務范圍內的MCC會初始化一條RLM請求發送至返向鏈路信息處理系統(RLSP),處理后送入衛星導航系統地面段并上注衛星. RLM通過導航電文播發并被信標接收后,信標可為遇險人員提供報警確認信息、搜救動態信息.

2 BDS搜救返向鏈路建設探索

北斗三號衛星導航系統(BDS-3)于2009年啟動建設,將由30顆衛星實現全球組網,包含24顆中圓軌道衛星(MEO)、3顆傾斜同步軌道衛星(IGSO)以及3顆靜止軌道衛星(GEO). BDS-3 MEO和IGSO都可參與RLM的播發,加大中國及周邊地區的報警容量.

2.1 BDS搜救載荷分布

BDS-3計劃在3個軌道面上的6顆BDS MEO上搭載符合C/S系統互操作標準的搜救載荷[7],支持406 MHz信標的前向報警消息轉發,與Galileo、GLONASS、GPS系統上搭載的搜救載荷一起組成中軌搜救網絡,按衛星發射順序編號,搜救載荷分布如表1所示. RLM將被包含在B2b頻點的導航電文中下播,收發頻點如表2所示.

表1 BDS搜救載荷分布

表2 BDS搜救系統收發頻點

2.2 BDS返向鏈路服務類型

BDS返向鏈路信息處理系統接收到中國任務控制中心傳遞來的返向信息請求后,數據進行處理后經過地面網路提交給BDS運控系統. BDS運控系統通過上行站將信息上注至衛星,并通過星間鏈路進行傳遞,按照一定策略下播,告知遇險者確認信息和必要的求生信息. 為提高BDS與其它衛星導航系統的互操作性,返向鏈路服務設計為三種類型.

2.2.1 類型1確認

短RLM,系統自動確認. 系統一旦檢測并定位到帶有返向鏈路請求的遇險警報時,自動發送RLM至遇險信標,目的在于快速反饋遇險者.

2.2.2 類型2確認

長RLM,救援中心確認. RLSP只有在收到來自負責救援協調中心的授權后才將RLM發送到遇險信標. 由于救援部門可能需要時間評估遇險情況并確定適當的應對措施,因此這種確認不會立即發生. 該確認將以半自動、人工編碼的方式通知遇險者警報正在處理.

2.2.3 類型3確認

內容同類型2,但為自定義文本,如“南海救112將于1小時后抵達,請知悉”.

2.3 返向鏈路容量計算

根據CNMCC的數據統計,2012-2018年中國在服務區范圍內接收到的報警數量如圖2所示,2016-2018年真實報警數量分別為33次、32次、43次,誤報警率約96%,按照20%的增長速率,10年后年報警數量預計5 000余次,考慮到BDS搜救系統的推廣應用以及個人搜救信標業務的發展,年報警次數預計可達到2萬次以上,每個報警平均發送5條返向信息,同時遇險報警是突發事件,取系數為10,返向鏈路信息量=20000×5×10/365/24=114次/小時,取150次/小時,考慮單顆星工作峰值為2.5條信息/每分鐘.

圖2 中國搜救服務區報警容量

2.4 播發策略

BDS-3 B2b電文為RLM業務分配了專用幀,配有專用消息類型編號(MsgType),并適當提高消息優先級. BDS運控系統將一定時間內的RLM請求拼裝,并按照先進先出的原則及時播送相關電文. RLM專用幀在無業務需求時不播發. 當有相關業務請求時,BDS運控系統以插播形式向下播放該幀.

考慮到導航電文落地電平較低,地形/失事飛機船只殘骸所帶來的幾何遮擋,導致衛星信號路徑被遮擋等因素造成RLM接收成功率低,需要使用相應的策略來重復播發,提高消息的接收成功率.

2.4.1 時間策略

單星重復播發消息三次,暫定1分鐘左右. RLM只應該在信標全球衛星導航系統(GNSS)接收機工作的時間發送. RLSP向BDS運控系統發送RLM請求后,由BDS運控系統具體安排發送隊列. 當收到信標的中斷請求后,RLSP也可以向BDS運控系統發送中斷請求,中斷某個播發隊列. 示意圖如圖3所示.

圖3 時間策略示意

2.4.2 空間策略

利用一定的選星策略,選擇1～3顆衛星同時播發消息.由于RLSP能夠獲取并識別搜救終端的類型,包含緊急無線電示位標(EPIRB), 航空應急定位發射機(ELT-DT),個人信標(PLB),同時MCC能判斷報警位置,因此RLSP可以判斷區分場景類型,不同終端設備場景下的播發方案,設置多顆衛星同時播發相同RLM的方式進行信號路徑備份,具體場景設計如表2所示.

表2 不同終端設備場景下的播發策略

3 BDS返向鏈路應用

BDS MEO搜救系統將通過返向鏈路為中國區域乃至全球用戶提供搜救報警確認服務,對于補充我國搜救衛星系統原有功能,充分利用BDS空間信號資源,推廣BDS搜救設備國際化等方面作出貢獻.

3.1 搜索救援領域的反饋確認

搜索救援領域包含航海、航空、陸上搜救,航海搜救主要為遠洋船舶及深遠海應急搜救,航空為航空器、無人機遇險定位搜救,陸上為山區、森林、高原等基層工作人員人命救援. 在人跡罕至、傳統通信方式不能滿足、范圍過廣的環境下,通過使用衛星搜救系統并加入反饋確認的先進功能,為遇險報警人員提供雙向搜救信息交互服務,提高搜救效率.

3.2 緊急告警服務

緊急告警服務(EWS)是利用BDS返向鏈路的技術原理,聯合救援中心,國家氣象預警中心或國家應急響應部門等,以區域/全球衛星廣播的形式,主動向遇險報警終端發送信息,告知即將到來的龍卷風、洪水、火災、地震,甚至核泄露等會造成嚴重破壞,影響人們生存的緊急告警信息. 目前歐盟Galileo系統、日本準天頂系統、印度國家衛星系統正在定義緊急告警服務電文格式,我國使用BDS B2b頻點參與論證,可提升BDS在國際搜救領域的影響力.

3.3 支持BDS返向鏈路的搜救終端推廣

根據國際搜救衛星組織第二代搜救信標標準,聯合國內示位標廠商,開展支持BDS返向鏈路的搜救終端技術研究,搜救終端實現遇險報警信息和BDS定位信息發送、返向鏈路服務協議報文接收,隨后進行系統級演示,在水上、航空、陸上開展用戶級示范應用,提高BDS搜救系統在我國海洋、內河運輸船舶、航空飛機上和道路運輸車輛的使用率,有助于遇險救助裝備技術升級和產業發展,提升國產化水平,在遇險救助裝備這一新領域推動BDS產業化發展.

4 結束語

BDS返向鏈路是對BDS搜救系統功能的完善,在現有衛星搜救系統基礎上,不斷開展新功能研制建設,加快遇險報警確認信息返向鏈路等先進功能建設應用. 持續與國際搜救衛星組織進行對接,開展系統升級發展研究論證,持續提升系統服務能力,保持系統先進性,履行BDS衛星搜救系統的國際服務義務.