海難和空難的“救援衛(wèi)士”
——那些有關(guān)救援衛(wèi)星的知識(shí)

■呂傳彬

在航空和航海事業(yè)高度發(fā)展的今天，空中與海上航線日益繁忙。不過(guò)，一旦飛機(jī)或船舶失事，尋找起來(lái)卻很困難。

30多年前，蘇聯(lián)先后發(fā)射兩顆救援衛(wèi)星，建立了“失事船舶、飛機(jī)的空間搜索系統(tǒng)”，其縮寫音譯為“科斯帕斯”。美國(guó)也先后發(fā)射兩顆救援衛(wèi)星，與加拿大、法國(guó)共同建立了“搜索與救援衛(wèi)星追蹤系統(tǒng)”，其縮寫音譯為“薩爾薩特”。這兩個(gè)系統(tǒng)可以獨(dú)立工作，并且由于技術(shù)參數(shù)完全一致，也可以形成一個(gè)統(tǒng)一的“科斯帕斯-薩爾薩特系統(tǒng)”。

如今，救援衛(wèi)星已在許多國(guó)家升空。

搜救原理

衛(wèi)星搜索和救援系統(tǒng)的工作原理并不復(fù)雜。在船舶、飛機(jī)上設(shè)置專用的無(wú)線電報(bào)警發(fā)射機(jī)，其頻率為國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定的406兆赫，救援衛(wèi)星上也設(shè)置406 兆赫的無(wú)線電接收機(jī)。飛機(jī)、船舶臨失事時(shí)，將報(bào)警發(fā)射機(jī)打開，它會(huì)不斷發(fā)出失事信號(hào)。

飛經(jīng)該發(fā)射機(jī)上空的救援衛(wèi)星接收到報(bào)警信號(hào)后，立即用1 544.5 兆赫的頻率將失事者的相對(duì)坐標(biāo)通知給最近的地面情報(bào)接收站。地面情報(bào)接收站再把情報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)給“科斯帕斯-薩爾薩特系統(tǒng)”的地面中心站，由地面中心站向出事地區(qū)的救援組織發(fā)出救援通知。

怎樣確定失事地點(diǎn)

救援衛(wèi)星在距地面850 ～1 000 千米的近乎圓形軌道上運(yùn)行。在此高度上，可以接收來(lái)自直徑約5 000 千米的地區(qū)的報(bào)警信號(hào)。怎樣在如此廣闊的地區(qū)內(nèi)精確確定失事地點(diǎn)，從而使地面救援人員迅速找到失事者？

“科斯帕斯-薩爾薩特系統(tǒng)”利用多普勒效應(yīng)測(cè)定失事地點(diǎn)。

為了理解這種定位方法，我們需先設(shè)想兩條線段。第一條為救援衛(wèi)星的飛行軌道在地面的投影，可稱其為線段AB。第二條為從報(bào)警發(fā)射機(jī)所在位置引向線段AB 的垂線，可稱其為線段CD。很明顯，當(dāng)救援衛(wèi)星向線段CD 飛行時(shí)，其實(shí)就是向報(bào)警發(fā)射機(jī)的所在位置飛行。

根據(jù)多普勒效應(yīng)，救援衛(wèi)星、報(bào)警發(fā)射機(jī)在速度和方向上有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，救援衛(wèi)星接收到的信號(hào)頻率與報(bào)警發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)頻率是不同的。當(dāng)救援衛(wèi)星向報(bào)警發(fā)射機(jī)飛行時(shí)，它接收到的信號(hào)頻率會(huì)升高；當(dāng)它飛越報(bào)警發(fā)射機(jī)的所在位置后，接收到的信號(hào)頻率便會(huì)降低；當(dāng)它正好飛臨報(bào)警發(fā)射機(jī)上空時(shí)（即在線段CD 上，我們把這個(gè)點(diǎn)定為O點(diǎn)），接收到的信號(hào)頻率正好是報(bào)警發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)頻率，即406 兆赫。這樣，根據(jù)多普勒效應(yīng)的變化就可以確定線段CD 的具體位置，從而確定報(bào)警發(fā)射機(jī)的一個(gè)坐標(biāo)。而根據(jù)頻率的變化情況可以求出報(bào)警發(fā)射機(jī)的另一個(gè)坐標(biāo)，即它與O 點(diǎn)之間的距離。

圖1 衛(wèi)星救援系統(tǒng)工作示意圖

如果報(bào)警發(fā)射機(jī)的位置距O 點(diǎn)很遠(yuǎn)，那么救援衛(wèi)星接近它的速度便會(huì)很慢。報(bào)警發(fā)射機(jī)的位置距離救援衛(wèi)星的飛行軌道越近，衛(wèi)星接近它的速度就會(huì)越快，接收到的信號(hào)頻率也就越高。連續(xù)測(cè)出頻率的多普勒效應(yīng)變化，并對(duì)其變化特性加以分析，就可以準(zhǔn)確地確定報(bào)警發(fā)射機(jī)在線段CD 上與O點(diǎn)之間的距離，這樣就能找到報(bào)警發(fā)射機(jī)的第二個(gè)坐標(biāo)，即失事地點(diǎn)。

難以捕捉的微弱信號(hào)

救援衛(wèi)星接收到的由報(bào)警發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)非常微弱，相當(dāng)于宇宙飛船從火星或金星附近發(fā)回地面的信號(hào)大小。要接收如此微弱的信號(hào)是很困難的，整個(gè)接收、測(cè)量和計(jì)算系統(tǒng)不能漏掉信號(hào)中的任何一段，也不能因偶然的干擾而使信號(hào)嚴(yán)重失真。

報(bào)警發(fā)射機(jī)由自動(dòng)裝置控制，間歇工作：發(fā)射信號(hào)0.5 秒，間歇50 秒。這種信號(hào)短、間歇長(zhǎng)的工作方式有兩大優(yōu)點(diǎn)。首先是節(jié)約能源，能使電池壽命延長(zhǎng)，其次是救援衛(wèi)星可在同一時(shí)間內(nèi)接收數(shù)臺(tái)發(fā)射機(jī)發(fā)來(lái)的信號(hào)。一般是此發(fā)彼停，即使碰巧兩臺(tái)發(fā)射機(jī)發(fā)出信號(hào)的時(shí)間完全重合，救援衛(wèi)星也會(huì)自動(dòng)接通另一接收通道，不會(huì)丟失任何一個(gè)失事信號(hào)。

報(bào)警發(fā)射機(jī)發(fā)出的每個(gè)信號(hào)雖然只有0.5 秒，卻包含了豐富的信息。在前1/3 的時(shí)間里，信號(hào)中不包含失事信息，只發(fā)送未調(diào)諧的406 兆赫載波，衛(wèi)星接收機(jī)對(duì)該頻率調(diào)諧。在之后的2/3 時(shí)間里，信號(hào)中自動(dòng)加入各種二進(jìn)制編碼信息，其中包括報(bào)警發(fā)射機(jī)在“科斯帕斯-薩爾薩特系統(tǒng)”中的登記編號(hào)、發(fā)射機(jī)擁有者（飛機(jī)或船舶）、國(guó)別、失事性質(zhì)（火災(zāi)、負(fù)荷偏移、滲漏等）、失事時(shí)間、大致坐標(biāo)及其他與工作有關(guān)的信息。

能接收“黑匣子”發(fā)出的信號(hào)

半個(gè)世紀(jì)來(lái)，飛機(jī)、船舶都使用一種俗稱“黑匣子”的121.5 兆赫失事發(fā)射機(jī)，它的功率很小，僅0.1 瓦。黑匣子發(fā)出的信號(hào)中不附加任何信息，只是通過(guò)“吱吱”聲向救援的飛機(jī)、直升機(jī)或船只報(bào)告自己的方位。救援衛(wèi)星上也裝有121.5 兆赫接收機(jī)，以便搜索、救援失事飛機(jī)和船舶。

救援衛(wèi)星收到信號(hào)后僅放大，不加處理就向地面情報(bào)接收站轉(zhuǎn)發(fā)。地面情報(bào)接收站對(duì)該頻率的多普勒變化進(jìn)行測(cè)量，算出發(fā)射機(jī)的相對(duì)坐標(biāo)，確定失事地點(diǎn)。

值得一提的是，在406 兆赫的報(bào)警發(fā)射裝置上也配有一臺(tái)121.5 兆赫的小功率發(fā)射機(jī)。它并非用于衛(wèi)星搜索，而是便于救援人員在惡劣天氣條件下或夜間根據(jù)救援衛(wèi)星的指引，迅速搜索失事者。

救援衛(wèi)星的效能只有在船舶、飛機(jī)都裝上406兆赫失事發(fā)射機(jī)后才能發(fā)揮得最充分。這是因?yàn)椋l(wèi)星不存儲(chǔ)121.5 兆赫信號(hào)，隨時(shí)接收、隨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，如果當(dāng)時(shí)衛(wèi)星視野內(nèi)沒(méi)有地面情報(bào)接收站，一旦失事，情報(bào)便會(huì)無(wú)效。

目前，全世界地面情報(bào)接收站的有效覆蓋區(qū)域約占地球表面的1/4。如果接收的是406 兆赫的信號(hào)，救援衛(wèi)星便能將信息存儲(chǔ)起來(lái)，到有地面站的空域再傳送，失事信息就不至于被遺漏。

圖2 第三代黑匣子