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北斗全球位置报告和搜救应用研究
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2018/1/2 8:42:28  

摘    要:在国外三大卫星导航系统均已配置全球搜救载荷的时代背景下, 北斗卫星导航系统作为我国第一个实现全球连续覆盖的卫星系统, 其全球位置报告功能实现搜救应用是必然选择。通过综述, 比较分析了北斗全球位置报告与国际第二搜救体制MEOSAR在定位精度、响应时延和服务容量等方面的性能差异, 指出了北斗全球位置报告功能的优越性。同时, 展望了北斗全球搜救在业务流程和服务性能方面的设计思考。

关键词:北斗系统; 卫星导航; 位置报告; 搜索救援; 无线电测定;

0 引言

北斗卫星导航系统是我国重要空间信息基础设施, 是我国应用卫星体系中的时间基准和空间基准。根据工程建设计划, 北斗系统将于2020年前后实现全球星座组网[1],成为我国第一个实现全球连续覆盖的卫星系统, 也是我国典型的多业务卫星系统。北斗不只具备RNSS连续导航业务, 还具备颇有特色的RDSS位置报告业务[2-3]。而国际上其他导航系统, 如美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo, 自2000年开始也陆续进行了多业务发展, 尤其是这三大系统在国际搜救卫星组织的指导下, 联合搭载了MEOSAR搜救载荷, 并逐渐成为COSPAS-SARSAT国际卫星搜救系统的主体部分。按照上述国际发展趋势, 全球卫星搜救业务将成为未来卫星导航系统的必然组成部分[4-6]。

中国在大力推进“一带一路”、“军事力量走出去”等发展战略过程中, 一方面在“民用搜救”领域要融入国际现有卫星搜救体系, 另一方面也要保证“军用搜救”方面自主可控。通过与国外卫星系统发展现状及趋势的横向对比, 以及从我国自身卫星轨位构型、频率资源、建设进度、经费规模和技术实现复杂度等多个方面来看, 基于北斗全球系统位置报告功能实现搜救应用, 是全球搜索与救援业务链中“搜寻定位”的优选方案[7]。

1 全球卫星搜救系统发展现状与趋势

1.1 系统发展概况

COSPAS-SARSAT全球卫星搜救系统于1979年由美国、前苏联、法国和加拿大4国联合倡导建立, 利用空间卫星在全球范围内向飞机、舰船、个人提供搜索和救援服务。全球卫星搜救系统由遇险示位信标、空间段卫星和地面处理分系统三大部分组成。遇险示位信标为脉冲式窄带BPSK信号, 可分为机载、舰载和手持等多种型号;空间段卫星最初由美、俄提供的低轨道卫星 (LEO) 组成, 后来逐渐发展为现在的5颗低轨LEO、5颗高轨GEO以及越来越多的中轨MEO;地面处理分系统由遍布全球的任务控制中心 (MCC) 和本地用户终端(LUT) 组成, 整体呈增量式发展态势[8-10]。

同时, 随着世界各国全球导航卫星系统(GNSS) 的蓬勃发展, 中圆轨道卫星 (MEO)星座体现出了良好的全球覆盖性能;全球卫星搜救系统COSPAS-SARSAT基于进一步提高定位精度、拓展覆盖范围、压缩响应时间的发展目标, 也积极推动构建MEO卫星搜救体系。几大全球导航卫星系统Galileo、GPS-III和GLONASS-K星座都已公开承诺未来将共同搭载专用搜救载荷, 并分别命名为SAR/Galileo、DASS/GPS和SAR/GLONASS[11-13]。国内部分学者也公开倡导中国的北斗全球卫星导航系统搭载搜救载荷。可见, 全球卫星搜救系统未来将与全球卫星导航系统紧密联系、融合发展, 并随着搭载搜救载荷的MEO卫星渐次增多, 全球卫星搜救系统使用效能将得到极大提升。

1.2 搜救信标信号体制与定位原理

目前, 全球卫星搜救系统信标信号体制已经发展2个代次:第一代信标频率为121.5MHz (民) /243 MHz (军) , 第二代信标频率为406 MHz[14]。

第一代搜救信标121.5 MHz/243 MHz信号未调整电文, 国际没有登记信息, 造成虚警较高。国际卫星搜救组织为规范系统运营, 决定了至2009年终止121.5MHz/243 MHz的信标定位业务, 并要求全球所有航空器、船舶和陆地用户必须装备统一的406 MHz信标。据了解, 国内部分舰船仍然在使用243MHz信标。

第二代搜救信标406 MHz信号采用BPSK脉冲调制方式, 每段信号长度约440 ms, 脉冲周期47.5~53.5s, 码字速率400 bps±l%, 发送功率5 W[15-17]。电文格式包含49bit身份识别信息。利用LEO和GEO将遇险信标透明转发或者接收存储后转发至地面站。信标激活后一般可以存活48 h, 由于脉冲信号发送报文间隔较大(约50 s) , 不适合连续实时定位。目前, 基于国外三大全球导航系统MEO卫星的搜救系统MEOSAR信标, 全部采用406 MHz信号体制。

卫星搜救信标定位原理有2种[18]: (1) 在信标信号电文中已携带遇险源的GNSS定位信息, 报告精度10 m; (2) MCC利用卫星透明转发信标信号到达频率 (FOA) 和到达时间 (TOA) 测量实现反向定位;由于MEO数量较多, 搜救信标很容易同时被4颗以上卫星转发, 地面站再利用FOA或TOA联立方程组解算位置, 首次定位精度5 km, 精度随着信标激活时间延长也可有所提升[10]。

值得注意的是, MEOSAR两种位置报告模式与北斗二号RDSS服务中位置报告1、位置报告2两种模型有异曲同工之处。

1.3 全球卫星搜救返向链路的设计情况

全球卫星搜救系统增加返向链路有利于警情确认、减少误报警, 目前仅SAR/GALILEO系统具有返向链路功能, SAR/GPS和SAR/GLONASS系统正在开展相关的论证[19]。

伽利略搜救系统具有返回链路功能, 返回链路服务提供商(RLSP) 通过与伽利略地面段接口, 实现返向链路功能与伽利略卫星C波段上行链路集成, 用于将返向链路信息上传到伽利略卫星, 通过在伽利略导航信号L1上广播返回链路消息为搜救信标提供报警确认服务, 返回链路消息通过2个伽利略卫星同时转发。

返回链路的确认服务可以向遇险人员提供报警信息和报警位置的确认, 以及救援行动的确认。为了获得报警确认服务, 遇险搜救信标必须在前向链路报警信息 (FLAM) 中传送返回链路消息请求,向系统请求遇险警报的确认。

配备伽利略导航接收机的406 MHz信标具有接收伽利略导航信号的能力, 支持返向链路功能的搜救信标可以接收包含在伽利略导航信号L1中的短SAR消息, 实现报警确认信息的接收, 支持返回链路功能的信标的成本不会显著高于已经包括GNSS接收机的现有信标的成本。

1.4 全球卫星搜救技术体制未来发展趋势

目前, 基于现有第二代信标技术体制的国际卫星搜救体系仍然在发展之中, 2025年后可望达到72颗以上MEO卫星的支持, 基于现有技术体制的搜救系统组成体系将发展得十分庞大, 但仍然有部分专家提出了第三代国际搜救信标的优化建议[20]。

由于基于现有信标技术体制的国外三大全球卫星导航系统MEOSAR载荷已经大量投产, 第三代搜救信标尚处于提议讨论阶段, 并且卫星导航系统全星座更新部署周期很长, 可以预判第三代国际搜救信标成为现实还需要比较长的时间。下面主要梳理第三代国际搜救信标信号技术体制的主要优化设计思路:

(1) 搜救信标由非扩频信号体制变为扩频信号体制;

(2) 搜救信标由仅重复播发身份识别信息或含GNSS定位信息, 还增加遇险用户身体状态信息;

(3) 搜救应用终端具备可穿戴性能, 即信标信号体制支持应用终端进一步小型化、低功耗。

实际上, 上述第三代国际搜救信标的设计方案在我国北斗RDSS入站信号体制中已经使用多年。总体而言, 国际卫星搜救系统定位原理与北斗位置报告定位原理基本相同, 信标体制则在向北斗位置报告入站信号体制方向发展。

2 北斗全球位置报告与MEOSAR比较分析

北斗全球位置报告是用户将RNSS定位结果, 通过北斗组网星座中全球连续覆盖的入站链路发送至地面控制中心, 实现位置报告功能。这与COSPAS-SARSAT功能类似, 也适用于紧急情况下的搜救应用。

国际卫星搜救系统COSPAS-SARSAT的空间段已经包括国外三大全球导航卫星系统GPS、GLONASS和Galileo的部分卫星, 未来还将稳步扩充星座, 中国北斗也有计划搭载国际搜救MEOSAR载荷。但由于目前全球卫星搜救系统COSPAS-SARSAT的庞大地面站点网络与组织体系,主要为西方国家所掌握, 中国在全球地面组织体系中无主导权;北斗卫星搭载MEOSAR载荷, 主要可对民用领域有所贡献, 并不能自主可控地解决我国军用紧急告警与生命救援的问题。

通过COSPAS-SARSAT的系统组成及定位原理研究可知,全球卫星搜救与北斗位置报告模式基本相同, 最大差异在于现有搜救信标体制与北斗位置报告入站信号体制有所区别。由于沿用早期406 MHz非扩频信号体制, 国际搜救服务性能与北斗位置报告性能相差较大。并且国际卫星搜救未来第三代信标信号体制的优化设计目标, 都是北斗位置报告已经具备的技术体制。可以说, 在信号体制层面, 北斗位置报告业务明显优于现有国际卫星搜救系统, 并且正在成为其第三代卫星搜救技术体制的发展趋势。第二代卫星搜救信标定位原理框架如图1所示。

图1 第二代卫星搜救信标定位原理框架

图1 第二代卫星搜救信标定位原理框架   下载原图

下面深入比较分析北斗全球系统全星座配置位置报告入站载荷以及世界几大GNSS系统实现搭载搜救载荷后的2个系统架构, 主要从卫星转发方式、信号体制、重发机载、发射功耗和定位原理等方面展开[13], 北斗全球位置报告与第二代国际卫星搜救技术体制比较如表1所示。从中可以看出二者有很多共通之处:卫星入站转发都是透明式与处理式共存、透明式为主;定位报告原理相同或相近, 都有2种工作模式;都具备一定重发机制, 信标周期性脉冲实质也是周期性短突发信号;发射功率也在同一量级。二者最主要的区别则有:

(1) 信号调制方面, 北斗位置报告入站信号采用了高速率伪码扩频调制, 而搜救信标未进行扩频处理;

(2) 重发频度方面, 北斗位置报告支持用户自由实时重发, 而搜救信标脉冲周期约为50s;

(3) 工作频度, 北斗位置报告入站信号为L波段, 而搜救信标为UHF波段。

由于信号体制等方面的差异, 北斗位置报告定位报告性能比国际卫星搜救MEOSAR系统性能优势主要在如下几个方面:

(1) 定位精度更高, 在无RNSS定位结果支持下的北斗位置报告报告精度优于20 m, 但MEOSAR定位精度为1 km左右;

(2) 抗干扰能力更强, 北斗位置报告入站信号采用扩频调制, 抗外界电磁干扰能力更强,信道也就更安全;

(3) 并行服务容量更大, 扩频调制系统内部多址干扰容忍度更高。

(4) 实时性更高, 北斗位置报告首次定位响应时间1~30 s, 支持用户高频度实时重发,可满足跳伞、高空坠落等非常紧急情况下的高性能快速定位报告;搜救信标虽然也可即刻快速定位,但首次定位响应时间5 min~2 h, 脉冲周期固定为50 s的实时性也有所不足;

(5) 搜救效益更高, 北斗位置报告入站信号在实现精确定位报告的同时, 可以实现伤情战情信息、待救人员身体状态信息的快速传输与共享, 辅助搜救行动的有序、高效进行;但现有国际搜救信标还无法传输这类重要的救援辅助信息;

(6) 应用终端小型化更容易, 北斗位置报告入站信号使用1.6 GHz的L波段, 有利于应用终端天线尺寸的小型化, 现有北斗产品中已经具备腕表式可穿戴北斗位置报告应用终端;第二代搜救信标为406 MHz的UHF波段, 一般天线尺寸较大。

(7) 自主可控, 北斗位置报告模式采用集中处理, 适合为我军自主可控使用;国际通用的MEOSAR地面站点全球互操作、MCC站点均在国外, 不利于使用安全。

表1 北斗全球位置报告与第二代国际卫星搜救技术体制比较    下载原表

表1 北斗全球位置报告与第二代国际卫星搜救技术体制比较

3 北斗全球搜救应用相关思考

北斗全球搜救功能, 须按照自主可控、军民融合、国际一流的原则开展体制设计, 具备一体化实现航行追踪与紧急救援的能力。在航行追踪方面, 以不低于15 min频度的单向位置报告;在紧急救援方面, 实现全球min级的响应速度, 领先世界的返向链路;同时, 提供4方面能力的返向链路:搜救确认应答、失踪船只和飞机上激活信标、搜救任务完成后遥控关闭信标、控制信标传输频度。

北斗全球搜救业务流程方面, 建议可划分为4个阶段:

第1阶段:遇险终端发送求救信号, 北斗接入卫星即刻应答确认;等待超过10 s再次触发告警;

第2阶段:遇险终端等待搜救中心回执及控制指令, 超过120 s再次触发告警;

第3阶段:等待救援力量部署, 按照15 min/位移1 km的门限促发报告;

第4阶段:救援力量逐步抵近, 终端根据搜救中心指令提升报告频度。

4 结束语

本文通过国内外全球卫星导航系统在国际卫星搜救方面所开展工作的综述分析, 详细比较了北斗位置报告业务与国际MEOSAR业务在定位精度、响应时间和服务容量等方面性能的差异, 指出了北斗全球搜救应用所具备的优势。同时, 也提出了未来北斗全球搜救在业务流程、服务性能方面的思考与建议。

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