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(lián)事件發(fā)生后，相關(guān)國家投入大量人力物力到搜索失聯(lián)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(fā)事件應急體系建設“十三五”規(guī)劃》指出，我國應完善海上通信和應急指揮系統(tǒng)，提高海上突發(fā)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(xié)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(tǒng)GMDSS（Global Maritime Distress and Safety System）主要由衛(wèi)星通信系統(tǒng)和極軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)、地面無線電通信系統(tǒng)（即海岸電臺）以及海上安全信息播發(fā)系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。自2012年底我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)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(tǒng)具有高精度定位、授時服務，精密導航技術(shù)以及優(yōu)于其他全球定位系統(tǒng)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(tǒng)納入繼GPS、GLONASS之后向國際海事界提供導航服務的第三個衛(wèi)星導航系統(tǒng)。本文提出了一種基于北斗的海上失事飛機救援系統(tǒng)方案。

2 海上失事飛機救援系統(tǒng)方案

基于北斗的海上失事飛機救援系統(tǒng)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(shù)進行定位并將相關(guān)信息告知指揮調(diào)控中心，引導搜救船只前往搜救。整個系統(tǒng)圍繞北斗技術(shù)體系展開，充分利用了北斗衛(wèi)星的定位、授時、導航和通信等功能，體現(xiàn)了自主、精確、高效的應用優(yōu)勢。

該系統(tǒng)主要包括四個部分：遙感應用系統(tǒng)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(shù)對海面目標進行識別；浮標系統(tǒng)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(tǒng)，以實現(xiàn)對水下目標的定位；定位接收子系統(tǒng)支持飛機與陸上指揮調(diào)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(tǒng)由多艘搜救船只組成，指揮中心與各艦船聯(lián)絡以規(guī)劃路徑達到最優(yōu)的搜救效果，船只搭載北斗等組合導航設備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖2所示。

3 海上失事飛機救援系統(tǒng)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(shù)。遙感多采用掃描成像技術(shù)［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(xiàn)“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(jīng)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(jié)合地理信息系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)目標后飛行至目標地點，空投特制的北斗浮標，可實現(xiàn)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(tài)懸浮于水中，浮標筒內(nèi)天線伸出海面，接收北斗衛(wèi)星信號以實現(xiàn)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(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大器放大、信號處理器調(diào)制后，可采用北斗系統(tǒng)的短報文系統(tǒng)由天線向外發(fā)射。機載平臺接收到相應訊息，解調(diào)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(fā)射天線、水聽器、水聲發(fā)生器和浮標姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)組成［5］。北斗接收機直接接收衛(wèi)星導航信號實現(xiàn)浮標位置的精確標定；發(fā)射天線用于向機載平臺發(fā)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(xiàn)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(wèi)星星座的海面動態(tài)大地測量基準，同時受益于精確的授時服務，以實現(xiàn)目標的水下定位功能；姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)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(fā)射天線與無線通信VHF模塊連接，聲吶系統(tǒng)中水聲換能器與水聲信號監(jiān)測模塊連接，數(shù)據(jù)處理模塊與水聲監(jiān)測、北斗定位信號、VHF無線通信、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理平臺，包含無線通信收發(fā)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(fā)送的數(shù)據(jù)進行定位解算、誤差補償、儲存以及發(fā)送給指揮調(diào)控中心。

針對衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)無法在水下使用的局限性，為實現(xiàn)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(tǒng)主要指可用于局部區(qū)域精確定位和導航的系統(tǒng)，在海域中分布多個聲接收器或應答器構(gòu)成基元。系統(tǒng)根據(jù)基元間基線長度可分為長基線系統(tǒng)，短基線系統(tǒng)和超短基線系統(tǒng)［7］。

表1 水聲定位系統(tǒng)分類

長基線定位系統(tǒng)的優(yōu)點是定位與水深無關(guān)，在較大工作范圍內(nèi)精度較高，但布陣構(gòu)成復雜，成本高。而短基線系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)。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(fā)生器和水聽器同時作用，兩者統(tǒng)稱水聲換能器。

3.1.1 聲學浮標定位方法

聲學定位系統(tǒng)由若干個浮標組成，構(gòu)成水聽器基陣。浮標系統(tǒng)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(shù)據(jù)交換。飛機失事后沉入水下的“黑匣子”作為飛行數(shù)據(jù)記錄儀，是搜救重點。“黑匣子”會發(fā)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(guān)函數(shù)和互功率譜?；净ハ嚓P(guān)法計算量小且易實現(xiàn)，將聲源到達浮標的兩路信號做基本互相關(guān)運算，函數(shù)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(huán)境導致實測信號受噪聲干擾，求得的互相關(guān)函數(shù)常出現(xiàn)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(chǎn)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(quán)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(guān)函數(shù)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(shù)，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(guān)函數(shù)為

為抑制噪音影響，在xi、xj互相關(guān)之前加一前置濾波器 φij(ω ) ，加權(quán)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(wèi)星的通信與導航

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，并按照“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略穩(wěn)步推進。對于北斗衛(wèi)星定位接收子系統(tǒng)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(tǒng)采用了GEO衛(wèi)星、IGSO衛(wèi)星、MEO衛(wèi)星組成的空間混合星座，可有效改善亞太地區(qū)的星座布局。導航和通信集成是北斗系統(tǒng)的一大特色，GEO衛(wèi)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(tǒng)的RDSS業(yè)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(tǒng)的核心優(yōu)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(tǒng)中，北斗系統(tǒng)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(diào)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(wèi)星導航相結(jié)合，能發(fā)揮各自的優(yōu)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(nèi)高精度的INS定位可以很好地解決衛(wèi)星定位導航中在動態(tài)環(huán)境中的信號失鎖和周跳問題［7］。組合導航的實質(zhì)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(yōu)化數(shù)學處理，其算法關(guān)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(xiàn)時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計，求出現(xiàn)時刻的估計值，根據(jù)系統(tǒng)的量測值來消除隨機干擾以再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，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(tǒng)，也可以利用船舶綜合艦橋系統(tǒng)實現(xiàn)。船舶綜合艦橋系統(tǒng)［11］IBS實現(xiàn)航行相關(guān)的各種系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測，利用組合導航系統(tǒng)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(xiàn)對艦船航行狀態(tài)的監(jiān)控。與傳統(tǒng)艦橋系統(tǒng)相比，綜合艦橋系統(tǒng)擴展了決策與行動數(shù)據(jù)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(diào)度、搜救航線規(guī)劃及優(yōu)化、搜救過程綜合信息展示、與空中水面岸上各指揮機構(gòu)之間的行動協(xié)調(diào)等功能。

4 結(jié)語

本文將現(xiàn)有的北斗系統(tǒng)和海上搜救過程結(jié)合起來，利用北斗的區(qū)域?qū)Ш?、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(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，使救援過程緊湊而不失條理，實現(xiàn)救援系統(tǒng)立體化和協(xié)同，大幅提高海上搜救能力。

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