从马航客机失联看卫星在搜索救援中的作用

2014-03-06刘韬北京空间科技信息研究所

国际太空 2014年3期

刘韬（北京空间科技信息研究所）

2014年3月8日凌晨，载有154名中国人的马来西亚MH370航班在从吉隆坡飞往北京的途中失踪，这一事件牵动了无数国人的心。尽管多国在事后动用了各类飞机和舰艇在疑似失事海域进行搜索，但截至到目前仍未发现失踪客机的确凿线索。在此次事件中，卫星作为现代信息体系的重要组成部分，在飞机搜救方面发挥了重要的作用。事发一天后，美国“土”（Terra）卫星、“水”（Aqua）卫星、中国高分-1等遥感卫星就对失联地区进行了观测，获得了可疑油污带、疑似漂浮物等图像。3月14日，国际移动卫星公司（INMARSAT）称其运营的“国际移动卫星”接收到MH370航班发送的“握手”（ping）信号，它使对MH370的调查出现重大转折。截至目前，国内外已有数十颗卫星关注着失联客机可能存在的区域（截至3月17日，中国已调动21颗卫星参与搜寻失联客机），这些卫星为搜索救援提供了重要的空间信息支持。从目前卫星具备的能力看，利用卫星对失事客机进行搜索与救援的方式主要有两种，第一种是由于飞机搭载了能够发射飞行状态信息或遇险信号的发射机，卫星搭载了相关的接收机，所以卫星接收信号后就可转发给地面站。地面人员通过相关信息可以快速找到出事地点，这种方式救援效率较高。第二种是利用遥感卫星观测与搜寻。当飞机遇险降落到地面或海洋后，利用各类遥感卫星对事故飞机进行搜索。与舰艇和飞机搜索相比，这种搜索方式搜索的范围更大，对海面漂浮物的搜索效率更高。但若飞机已完全下沉到水底，且无漂浮物的情况下，用现有的卫星光学和雷达成像技术还难以探测。

1 通信卫星或星载通信载荷在搜救中的作用

通信卫星能通过机载的飞机通信寻址报告系统（ACARS）确定飞行状态

飞机通信寻址报告系统是一种空—地或空—天—地数字通信系统，该系统每隔一定时间间隔将飞机高度、速度等100多种飞行参数发送给地面，而在飞机系统发生故障后，该系统会立即发送数据。ACARS部分数据也被黑匣子记录。目前，ACARS是客机必须安装的系统。在陆地空域飞行时，ACARS数据通过甚高频（VHF）通信频段从飞机发给地面。但VHF的通信距离有限，飞机高度越高，通信距离越远，最远通信距离约400km。在海域飞行时，若ACARS选装了卫星通信装置（SATCOM），并开通了相关服务，其报文数据就可通过卫星中继，然后发给地面。这样就克服了与地面直接通信的距离限制。但这套卫星通信装置和相关服务的价格昂贵，目前尚未在发展中国家普遍应用。

2009年6月法航A 330客机在与地面失去联系前，向地面发送了24组ACARS报文数据。事故调查发现其速度测量系统出现故障是导致客机坠毁的主要原因之一，而ACARS数据是这一调查结论的主要根据之一。法航A 330客机失事2年后，黑匣子才被找到。

马航在2014年3月11日的第11次媒体发布会表示，所有的马来西亚民航客机都安装了ACARS系统，但没有接收到任何MH 370发送的ACARS数据，但是，众多具有航空专业知识的人士质疑其ACARS运行情况。据英国“新科学家”网站消息，MH 370航班的发动机制造商罗尔斯罗伊斯（Rolls Royce）公司表示，位于英国德比（Derby）的全球发动机健康监测中心曾接收到两组发动机数据报告。一组是MH 370航班在吉隆坡国际机场起飞时发出的，另一组是在飞机爬升过程中发出的。MH 370航班使用该公司T ren t 800型航空发动机，并装有发动机健康管理系统（EHM），而EHM由客机状态监控系统（ACM S）获得数据，再传给EHM，然后EHM再通过ACARS系统，利用VHF或卫星通信传给地面。该消息说明在飞机失联前，ACARS系统正常运行。

此外，“国际移动卫星”可为此航班提供ACARS数据服务。该服务的名称为“航空L”服务，所提供的全球数据通信速率为600～1200bit/s，主要作用是支持空中交通管理和航空公司运管。但马航未订购此服务。

第4代“国际移动卫星”

法航和马航的ACARS系统运行情况说明，尽管ACARS可在一定程度上解决事故发生后，黑匣子难以搜寻造成事故原因无从查证的问题，但是，这类系统的缺点是，在搜救关键期内，及时快速地分析并正确解译大量报文数据的困难较大。其次，ACARS系统的卫星通信服务成本较高，造成马航尽管为MH 370航班安装了卫星通信装置，但却没有起到关键作用。

通信卫星可用机载通信设备发来的Ping信号，确定飞机大致方位

3月14日，国际移动卫星公司发布通告称曾收到M H 370发出的“常规、自动信号”，该数据已提供给国际航空电信协会（SITA），同时，相关数据已交给马航。正是这一消息使M H 370的搜救区域发生重大调整。

据路透社等媒体消息，MH 370客机失联后，“国际移动卫星”曾接收到飞机发送的ping信号（很可能是“常规、自动信号”），但未建立连接。飞机相关系统每1s发出一次ping指令，卫星曾接收到5～6次，最后一次收到的时间是3月8日08：11，它距离失联时间约7h后。尽管单纯通过ping信号无法说明飞机处于空中还是地面，但该消息至少说明MH 370在失联后约7h内还具备通信能力，飞机主体结构未受到致命破坏。

不过，仅用1颗“国际移动卫星”是无法对飞机的地点进行准确定位，它只能以卫星为中心，机载油量所能飞行的距离为半径，大致确定一段圆弧。这就是马方称客机可能在哈萨克斯坦与土库曼斯坦到泰国的走廊地带，或印度到印度洋走廊地带的原因。这也是MH 370的搜救范围被调整的根据。

从“国际移动卫星”接收的ping信号推断飞机搜索范围

星载救援跟踪载荷能用飞机应急示位发射机对失事飞机进行救援

全球卫星搜救系统（C O SPA S/SARSA T）也可发挥作用。它由遇险示位标、卫星星座和地面分系统三大部分构成。示位标有三种形式，包括飞机应急示位发射机（ELT）、航海用紧急无线电示位标（EPIRB）和个人位置示位标（PLB）。目前，遇险示位标使用的频率为406MHz。当用户遇险后，遇险示位标可以通过人工或者自动由遇险时的撞击、水浸而激活（信标激活后可以存活48h），发出遇险报警信号，经卫星转发后，由遍布全球的本地用户终端（LUT）接收并计算出遇险目标的位置，随后经国际通信网络通知遇险地区的相关搜救部门进行搜救。

截至目前，搭载低轨搜索与救援卫星辅助跟踪载荷（LEOSAR）的卫星包括美国诺阿-15、16、18、19（NOAA-15、16、18、19）极轨气象卫星，欧洲气象业务-A、B（M etOp-A、B）。搭载静止轨道搜索与救援卫星辅助跟踪载荷（GEOSAR）的卫星包括地球静止环境业务卫星-13、14、15（GOES-13、14、15），印度卫星-3A、3D（INSAT 3A、3D），欧洲第二代气象卫星-2、3（MSG-2、3），俄罗斯电子-L1（Electro-L1）和射线-5A（Luch-5A）卫星。

下图为接收低轨卫星转发遇险示位标救援信号的LUT示意图，白色地区可以实时接收信号，而在蓝色区域，卫星先接收信号，在飞过附近地面站时，再下传信号。对于静止轨道卫星转发的信号，地面站可以实时接收。

据美国国家海洋与大气管理局（NOA A）统计，自1982年以来，已有超过35000人被COSPAS/SARSAT救援，其中美国有7270人。仅在2013年，就有16次飞机事故使用了该系统，共救援34人。

LEOSAR低轨覆盖范围

星载广播式自动相关监视中继系统将提供远海区域的飞机监视能力

星载广播式自动相关监视（ADS-B）系统是未来极具前途的空地、空空、空天监视系统，可极大提高监视和搜救效率。ADS-B是一种基于GPS和数据链通信的航空器运行监视技术。其工作原理简单地讲就是机载设备收到GPS信号，进行实时定位，然后把飞机位置、高度和速度等数据信息以1s时间间隔向外广播。由于GPS定位精度比雷达高，可缩短飞机安全飞行时间间隔、优化航线，从而提高运力，减少能源消耗和碳排放。欧洲计划从2015年开始要求在欧洲空域飞行的飞机安装ADS-B系统，美国规定到2020年，所有在美国空域飞行的飞机都必须安装ADS-B系统。

澳大利亚和美国部分地区已成功应用空地ADS-B系统。2003年9月，澳大利亚运输部表示，基于对其中西部地区飞行流量的预期和投资成本的核算，澳大利亚已放弃以航管雷达覆盖澳洲大陆的意图。取而代之的是，在中西部地区建设ADS-B监视系统，与航管雷达组成一个覆盖澳洲全境的空中交通服务监视系统。美国已在阿拉斯加无雷达覆盖区应用ADS-B系统，使飞行事故率降低了约80%。

据外媒报道，马航M H 370能够通过应答机广播A D S-B信号，国外“飞行雷达24网站”（fligh tradar24）就是利用地基ADS-B信号接收设备更新航班信息的。可能有人关闭了飞机应答机，造成MH 370的信息随后从网站上消失。

为了对地基监视雷达和地基ADS-B接收站无法覆盖地区的飞机进行监视，尤其是监视在海洋区域或极地飞行的飞机，国外将目光放在ADS-B系统的天基应用上。天基ADS-B系统的实现方式是用卫星携带ADS-B信号接收机，接收源自飞机ADS-B发射机广播的信号，然后转发给地面。基于天基的ADS-B飞行监视技术能够极大地提高搜索与救援的效率。

目前，美国、欧洲均启动了低轨卫星星座接收转发ADS-B信号的研制和部署工作。此外，日本在静止轨道卫星接收转发ADS信号（非ADS-B）方面做过概念论证。

GEOSAR覆盖范围

Fligh trada r24公布的MH370失联前地点

（1）欧洲完成天基ADS-B系统试验，并积极向业务化方向发展

欧洲航天局（ESA）于2013年5月7日发射了“星上自主项目-植物”（Proba-V）卫星。该星主要用于植被观测和飞机监视技术试验,运行在820km的轨道高度，携带了德国航天局（DLR）研制的ADS-B接收机。尽管从飞机发射的ADS-B信号到达空间后已非常微弱，但试验证明，在不需要升级现有机载设备的条件下，“星上自主项目-植物”携带的试验性接收机仍然能够在2h内接收到12000个ADS-B数据。

2013年10月，德国航天局与合作伙伴SES Astra公司和泰雷兹-阿莱尼亚德国公司签订长期合同，计划利用名为TR ITON的微卫星平台，对天基ADS-B接收系统进行进一步验证，以此推进天基ADS-B的业务化。

此外，荷兰空间创新方案（ISIS）公司也正在研制ADS-B接收机和相关的纳卫星。

（2）美国两家公司计划在下一代低轨通信卫星上全面部署ADS-B接收系统

目前，美国H a r r is公司与铱星公司合作，美国ADS-B技术公司与全球星公司合作，积极推进天基ADS-B系统的业务化。其中，H arris公司的产品有望最先在天基应用。

铱星公司于2011年考虑在“下一代铱星”(Iridium NEXT)星座上安装ADS-B系统。“下一代铱星”星座包括66颗低轨通信卫星，将于2015年开始发射，于2017年结束部署。“铱”星星座将携带H arris公司研制的1090ES型ADS-B接收机，计划2018年开始监视全球民用客机。铱星公司认为该业务可以产生10亿～20亿美元的市场，用户不仅包括传统的空管、搜救等民用用户，还将包括军方。

2012年美国ADS-B技术公司在阿拉斯加州的一座高度1200多米的深山中利用两架飞机完成了其ADS-B链路增强系统（A LAS）的试验。通过这次试验验证了天基ADS-B的可靠性。以该系统的性能计算，一颗“全球星”（Globalstar）卫星可以在1600km的覆盖半径内跟踪3000架飞机。ADS-B技术公司计划在2014年中期研制出业务应用的ALAS系统。但目前还未见到全球星搭载ALAS系统的具体时间。

搭载ADS-B系统的铱星星座示意图

遥感与数字地球研究所利用陆地卫星-8图像发现的失联地区油迹带

2 遥感卫星系统在飞机搜索救援中的应用与展望

低轨遥感卫星

（1）中国利用陆地卫星-8图像发现MH370失联地区油迹带

《考古拾趣》有文、有书、有画、有印，完美体现了一代学者的学养修为。行内人，按图索骥，看到了赖非先生几十年的田野考古、学术成果；行外人，拍案大笑，读到了一个率真质朴、好玩有趣的老灵魂。

2014年3月8日上午，中国科学院遥感与数字地球研究所开展应急响应，查询马航MH 370事件发生后的卫星接收任务，向国内外用户协调卫星数据。科研人员利用3月8日和3月10日美国陆地卫星-8（Landsat-8）数据，在马航客机失联区域发现三处油迹带，并迅速将分析结果报送国家相关部门，为搜寻失联客机提供了空间信息支持。

（2）传言美国“土”卫星发现疑似MH370坠落地点，后被国外专家推翻

3月9日,国内多家网络媒体报道美国航空航天局（NASA）发布疑似马航MH 370航班失事地点的高清图,实际上美国航空航天局官方未说明该图是MH 370的疑似失事地点。国内媒体的描述实际引用的是一个卫星追踪类网站（N2YO），原题为“是MH370航班的可能坠毁地点吗？”（Flight MH370-A possible location of the crash？）的文章,该文章用红圈在“土”卫星的中分辨率多光谱成像仪（MODIS）拍摄的图像上标出了MH370航班的疑似坠机地点，该图片的图名为“MH370航班的疑似坠机地点细节图”（Malaysia Airlines Flight 370-Map detail of the possible location of the crash）。正是这个图名造成了误导。

实际上，MODIS的空间分辨率为250m，不可能发现马航MH370客机（MH370航班的机型为波音777-200，其机长63.7m，翼展60.9m），更不可能发现飞机碎片。3月10日，一位国外卫星图像处理专家在Marufish防灾世界网站（marufish.com）发表“美国航空航天局卫星发现MH370了吗？（原文标题Did NASA Satellites discover MH370？）的文章。该文说，根据他多年卫星图片处理的经验，原图片中用红圈标出的暗带根本不是疑似坠机地点，而是未受海面阳光反射（Sun glint）影响的区域，这个区域因而呈现暗色。同样搭载MODIS的美国航空航天局“水”卫星在当天下午也拍摄了同一地点的图像，这块暗带消失了。说明所谓的疑似坠机点是错误的猜测，并没有强有力的根据。

（3）环境探测卫星为搜索救援提供重要气象海洋环境数据

被人误读的美国航空航天局“土”卫星图像

marufish网站在美国航空航天局海洋水色（NASA Ocean Color Web）网站发布的图片上标出MH370失联地区洋流方向分析图

气象、海洋环境探测卫星在搜索救援坠海飞机方面起到重要的作用。首先，这类卫星快速实时地发现出事地区的气象条件是否适于搜索行动的开展。其次，利用这类卫星，相关气象水文机构能够每日发布出事地区的海浪浪高、海表温度和洋流方向等情况，为发现海面疑似漂流物后，分析坠机实际地点提供重要数据参考。例如，美国每日发布海洋水色数据的遥感器数据源包括“土”和“水”卫星搭载的MODIS、其他卫星上的“宝瓶座”（Aquarius）微波辐射计与散射计、可见光红外成像仪辐射计套件（VIIRS）以及“国际空间站”搭载的海岸带高光谱成像仪（HICO）。

（4）美国数字全球公司通过Tomnod网站平台借助公众力量搜索MH370

在马航飞机失联后，美国数字全球公司（DigitalGlobe）向公众开放了Tomnod平台，借助公众力量积极寻找MH370航班的失事地点。美国数字全球公司拥有5颗世界最先进的低轨商用高分辨率光学成像卫星，这些卫星包括美国地球之眼-1（Geoeye-1）、世界观测-1和2（WorldView-1、2）、“伊科诺斯”（Ikonos）和快鸟-2（Quickbird-2）。这些卫星空间分辨率均优于1m，起到详查作用，能够较为准确地判读飞机碎片情况。

（5）我国调用高分-1等卫星对失联地区进行搜索

据国防科工局网站报道，我国相关部门在第一时间紧急调动高分、海洋、风云和遥感等多型号的多颗卫星为搜救行动提供支持。其中高分-1卫星具有最高2m空间分辨率，70km幅宽，非常适合对大于2m的碎片进行大范围的搜寻。在3月9日11：00左右高分-1卫星获取的图像中，位于105.63°（E），6.7°（N）地点为中心，方圆20km的区域，观测到3处疑似漂浮物体，尺寸分布为13m×18m、14m×19m和24m×22m。

中国高分-1遥感卫星

静止轨道遥感卫星

（1）日本用“多用途运输卫星”尝试飞机空管

日本“多功能运输卫星”（MTSAT）是日本运输省和日本气象厅合作投资的多功能（气象观测和飞行控制）卫星。日本于2005年和2006年分别成功发射了多功能运输卫星-1R、2卫星。“多功能运输卫星”在飞行控制方面主要由三大功能，包括通信、导航和监视。

在飞行通信方面，目前，VHF主要用于陆地航路飞机和空管设施间的语音通信，高频（HF）用于洋区航路飞机与空管设施间的语音通信。但是，由于通信距离限制和地形遮挡，在海拔较低的区域VHF通信有时存在盲区。HF通信是最重要的应急通信手段，但HF频道短缺，且影响HF通信的因素很多,如电离层的变化等。

在通信、导航、监视和空中交通管理（CNS/ATM）概念体系中，日本“多功能运输卫星”的通信功能使飞机和空中交通管制设施建立连接，消除地形影响。与HF相比，它可使通信质量得到大幅度改善。由于使用数字通信技术，通信容量大幅提高，使航空信息、发往机载飞行管理系统（FMS）的飞行计划和气象数据等信息直接传输。通信内容可在屏幕上显示确认，从而防止误解。

日本多功能运输卫星-2

在飞机监视方面，飞机发射点对点的ADS信号，由卫星接收后，转发给地面，从而实现飞机的监视。目前，飞机在地基监视雷达覆盖范围内，可被实时监视。而在范围外，飞机位置靠飞行员口头报告。通过“多功能运输卫星”卫星，飞机在雷达覆盖范围外，由CNS/ATM系统向地面空管中心发射由GPS卫星和多功能运输卫星天基增强系统（MSAS）获得的飞机位置信息。该功能有助于减少飞行员的工作量，提高安全性和飞机的监控能力。此外，此功能可用于航线优化。卫星与地面通信使用Ku和Ka频段，飞机与卫星通信使用L频段。但这一监视功能还停留在概念验证阶段。

（2）美欧积极发展静止轨道高分辨率成像卫星将提供高搜索效率

根据轨道动力学原理，低轨遥感卫星，包括性能十分先进的低轨高分辨率敏捷型成像卫星，无法不间断的对一个区域进行搜索。这一问题会导致在关键的时刻无卫星过顶；并且低轨卫星的重访周期通常为数天，即使使用星座也无法做到持续监视。为解决上述问题，美欧高度重视地球静止轨道高分辨率成像卫星的发展。地球静止轨道遥感卫星可对目标区域进行持续监视，单星可覆盖全球1/3的面积，幅宽数达百千米，15m in即可搜索1500km的范围，在未来的搜救行动中可起到重要作用。目前，美国正在积极攻关1m分辨率静止轨道光学衍射成像卫星技术，欧洲正在研制3m分辨率地球静止轨道光学成像卫星。而我国和印度也在研制数十米分辨率的地球静止轨道光学成像卫星。

通过上述分析可以看出，对于失事飞机的搜寻，遥感卫星能够发挥作用，但必须满足一定的条件。如果飞机整体坠落到地面，同时结构未受重大破坏，现有的中、高分辨率光学或雷达成像卫星都可用于飞机的搜索。若飞机发生爆炸，或坠落后失火，或将周围物体点燃，还可通过搭载红外遥感器的卫星确定出事地点。若飞机坠落海洋，情况将更加复杂。如果飞机完全沉入海底，光学和雷达卫星都难以拍摄水面下的目标，只能通过海面的油迹或漂浮物间接判定飞机的坠落位置。同时，还必须通过环境卫星，确定出事海域的洋流方向等环境信息，这样才能最终判断飞机的坠落地点。此外，遥感卫星中还有一类可以搜集电子信号的电子侦察卫星，但前提是飞机能发出有效的电子信号。

日本“多功能运输卫星”与飞机的通信示意图

3 结束语

此次MH 370客机的搜索行动说明，卫星可起到重要的支持性作用。由于M H 370客机的事故原因很复杂，马方在失联初期发布的失联地点有误，所以造成多数遥感卫星的搜索地点出现偏差，所拍摄的疑似油迹带和漂浮物等图像的价值不大。随着M H 370真实情况的陆续披露，在未来的搜救行动中，相信遥感卫星将起到重要的作用。

法航空客A 330空难和失联MH 370客机事件给我们很多启示。为了寻找法航空客330客机黑匣子，花费了2年时间，相关经费达到2500万美元。这说明使用黑匣子作为飞行记录的主要手段已经不合时宜，应该充分利用当代先进的GPS技术、卫星通信技术，使飞行数据通过卫星实时传输给地面站。这样才能最大限度上的保护乘客的生命安全，防止恐怖劫机事件的发生，或为争分夺秒的搜救行动提供强有力的支持。为此，美、欧积极推进天基ADS-B系统的业务化。

鉴于上述的分析，中国应该抓紧研制符合国际航空ADS-B频段标准的信号接收转发卫星通信载荷，并在低轨卫星星座上部署。可以发射低轨通信卫星搭载ADS-B接收系统，也可以在低轨各类遥感卫星上搭载ADS-B接收系统。

同时，继续大力发展海洋卫星，包括海洋水色、海洋动力环境等卫星。形成对远海地区持续的环境探测能力。发展气象海洋产品模型，以高效准确地发布海浪浪高、洋流方向等与搜索救援相关的气象水文信息。