海难和空难的“救援卫士”<br/>——那些有关救援卫星的知识

海难和空难的“救援卫士”
——那些有关救援卫星的知识

2021-01-19吕传彬

发明与创新 2021年2期

■吕传彬

在航空和航海事业高度发展的今天，空中与海上航线日益繁忙。不过，一旦飞机或船舶失事，寻找起来却很困难。

30多年前，苏联先后发射两颗救援卫星，建立了“失事船舶、飞机的空间搜索系统”，其缩写音译为“科斯帕斯”。美国也先后发射两颗救援卫星，与加拿大、法国共同建立了“搜索与救援卫星追踪系统”，其缩写音译为“萨尔萨特”。这两个系统可以独立工作，并且由于技术参数完全一致，也可以形成一个统一的“科斯帕斯-萨尔萨特系统”。

如今，救援卫星已在许多国家升空。

搜救原理

卫星搜索和救援系统的工作原理并不复杂。在船舶、飞机上设置专用的无线电报警发射机，其频率为国际上统一规定的406兆赫，救援卫星上也设置406 兆赫的无线电接收机。飞机、船舶临失事时，将报警发射机打开，它会不断发出失事信号。

飞经该发射机上空的救援卫星接收到报警信号后，立即用1 544.5 兆赫的频率将失事者的相对坐标通知给最近的地面情报接收站。地面情报接收站再把情报转发给“科斯帕斯-萨尔萨特系统”的地面中心站，由地面中心站向出事地区的救援组织发出救援通知。

怎样确定失事地点

救援卫星在距地面850 ～1 000 千米的近乎圆形轨道上运行。在此高度上，可以接收来自直径约5 000 千米的地区的报警信号。怎样在如此广阔的地区内精确确定失事地点，从而使地面救援人员迅速找到失事者？

“科斯帕斯-萨尔萨特系统”利用多普勒效应测定失事地点。

为了理解这种定位方法，我们需先设想两条线段。第一条为救援卫星的飞行轨道在地面的投影，可称其为线段AB。第二条为从报警发射机所在位置引向线段AB 的垂线，可称其为线段CD。很明显，当救援卫星向线段CD 飞行时，其实就是向报警发射机的所在位置飞行。

根据多普勒效应，救援卫星、报警发射机在速度和方向上有相对运动，救援卫星接收到的信号频率与报警发射机发出的信号频率是不同的。当救援卫星向报警发射机飞行时，它接收到的信号频率会升高；当它飞越报警发射机的所在位置后，接收到的信号频率便会降低；当它正好飞临报警发射机上空时（即在线段CD 上，我们把这个点定为O点），接收到的信号频率正好是报警发射机发出的信号频率，即406 兆赫。这样，根据多普勒效应的变化就可以确定线段CD 的具体位置，从而确定报警发射机的一个坐标。而根据频率的变化情况可以求出报警发射机的另一个坐标，即它与O 点之间的距离。

图1 卫星救援系统工作示意图

如果报警发射机的位置距O 点很远，那么救援卫星接近它的速度便会很慢。报警发射机的位置距离救援卫星的飞行轨道越近，卫星接近它的速度就会越快，接收到的信号频率也就越高。连续测出频率的多普勒效应变化，并对其变化特性加以分析，就可以准确地确定报警发射机在线段CD 上与O点之间的距离，这样就能找到报警发射机的第二个坐标，即失事地点。

难以捕捉的微弱信号

救援卫星接收到的由报警发射机发出的信号非常微弱，相当于宇宙飞船从火星或金星附近发回地面的信号大小。要接收如此微弱的信号是很困难的，整个接收、测量和计算系统不能漏掉信号中的任何一段，也不能因偶然的干扰而使信号严重失真。

报警发射机由自动装置控制，间歇工作：发射信号0.5 秒，间歇50 秒。这种信号短、间歇长的工作方式有两大优点。首先是节约能源，能使电池寿命延长，其次是救援卫星可在同一时间内接收数台发射机发来的信号。一般是此发彼停，即使碰巧两台发射机发出信号的时间完全重合，救援卫星也会自动接通另一接收通道，不会丢失任何一个失事信号。

报警发射机发出的每个信号虽然只有0.5 秒，却包含了丰富的信息。在前1/3 的时间里，信号中不包含失事信息，只发送未调谐的406 兆赫载波，卫星接收机对该频率调谐。在之后的2/3 时间里，信号中自动加入各种二进制编码信息，其中包括报警发射机在“科斯帕斯-萨尔萨特系统”中的登记编号、发射机拥有者（飞机或船舶）、国别、失事性质（火灾、负荷偏移、渗漏等）、失事时间、大致坐标及其他与工作有关的信息。