海难和空难的“救援卫士”

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  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,救援衛星、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。
  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。
  能接收“黑匣子”发出的信号
  半个世纪来,飞机、船舶都使用一种俗称“黑匣子”的121.5兆赫失事发射机,它的功率很小,仅0.1瓦。黑匣子发出的信号中不附加任何信息,只是通过“吱吱”声向救援的飞机、直升机或船只报告自己的方位。救援卫星上也装有121.5兆赫接收机,以便搜索、救援失事飞机和船舶。
  救援卫星收到信号后仅放大,不加处理就向地面情报接收站转发。地面情报接收站对该频率的多普勒变化进行测量,算出发射机的相对坐标,确定失事地点。
  值得一提的是,在406兆赫的报警发射装置上也配有一台121.5兆赫的小功率发射机。它并非用于卫星搜索,而是便于救援人员在恶劣天气条件下或夜间根据救援卫星的指引,迅速搜索失事者。
  救援卫星的效能只有在船舶、飞机都装上406兆赫失事发射机后才能发挥得最充分。这是因为,卫星不存储121.5兆赫信号,随时接收、随时转发,如果当时卫星视野内没有地面情报接收站,一旦失事,情报便会无效。
  目前,全世界地面情报接收站的有效覆盖区域约占地球表面的1/4。如果接收的是406兆赫的信号,救援卫星便能将信息存储起来,到有地面站的空域再传送,失事信息就不至于被遗漏。
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