由马航客机失联反思卫星在航空器飞行监控中的应用

● 文|北京空间科技信息研究所 刘韬

由马航客机失联反思卫星在航空器飞行监控中的应用

● 文|北京空间科技信息研究所 刘韬

2014年3月8日凌晨，载有259名乘客的马来西亚MH370航班在从吉隆坡飞往北京途中失联。在接下来的搜寻行动中，美、欧、空间与重大灾害国际宪章（Charter）等国家及航天组织调用多类卫星资源，提供了包括可疑区域搜索、环境信息保障、无线通信信号采集和分析等一系列支持服务。

一、卫星在搜寻失联马航MH370客机中的应用情况

为及时了解民用航空器的运行状况，现代卫星已经能够提供无线信号采集、卫星搜寻与观测两类服务。在此次搜寻失联的马航MH370客机中，这两类服务均发挥了一定作用，但也暴露出两方面问题。在卫星通信方面，机载通信终端与通信卫星的配套服务价格昂贵、通信终端或服务没有普及应用；在卫星遥感方面，对小型不规则物体的搜寻、识别和确认，还存在比较大的难度。

1．无线通信信号采集服务

由于现代飞机均搭载能够发射飞行状态信息或遇险信号的信号发射机，因此，通过搭载对应的接收机，卫星就能够接收飞机发出的无线信号，甚至进行紧急通信。随后，地面人员通过分析卫星传回的数据就可以获得包括航空器发生状况时的位置、航向、速度等重要信息。

针对航空器上已普遍配备的应急示位发射机（ELT）和通信寻址报告系统（ACARS），国外已经发展出一些卫星应用系统。其中，应用最广的是全球卫星搜救系统（COSPAS/SARSAT），它主要利用星载载荷采集航空器ELT发射的无线信号；采集ACARS无线信号的应用系统也装配了多型航空器，但由于使用成本较高，大多未开启服务。此外，不少民航飞机还装配了付费服务的机载卫星电话或无线路由器，可以满足乘客的娱乐或办公需求。

在此次搜寻马航MH370客机中，卫星无线通信信号采集服务提供了到目前为止最有价值的救援信息，推断出了飞机失联后的航向，为最后寻获飞机点燃了希望。

（1）Inmarsat获取MH370的Ping应答信号

3月14日，国际移动卫星公司（Inmarsat）发布通告称曾收到MH370发出的“常规自动信号”，即“握手”（ping）应答信号。按照系统设计，部署在静止轨道的国际海事通信卫星每隔1小时对其覆盖区域广播一次ping信号，如果该区域有卫星终端存在，并已采购了国际海事卫星公司的通信服务，卫星和终端之间就可以借助ping信号建立通信链接。

在此次事件中，执飞MH370的波音777-200型飞机已装配了国际海事卫星通信终端，但由于马航并没有采购相关通信服务，卫星与飞机之间仅完成了ping信号的应答通信，运行在印度洋上空的Inmarsat-3F1卫星接收到了飞机发送的ping应答信号，但并没有建立通信链接。Inmarsat-3F1卫星共接收到5至6次ping应答信号，最后一次收到的时间是3月8日早8点11分，距离失联时间约7小时。尽管仅通过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MH370在失联后的约7个小时内，飞机还具备通信能力。

美、英等国进一步分析了Inmarsat-3F1卫星接收到的ping信号，结合飞机航程信息和多普勒效应，大致推算出卫星收到信号时的接收天线仰角，将失联客机最后一次发出ping信号的位置逐步定位在南线的一段圆弧上。由此MH370的搜救区域发生重大调整。

（2）国际海事卫星没有获取ACARS信号

飞机通信寻址报告系统（ACARS）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航线、速度和位置等100多种参数发送给地面，而在飞机系统发生故障后，该系统会立即发送数据。目前，ACARS是客机必须安装的系统。在ACARS地面接收装置覆盖的陆地空域飞行时，ACARS数据通过甚高频（VHF）通信频段从飞机发给地面接收站；在荒芜地区或海域飞行时，若ACARS选装了卫星通信装置，并开通了国际海事通信卫星的“航空H”服务（Aero H），ACARS报文数据就可通过卫星中继后发给地面。需要说明的是，国际海事卫星公司的Aero H服务费用昂贵，达8美元/分钟，因此一般的发展中国家难以承受，马航的波音777-200型飞机虽然装配了卫星通信装置，但也没有订购该服务。因此，无论ACARS是否运行，国际海事卫星均无法获取马航MH370的ACARS数据。

（3）全球卫星搜救系统没有获取ELT信号

根据目前掌握的信息，在此次马航MH370失联事件中，全球卫星搜救系统（COSPAS/SARSAT）没有获取任何相关的飞机应急示位发射机（ELT）信号，具体原因不详。

COSPAS/SARSAT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3种形式，包括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48小时），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。

（4）美国电子侦察卫星可能获取MH370无线信号

根据全球在轨卫星运行信息，太平洋、印度洋上空运行着美国至少6颗电子侦察卫星，这些也可能接收到飞机发出的无线通信信号。与Inmarsat海事卫星相比，如果美国电子侦察卫星获取MH370的无线信号，可以实现比较准确的定位。因此，美国关于失联客机的运行轨迹可能掌握了更多的信息。

★ 以Inmarsat卫星数据推断飞机的可能位置

2.卫星搜寻与观测服务

当飞机遇险后，各类遥感卫星能够利用不同遥感器对航空器发生状况的可疑区域进行观测和搜索，并及时提供各类环境信息，为准确定位事故地点、快速评估事故程度提供支持。

在此次事件中，美国、欧洲、中国等国家或组织调动了数十颗在轨的遥感卫星，对可疑区域进行了观测。虽然这些卫星多次发现了可疑目标，但均未获得可靠的证据。暴露出卫星及时响应能力不足、小型不规则目标识别能力弱、与海空搜寻手段结合不够紧密等问题。

（1）美、法多颗高分辨率光学成像卫星发现疑似漂浮物

3月19日，澳大利亚海事局公布美国数字全球公司（DigitalGlobe）世界观测-2（WorldView-2）卫星于3月16日拍摄的卫星图像，这些图像显示澳大利亚珀斯市以西约2000km外海面有约24m长的疑似漂浮物。3月26日，欧洲空中客车与防务公司宣布卫星发现122个疑似漂浮物，但后被证实为停歇在海面漂浮物上的海鸟。

同时，拥有5颗世界最先进低轨商用高分辨率光学成像卫星的DigitalGlobe公司于3月11日向公众开放了“众包”（Tomnod）平台，志愿者可以通过该公司的5颗卫星提供的高分辨率图像，在电脑上协助排查MH370航班的可能失事地点。

卫星虽然获取了一些线索，但经现场搜索证实，发现的疑似物体均与马航MH370无关。

在一定程度上表明，当前能够获取的遥感卫星图像，对于小型不规则物体的识别能力有限，自动识别难度大，人工判读和现场查证不可缺少。

（2）中国利用国内外多颗卫星发现疑似漂浮物

事件发生后，中国在第一时间紧急利用国内外多颗卫星或卫星图像为搜救行动提供支持，包括中国高分、海洋、风云和遥感等4个型号的多颗卫星，以及美国发布的Landsat-8卫星图像。

其中，中国的高分一号卫星在3月9日上午11点左右获取一系列图像。中国科学院遥感与数字地球研究所科研人员利用3月8日和3月10日的美国Landsat-8卫星数据，在马航客机失联可能区域发现3处油迹带，并迅速将分析结果报送国家相关部门。上述两个事件中，卫星虽然作出了及时响应，但事后经现场搜索发现，疑似物体与马航MH370无关。

截至目前，中国的多颗卫星仍在关注可疑目标海域，与其他海空搜寻手段共同执行搜寻任务。

（3）美、欧环境探测卫星为搜索救援提供气象海洋环境数据

此次事件中，美国每日发布海洋水色数据的遥感器数据源包括Terra和Aqua卫星搭载的MODIS、宝瓶座（Aquarius）、可见光红外成像仪辐射计套件（VIIRS）和国际空间站搭载的海岸带高光谱成像仪（HICO）。这些卫星或载荷能够快速实时地发现搜救地区的气象条件是否适于搜索行动的开展。同时，利用这些卫星，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。

二、国外正在积极发展新型航空系统卫星应用技术

1．无线通信信号采集服务

（1）美、欧积极发展广播式自动相关监视（ADS-B）系统

广播式自动相关监视（ADS-B）是国际民航组织确定的未来主要监视技术。ADS-B技术将卫星导航、通信技术、机载设备以及地面设备等先进技术相结合，提供了更加安全、高效的空中交通监视手段，能有效提高管制员和飞行员的运行态势感知能力，扩大监视覆盖范围，提高空中交通安全水平、空域容量与运行效率。

ADS-B系统可以扩展至空地、空空、空天等多种传输链路，ADS-B基于机载设备获取的实时GPS定位信号，能够将飞机位置、高度、速度等数据信息每秒钟对外广播一次。欧洲计划自2015年起要求在欧洲空域飞行的飞机安装ADS-B系统，美国计划至2020年，所有在美国空域飞行的飞机都必须安装ADS-B系统。

自澳洲和美国成功应用空地ADS-B监视系统后，尤其在2009年法航空难后，国外开始将目光放在ADS-B系统的天基应用上，以实现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，比如对在海洋区域或极地飞行的飞机进行监视。天基ADS-B系统的实现方式是卫星搭载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。天基ADS-B飞行监视技术能够突破地理条件的限制，极大地提高航空监视的连续性。

目前，美国、欧洲均启动了利用低轨卫星星座发展天基ADS-B监视系统的研制工作。

●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。运行在820km轨道高度的Proba-V携带了德国航天局（DLR）研制的ADS-B接收中继载荷。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，Proba-V携带的试验性接收机仍然能够在2小时内接收到12000个ADS-B数据。

2013年10月，DLR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TRITON的微卫星平台，对天基ADS-B接收系统进行进一步技术验证，以此推进天基ADS-B的业务化发展。

●美国计划在下一代低轨通信卫星上全面部署ADS-B系统

目前，美国有两家公司正在实施这方面的计划，包括Harris公司和ADS-B技术公司。其中，Harris公司选择与铱星公司（Iridium）合作，ADS-B技术公司选择与全球星（Globalstar）公司合作。从目前发展来看，Harris公司的产品有望最先部署。

Harris公司与铱星公司在2011年提出了发展计划，考虑在下一代铱星星座上安装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Harris公司研制的1090ES型ADS-B接收机，预计从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。

ADS-B技术公司在2012年完成了ADS-B链路增强系统（ALAS）的技术可行性验证试验，该试验利用两架飞机，在阿拉斯加州的一座高度1200多米的深山中完成。以该系统的性能计算，一颗低轨“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系统的具体计划。

（2）中国已规划ADS-B地基监视系统，尚未规划天基监视系统

中国民用航空局于2012年11月发布了《中国民用航空ADS-B实施规划》。中国民航ADS-B机载设备采用1090兆赫扩展电文（1090ES）数据链，遵循亚太区航行规划和实施小组（APANPIRG）要求的广播式自动相关地空监视（ADS-B OUT）机载设备的技术标准。主要技术标准包括航空无线电委员会的RTCA DO-260B和中国民航发布的 AC-91-FS/AA-2010-14。中国2017年全部飞机完成机载ADS-B地空监视系统加改装。根据国际ADS-B技术应用趋势，ADS-B机载设备最终将逐步加装空空监视功能（ADS-B IN）。

★ 搭载ADS-B系统的全球星示意图

在北斗卫星导航系统满足ADS-B运行要求后，研制并加装兼容北斗和其他卫星导航系统的ADS-B机载设备。但是，该规划除了ADS-B系统必须搭配使用的导航卫星外，并未规划天基ADS-B监视系统。

2.卫星搜寻与观测服务

（1）静止轨道高分辨率成像卫星，将增强区域持续监视能力

美、欧目前正在大力发展静止轨道（GEO）高分辨率光学成像卫星，这类卫星投入应用后，将在卫星搜寻与观测服务方面具有较大应用潜力。

根据轨道动力学原理，低轨卫星，包括性能十分先进的低轨高分辨率敏捷型成像卫星，无法不间断地对一个区域进行连续搜索监视。为解决上述问题，美、欧高度重视GEO高分辨率成像卫星的发展。GEO卫星理论上可覆盖全球近1/3的面积，能快速对关注区域进行成像响应服务。比如，欧洲正在论证的3m分辨率GEO光学成像卫星将可以在15分钟内搜索1500km的目标区域。除欧洲外，美国也正在积极攻关1m分辨率静止轨道衍射光学成像卫星技术，其能力将更为强大。我国和印度也都在研制数十米分辨率的GEO光学成像卫星。

（2）低轨对地成像微纳卫星星座，将提升全球快速重访能力

低轨全球成像星座也是近年来的发展热点。美国天空盒子成像公司（Skybox Imaging）和行星实验室都已于2013年开启了低轨成像微纳卫星星座的序幕。尤其是Skybox公司将要组建的由24颗Skysat卫星组成的微卫星星座，具有1m空间分辨率、每天8次重访的时间分辨率，并且可以拍摄每秒30帧、长度90s的高清视频，对动态目标监视的能力大幅提升，在卫星搜寻与观测服务方面也具有较大的应用潜力。

3.未来在航空器运行监控中的卫星应用展望

预计到2020年，在民航飞机运行管理和监视方面，将完成从以地基为主到地基、天基结合的转变，荒芜地区和远海地区飞机的实时监视能力有望得以实现。一方面，在通信卫星方面，搭载ADS-B接收中继载荷的美国下一代低轨通信卫星星座和欧洲新型低轨微小卫星星座将实现业务化运行，可以近实时采集各类民用航空器的运行状态数据。另一方面，在对地观测卫星方面，美、欧米级分辨率静止轨道光学成像卫星和美国低轨亚米级分辨率光学成像卫星星座将实现业务化运行，全球的快速重访覆盖能力将大幅增强，目标识别能力也将大幅提升。

同时，由于吸取MH370等航空事件的教训，机载航电系统也将有望获得改进。一方面，黑匣子将可以利用通信链路，将关键的飞行记录数据实时或近实时的传给地面空管；另一方面，应答机、ADS-B设备、ACARS通信系统等关键的机载通信设备将实现高可靠的自动化控制，可以在紧急时刻自动报警，并无法人为关闭。

展望2020年以至更远的未来，若某航班在海域飞行时出现失联，通信卫星将能够通过ADS-B载荷及时获得失联时飞机的位置、高度、速度等关键信息，通过这些信息，空管可立即锁定出事区域。静止轨道高分辨率光学成像卫星随后可以立即响应，在白天持续锁定出事海域，实时掌握坠海飞机的态势或碎片的漂浮情况，低轨高分辨率光学成像卫星与静止轨道高分辨率光学成像卫星紧密配合，对疑似目标进行初步确认。再辅以低轨高分辨率雷达卫星，掌握夜间情况。在这些系统的强大支援下，地面应急响应机构可以立即启动搜救行动，出动飞机和舰船，对目标就行确认并实施救援。

三、启示与建议

在当前世界和平发展的整体形势下，平时的重大应急救援行动已成为检验一个国家综合国力强大与否的重要标尺，堪称为和平时期的“作战行动”。卫星作为现代世界有影响力国家的必备重器，其在重大应急救援行动中发挥的作用强弱，也成为衡量一个国家的卫星在具体领域应用能力高低的重要标志，是和平时期的能力检验与演习。

在此次马航失联事件中，卫星应用既拥有值得称道的经验，也有值得深思的教训。综合以上分析研究，我们认为，以下几个思考值得后续深入探讨。

第一，针对卫星对偏远地区或远海等区域的独特观测优势，进一步将卫星融入日常的应急响应系统体系，与传统的空地海监测系统组成全维立体的应急响应体系。

在此次事件中，卫星充分发挥了可以不受天时、气候、复杂地理环境影响的优势，为救援行动提供了很多有价值的线索，进一步说明卫星了在未来的国家信息体系建设中非常重要。但另一方面，卫星数据和其他观测手段、搜索救援行动的协同行动方面还存在着脱节，造成卫星数据往往需要数天后才能获得其他系统的验证。这说明，卫星信息在应用流程和数据处理方面还需要进一步改进，需要以更及时的响应速度更紧密地嵌入到国家应急信息体系中，与其他观测手段、行动手段形成无缝的高度协调一致的立体化综合信息体系。可以考虑：

● 发展更适于业务应用的卫星系统，比如静止轨道高分对地观测卫星、低轨高分微纳卫星星座、面向航空应用的专用卫星系统或载荷；

● 发展性能稳定、经济易承受的卫星通信引接系统，并考虑与卫星现有ACARS系统或者ELT系统集成。

第二，针对时效性要求较高的救援行动，卫星系统能力还有待进一步提升，存在“看不见”、“认不出”或“认不准”的情况。

在此次事件中，多国动用了不同的卫星系统，但观测结果不尽一致。这说明不同国家的卫星观测都存在一定程度的盲点，即观测发现能力还存在不足。其原因主要在于卫星数量不够或者实时性覆盖不够。同时，观测数据的地面处理能力还需要进一步提升。如何能在获取的海量数据中挖掘、识别出有效目标，如何去伪存真，进行有效的信息判读，还都存在诸多需要解决的问题。如果这方面的能力可以大幅改进，不仅可以更快地推进救援行动，提高救援效率；还可以大幅减轻整个搜索救援体系的工作压力。可以考虑：

● 建设国家级和地区级、部门级卫星数据情报中心，建立各种专题地理信息数据库，形成标准化的存档产品；

● 利用存档数据，建立基于大数据的数据处理先验知识库，并发展基于统计模型的遥感数据识别算法和修正算法，提高海量数据中有效信息的挖掘能力。

第三，卫星应用相比卫星系统的发展，还存在不协调和滞后的情况。

此次事件暴露出的主要问题之一，是针对民航系统的卫星应用还较少，还缺乏成熟应用。针对这个问题，美、欧、日等国已经开始着手发展一些手段，这些新的发展动向值得我们重视。一方面，需要结合我国的国家安全限制、地理环境要求、基础技术条件等情况，选择适合中国发展的民航卫星应用技术体制。另一方面，需要与民航部门加强沟通，并与相关的国际航空安全飞行机构进行联系，尝试开展合作论证，发展既具有国际兼容性，又符合中国需求的民航卫星应用系统。可以考虑：

●针对国外已发展和正在发展的系统技术，如ADS-B航班监视系统，开展比较权衡研究，分析不同技术的应用潜力；

● 在比较权衡的基础上，结合中国需求推进我国航空卫星应用系统的发展，并适时利用中国民用航空系统发展计划，进行飞行演示验证。

第四，考虑提出满足现代信息技术条件下的新型航空安全信息监控标准，并提出有必要发展的系统的方案计划。

从目前的航空安全信息监控来看，航空事故发生后，最重要的技术核实都要依赖于机载的黑匣子。但黑匣子的设计最初是源于几十年前的信息技术条件，在当前信息技术，尤其是网络技术高速发展的情况下，已存在着某种的技术滞后。因此，可以考虑以空天地海一体化的信息网络为基础，发展能充分利用这种通信网络的黑匣子系统技术，提出新的技术安全标准。尝试使黑匣子不仅能存储关键信息，还能通过卫星应用系统间歇发送关键信息。如果发展出此类系统，航空事故的分析和鉴定将获得极大帮助。可以考虑：

● 在对现有黑匣子信号处理和传输技术标准研究的基础上，尝试与权威部门合作，推动现代网络信息环境下的新型黑匣子信息技术标准体系研究，将天基信息链路引入航空安控系统；

● 发展能将黑匣子的主要信息进行天基数据传输的天基载荷、天基数据链、卫星应用系统。

天绘一号01卫星拍摄的亚马孙河热带雨林

成像日期：2013年8月14日

分 辨 率：2m

幅 宽：60km

图 像：2m全色与10m多光谱融合

中国天绘卫星中心 供图