海难和空难的“救援卫士”——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
作者：吕传彬
来源：《发明与创新（中学生）》 2021年第1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。

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。