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黑匣子用GPS无法发送定位,为什么不用双向短报文的北斗?

2022-03-24 10:32:52 赵明灿 阅读:
在这两天整理有关东航MU5735失事航班黑匣子技术报道的过程中,EDN小编发现一个有意思的话题:为什么不在黑匣子上安装GPS发送器,只安装一个无线电发射器?本文我们就来聊聊它。

22日和23日,EDN网站上相继发表了“东航MU5735事故救援:无人机24小时驻空,为何一定要找到黑匣子?”和“东航失事客机MU5735航班一部黑匣子已找到!外部破损严重”两篇文章。TSUednc

据民航局航安办主任朱涛在23日晚的新闻发布会上的发言,被发现的第一部黑匣子外观破损严重,初步判定为驾驶舱语音记录器(Cockpit Voice Recorder),该黑匣子已被连夜送往北京的民航专业机构进行译码。接下来,调查人员将继续全力搜寻另一部飞行数据记录器(FDR),为还原整个事件经过提供更加全面的数据支持。TSUednc

具有信号发射功能的黑匣子,为何搜寻难度如此大?在寻找资料期间,EDN小编发现一个有意思的话题:为什么不在黑匣子上安装GPS发送器,只安装一个无线电发射器?今天我们就来聊聊它。TSUednc

GPS是怎样定位的?为什么没有GPS发射

首先,我们来看看GPS定位的原理。TSUednc

大家可能知道,GPS系统是采用三角定位法来实现定位的。所谓三角定位法,也即假设一测量目标点和两个已知坐标的参考点可形成一个三角形,借由计算这个三角形中参考边的长度,测量两个参考点与目标点所形成的角度,就可以找出目标点的距离和坐标。TSUednc

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知乎网友Raymond He就指出,当已知一点及距离,你只能画一个圆。所以,2颗卫星的时候,对一个物体定位,就是两个以卫星为圆心的圆。你会发现,已知两个点及距离的情况下,两个圆的交汇处有两个。因此,3颗卫星才能确定物体的位置,也就是经纬度。这就是三角定位法。也就是说,要判断地球上任何一点的确定位置,起码需要3颗卫星同时对你定位。TSUednc

另外补充一下,三角定位只能定出平面位置,如果要定出海拔高度,那么,最少需要4颗卫星。已知太空中环绕轨道的,一共是24颗卫星。12颗在正面,12颗反面。所以,你最多能搜索到12颗卫星。TSUednc

那么,为什么不在黑匣子上安装GPS发送器呢?TSUednc

针对这个问题,某网友指出,我们首先要弄清楚一点,就是手机只需要接收GPS信号,而黑匣子却要求发射位置信号。TSUednc

如前所述,手机定位依托于GPS系统和三角定位的三个角(三个基站)。“GPS系统多大功率,基站多大功率,你想过吗?”TSUednc

手机的GPS定位在荒郊野外都能用,但定位结果是给手机持有者看的,不是给GPS系统看的。GPS解码芯片只接收,不发送。三角定位时,靠的是手机与基站之间的GSM或3G信号,这个距离和GPS的适用范围比起来太小了!TSUednc

另外,黑匣子内配有水下定位器,至少可以使用30天,而且能在大约2英里(约合3.2公里)外探测到。而且黑匣子是持续发出信号,能连续发出30天,里面的电量肯定不少。TSUednc

(注:这里所说的水下定位器(水下定位信标,ULB)可能就是本文一开始所误以为的无线电发射器。这个信标的旁边有个触发器,只有遇水之后才能触发。这种信号不是电磁波,而是超声波,人耳是听不到的。TSUednc

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这种水下定位信标分为高频和低频高频段的水下定位信标可以发射频率为37500Hz的正弦波信号。这种信标一旦被触发,就会连续不断发射这种信号,直到黑匣子的电量消耗殆尽为止。一般情况下,电量可以保证水下定位信标工作一个月。TSUednc

一旦客机坠落到海底,最好要在30天内寻找到黑匣子,不然等电量消耗殆尽,黑匣子不再发射信号,那么找黑匣子就如同大海捞针了。TSUednc

因此,这位网友也同时提出一种解决方案:为什么不将黑匣子设计成被动接收信号的形式呢?TSUednc

飞机失事后,黑匣子即转为接收模式,再设计一套密码,只有搜救方知道(当然可以公布),搜救时就可以在飞机上用大功率设备,将信号散播到10公里甚至更远。TSUednc

在黑匣子接收到密码后,马上启动大功率,但是断续工作制的信号发生器,这样广播范围也可以更远(比如同样设计成10公里)。TSUednc

这样做的另一个好处是,更节省能量。可以设计一个开通和判断延迟,比如,收到信号后10秒之内启动信号发生器,发送持续时间很短,间隔10秒的经调制的脉冲波;信号源离开后(也就是没找到),但停止发送,进入功耗极低的接收机状态。这样的黑匣子,怎么想也能在野外扔个一两年被找到吧。TSUednc

另外,也有资料指出,黑匣子通过主动向卫星发送信号来显示其位置,这其实是没有意义的。TSUednc

首先,如果黑匣子可以与卫星进行双向通信,那么功率就必须非常大,耗电量会急剧增加,电池体积也会更大。黑匣子的结构稳定性会受到影响。TSUednc

此外,与其向卫星发送信号,不如提高功率,将信号发送到地面,而不是发送到卫星上,这样会更有效率。TSUednc

值得注意的是,现在民用客机上安装的黑匣子的标准是20世纪80年代制定的。这意味着在过去的40年里,黑匣子的变化非常小。顶多是记录了一些额外的参数。在硬件功能方面进展不大,特别是在定位系统方面。TSUednc

因此,新一代的黑盒子将有很大的改进空间。国家运输安全委员会已计划为黑匣子增加录像功能,这样就可以从黑匣子的驾驶舱内录制视频,但由于担心隐私问题,飞行员反对这样做。TSUednc

在数据存储方面,新一代的黑匣子可能不再需要了。它可以通过卫星直接向地面站传输飞行数据。这将使黑匣子信息与地面站实时同步。TSUednc

黑匣子改进动了欧美的蛋糕?

在“东航空难,132条生命能否再一次推动黑匣子联网?”一文中,作者认为,在互联网和通信技术如此发达的年代,黑匣子这种老掉牙的飞行数据收集和记录系统的存在,真是不可思议!如果黑匣子或者飞行数据全程联网,根本就没有必要在失事后费劲去找黑匣子。有些发生在复杂地貌的空难,根本就找不到黑匣子,以至于事故原因成了一笔糊涂账。黑匣子其实就是典型的垄断结果,目前全球最权威的空难事故调查机构共有3家,分别是美国国家交通安全委员会、法国民航安全调查分析局和德国联邦航空事故调查局。美国国家交通安全委员会是波音飞机事故调查权威,而法德两家机构是空客飞机事故调查权威。因为波音和空客垄断了航空市场,所以他们根本就没有动力改进这个系统。希望中国大飞机可以早日建立飞行全程数据联网系统,让每一架飞机在每一时刻的状态都在系统监控之中。跟波音这票生意相关的美国佬们,132条鲜活的生命,还不足以推动黑匣子联网么?!TSUednc

北斗双向通信 vs. GPS单向通信

我们知道,GPS系统是通过广播的方式发送信号,在这个过程中,只接收来自卫星的信号,并不接收用户机的信息。目前除了地面站和船载天线,人们是无法向卫星发送信号的,也就是说卫星不具备判别接收机位置的能力。TSUednc

相比这种单向通信,北斗导航则既能定位又能通信,是双向的定位系统。TSUednc

据报道,与其他四大全球定位系统相比,北斗至少可以数出5个全球唯一。TSUednc

北斗系统具有功能多、精度高、技术尖等优势,是全球唯一的通导遥及搜救一体化的卫星导航系统,全球唯一标准位置服务精度优于5米的卫星导航系统,全球唯一能提供两类区域星基增强服务的卫星导航系统,全球唯一全星座开通了星间通信和测距功能的卫星导航系统,以及全球唯一可同时提供全球短报文和中国周边大容量高并发短报文通信的卫星导航系统。TSUednc

北斗系统中轨卫星三个轨道面各有2颗确保全球域内能收到求救者上传UHF频段求救信号,然后下传给国际搜救中心,24颗中轨卫星都能接收国际搜救中心的搜救信号并通知求救者,同时可向求救者发送相关施救短报文。全球短报文通信可以用于搜救;导航定位+全球双向通信可以向呼救者快速通告救援安排;还有遥感应用,有主动式遥感,配备星载太空环境遥感和电离层异常遥感载荷;还可以利用被动式遥感,电磁波通过大气、海洋、陆地反射或漫反射遥感大气水汽、海洋河湖水位…TSUednc

因此,有网友指出:真该联网了,民航客机是公共交通工具,飞行数据不存在隐私问题。其实中国民航局可以自己提出要求,所有民航客货机,都必须加装中国标准的飞行参数转发器!“咱不动美、法、德的蛋糕,用自己的技术、标准和北斗系统淘汰黑匣子!”TSUednc

另有网友指出,这是非常重要的北斗应用场景!以后进入中国的外国航班,也可以逐步要求进入中国领空就必须开启。TSUednc

飞行状态数据可以持续上传,当发生紧急状况时,还可以将前面的语音信息也压缩上传。TSUednc

“不知道北斗系统的上传通道数据容量够不够?飞机飞行时远离地面干扰,又可以用大功率发射,信号强度是没问题的。”TSUednc

但也有网友指出:“黑匣子安装GPS只能单向接收,北斗可以双向报文,不过国外飞机制造公司估计不敢用…”TSUednc

总结

综上,黑匣子上之所以不安装GPS发射器,是因为GPS不支持双向通信。TSUednc

此外,即便黑匣子改为支持北斗通信,考虑到将数据传送到卫星上会产生大量功耗并占用大量带宽,实时传送数据和语音也不切实际,我们只能用它来做应急处理。TSUednc

最后,EDN小编也非常期待采用中国标准的飞行参数转发器的出现,就算国外不支持,但加装在我国自己的飞机上总归有利无害,不是吗?TSUednc

责编:Franklin
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  • 就忍不住注册来评论,GNSS无论是谁的卫星定位都不适合放在黑匣子里。。。
赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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