Международная система спутникового поиска и спасения «КОСПАС-САРСАТ»

Введение

Международная спутниковая поисково-спасательная инициатива

Международная программа Cospas Sarsat – это спутниковая поисково-спасательная (ПСС) инициатива. Она организована как договорная, некоммерческая, межправительственная, гуманитарная кооперация 45 стран и агентств (см. информационное поле). Программа предназначена для обнаружения и определения местоположения аварийных радиолокационных маяков, активированных людьми, воздушными судами или судами, терпящими бедствие, и передачи информации об этом сигналах тревоги органам, которые могут предпринять спасательные меры. Страны-участницы поддерживают распространение сигналов бедствия с использованием группировки из около 65 спутников, вращающихся вокруг Земли, оснащенных транспондерами и процессорами сигналов, способными определить местонахождение аварийного маяка в любой точке Земли, передающего на частоте Cospas Sarsat 406 МГц. Сигналы бедствия обнаруживаются, определяются по местоположению и передаются в более чем 200 стран и территорий бесплатно для владельцев маяков и принимающих государственных органов. Идея Cospas Sarsat возникла и была инициирована Канадой, Францией, Соединенными Штатами и бывшим Советским Союзом в 1979 году. Первая спасательная операция с использованием технологии Cospas Sarsat состоялась 10 сентября 1982 года. Окончательное соглашение об организации было подписано этими четырьмя государствами как «Стороны» соглашения 1 июля 1988 года. Термин Cospas Sarsat происходит от COSPAS (КОСПАС), аббревиатуры, образованной от транслитерации русского «Космическая Система Поиска Аварийных Судов» (латинский шрифт: "Cosmicheskaya Sistema Poiska Avariynyh Sudov"), что означает «Космическая система поиска судов, терпящих бедствие», и SARSAT, аббревиатуры от «Search And Rescue Satellite Aided Tracking» (Поиск и спасение с помощью спутниковой помощи).

Маяки

Сигнал бедствия Cospas Sarsat – это цифровой радиопередатчик на частоте 406 МГц, который может быть активирован в ситуации, угрожающей жизни, для вызова помощи от государственных органов. Маяки производятся и продаются десятками поставщиков. Они классифицируются на три основных типа. Маяк, предназначенный для использования на борту воздушного судна, известен как аварийный радиолокационный передатчик (ELT). Маяк, предназначенный для использования на борту морского судна, называется аварийным радиобуем (EPIRB). А маяк, предназначенный для индивидуального ношения, известен как персональный аварийный маяк (PLB). Иногда персональные аварийные маяки (PLB) используются на борту самолетов или судов, но соответствие этому требованиям безопасности зависит от местных нормативных актов. Ниже представлена информация о последних инновациях в области маяков.

Наземный сегмент

Спутники контролируются наземными станциями приема (LUT), оснащенными для отслеживания (наведения и сопровождения) спутников с помощью спутниковых антенн или фазированных антенных решеток. LUT устанавливаются отдельными национальными администрациями или ведомствами. Сигналы бедствия, принимаемые LUT, передаются в соответствующий центр управления полетами, который использует детальный набор компьютерных алгоритмов для маршрутизации сообщений в координационные центры поиска и спасения по всему миру.

ЛЕОЗАР

LEOSAR была оригинальной архитектурой космического сегмента системы Cospas-Sarsat. Дополнительные орбиты спутников LEOSAR обеспечивают периодическое покрытие всей Земли. Из-за относительно небольшой высоты (и, следовательно, относительно небольшого "радиуса видимости" любой конкретной части Земли в любой момент времени) существуют интервалы, когда спутник LEOSAR может не находиться над определенной географической точкой. Это может приводить к задержке в приеме сигнала бедствия и задержке в передаче этого сигнала на землю. По этой причине спутники LEOSAR оснащены модулями SARP с функцией "прием и пересылка" в дополнение к модулям SARR, работающим в "реальном времени". Спутник может пролететь над удаленной областью Земли, принять сообщение о бедствии, а затем переслать эти данные позже, когда окажется в зоне видимости наземной станции (которые обычно расположены в менее удаленных районах). Пять спутников в созвездии LEOSAR имеют орбиты продолжительностью около 100 минут. Благодаря полярным орбитам, время между пролетами спутников минимально на полюсах и высоких широтах. Система Cospas-Sarsat LEOSAR стала возможной благодаря доплеровской обработке. Устройства локального определения местоположения (LUT), принимающие сигналы бедствия, ретранслируемые спутниками LEOSAR, выполняют математические вычисления на основе доплеровского сдвига частоты, возникающего при прохождении спутника над маяком, передающим на фиксированной частоте. На основе этих вычислений можно определить как пеленг, так и дальность до спутника. Дальность и пеленг измеряются по скорости изменения принимаемой частоты, которая меняется в зависимости как от траектории спутника в пространстве, так и от вращения Земли. Это позволяет компьютерному алгоритму трилатерацией определить местоположение маяка. Более быстрое изменение принимаемой частоты указывает на то, что маяк находится ближе к траектории спутника. Когда маяк движется к траектории спутника или от нее из-за вращения Земли, доплеровский сдвиг, вызванный этим движением, также может быть использован в расчете.

LEOSAR was the original Cospas Sarsat space segment architecture. The complementary LEOSAR satellite orbits provide periodic coverage of the entire Earth. Because of their relatively low altitude (and therefore, relatively small "footprint" of visibility of any particular part of the Earth at any given time), there are intervals of time when a LEOSAR satellite may not be over a particular geographic location. So there can be a delay in receiving an alert signal, and a delay in relaying that signal to the ground. For this reason, LEOSAR satellites are equipped with the "store and forward" SARP modules in addition to "real time" SARR modules. The satellite can pass over a remote area of the Earth and receive a distress message, and then forward that data later when it passes into view of a ground station (that typically are located in less remote areas). The five satellites in the LEOSAR constellation have approximately 100 minute orbits. Because of their polar orbits the latency between satellite passes overhead is smallest at the poles and higher latitudes. The Cospas Sarsat LEOSAR system was made possible by Doppler processing. LUTs detecting distress signals relayed by LEOSAR satellites perform mathematical calculations based on the Doppler induced frequency shift received by the satellites as they pass over a beacon transmitting at a fixed frequency. From the mathematical calculations, it is possible to determine both bearing and range with respect to the satellite. The range and bearing are measured from the rate of change of the received frequency, which varies both according to the path of the satellite in space and the rotation of the Earth. This allows a computer algorithm to trilaterate the position of the beacon. A faster change in the received frequency indicates that the beacon is closer to the satellite's ground track. When the beacon is moving toward or away from the satellite track due to the Earth's rotation, the Doppler shift induced by that motion also can be used in the calculation.

ГЕОЗАР

Поскольку их геостационарная орбита не обеспечивает относительного движения между аварийным маяком и спутником GEOSAR, отсутствует возможность использования эффекта Доплера для определения местоположения маяка. Поэтому спутники GEOSAR могут только ретранслировать сигнал бедствия маяка. Если маяк оснащен функцией передачи данных о своем местоположении (например, с помощью бордового GPS-приемника), то эти данные передаются службам поиска и спасения. Хотя невозможность самостоятельного определения местоположения маяка является недостатком спутников GEOSAR, они обладают преимуществом в виде хорошего покрытия всей Земли в реальном времени существующей группировкой, за исключением полярных областей.

МЕОСАР

Самым последним дополнением к космическому сегменту Cospas Sarsat является MEOSAR. MEOSAR сочетает в себе преимущества систем LEOSAR и GEOSAR, избегая при этом их недостатков. Система MEOSAR становится основной возможностью Cospas Sarsat. Помимо большого количества спутников, система MEOSAR выигрывает от относительно большой площади покрытия спутниками и достаточного движения спутников относительно точки на земле, что позволяет использовать измерения эффекта Доплера при расчете местоположения аварийного маяка. MEOSAR состоит из транспондеров SARR, установленных на борту следующих навигационных спутниковых группировок: Galileo (Европейский Союз), ГЛОНАСС (Россия) и Глобальная система позиционирования (GPS) (США). В ноябре 2022 года Китай стал новым поставщиком космического сегмента MEOSAR, предоставив полезную нагрузку Cospas Sarsat SAR на борту шести своих навигационных космических аппаратов BeiDou (BDS). Первый космический аппарат BDS с оборудованием SAR был запущен 19 сентября 2018 года, а последний – 23 ноября 2019 года. Оперативное распространение данных аварийных сигналов MEOSAR началось 13 декабря 2016 года в 13:00 UTC. После проведения дополнительных испытаний и корректировок, Совет Cospas Sarsat объявил о достижении начальной оперативной готовности (IOC), вступившей в силу 25 апреля 2023 года. Система MEOSAR повышает возможности по обеспечению почти мгновенного обнаружения, идентификации и определения местоположения маяков частоты 406 МГц. До ввода MEOSAR в эксплуатацию данные MEOSAR успешно использовались для определения места крушения рейса EgyptAir 804 в Средиземном море. Местоположение аварийного маяка рассчитывается принимающей станцией LUT путем анализа разницы частот приема сигнала (связанной с изменениями, вызванными эффектом Доплера) и/или разницы времени приема радиосигнала маяка из-за разницы в расстоянии между маяком и каждым спутником MEOSAR, находящимся в зоне видимости. Что касается полезной нагрузки, размещенной на GPS, то экспериментальные полезные нагрузки S-диапазона на борту 18 спутников GPS Block IIR и GPS Block IIF, а также четыре полезные нагрузки на борту спутников GPS Block IIIA используются в оперативной работе системой Cospas Sarsat. Планируется, что спутники GPS Block IIIF будут оснащены выделенными, операционными полезными нагрузками SAR в L-диапазоне, предоставленными Канадой, запуски которых начнутся примерно в 2026 году. Система GPS SAR известна как Система предупреждения о бедствии (DASS) в NASA. Кроме того, компонент Galileo системы MEOSAR способен передавать информацию обратно на аварийный радиомаяк, кодируя сообщения "Службы обратной связи" в поток навигационных данных Galileo. Это может быть использовано для активации индикатора на маяке, подтверждающего получение сообщения о бедствии.

The most recent space segment augmentation for Cospas Sarsat is MEOSAR. MEOSAR blends the advantages of the LEOSAR and GEOSAR systems, while avoiding their drawbacks. The MEOSAR system is becoming the dominant capability of Cospas Sarsat. In addition to the large number of satellites, the MEOSAR system benefits from relatively large satellite footprints and sufficient satellite motion relative to a point on the ground to allow the use of Doppler measurements as part of the method of calculating a distress beacon's location. MEOSAR consists of SARR transponders aboard the following navigation satellite constellations: the European Union's Galileo, Russia's Glonass, and the United States' Global Positioning System (GPS). In November 2022, China became the newest MEOSAR space segment provider, with Cospas Sarsat SAR payloads aboard six of its BeiDou (BDS) navigation spacecraft. The first SAR equipped BDS spacecraft was launched on 19 September 2018, and the last on 23 November 2019. Operational distribution of MEOSAR alert data began at 1300 UTC on 13 December 2016. Following continued testing and adjustment, a declaration of initial operational capability (IOC) was made by the Cospas Sarsat Council effective from 25 April 2023. The MEOSAR system advances the ability to provide near instantaneous detection, identification, and location determination of 406 MHz beacons. Prior to the operational introduction of MEOSAR, MEOSAR data was successfully used to assist in determining the crash location of EgyptAir flight 804 in the Mediterranean Sea. The location of a distress beacon is calculated by the receiving LUT by analyzing the frequency difference of arrival (related to Doppler induced variations), and/or the time difference of arrival of a beacon's radio signal due to the differences in distance between the beacon and each MEOSAR satellite that may be in view. With respect to GPS hosted payloads, experimental S band payloads aboard 18 GPS Block IIR and GPS Block IIF satellites, and four payloads aboard GPS Block IIIA satellites are used operationally by the Cospas Sarsat System. GPS Block IIIF satellites are planned to have dedicated, operational L band SAR payloads provided by Canada, with launches beginning around 2026. The GPS SAR system is known as the Distress Alerting Satellite System (DASS) by NASA. Additionally, the Galileo component of the MEOSAR system is able to download information back to the distress radio beacon by encoding "Return Link Service" messages into the Galileo navigation data stream. It can be used to activate an indicator on the beacon to confirm receipt of the distress message.

Наземный сегмент

По состоянию на декабрь 2022 года спутники LEOSAR отслеживаются и контролируются 55 действующими антеннами LEOLUT (терминалы местных пользователей на низкой околоземной орбите), спутники GEOSAR – 27 действующими антеннами GEOLUT, а спутники MEOSAR – 26 действующими станциями MEOLUT, каждая из которых оснащена несколькими антеннами. Данные с этих земных станций передаются и распространяются 32 МКЦ (центрами управления миссиями), расположенными по всему миру, 14 из которых уполномочены обрабатывать данные от всех трех типов созвездий. (См. информационное поле для списка стран и организаций, предоставляющих наземный сегмент.)

Современные технологии Beacon

Большинство совместимых с Cospas Sarsat 406 МГц маяков также передают сигналы бедствия или отслеживания на дополнительных частотах. Чаще всего маяки Cospas Sarsat оснащены передатчиком на частоте 121,5 МГц, обеспечивающим сигнал, который могут принимать местные поисково-спасательные группы (авиационные, наземные или морские) с помощью оборудования для пеленгации. Кроме того, новейшие EPIRB включают в себя автоматическую идентификационную систему (AIS) в морском VHF-диапазоне, позволяющую легко отслеживать маяк с близлежащих судов. Недавние модели PLB, предназначенные для крепления к спасательным жилетам, передают сигнал AIS, функционируя как система обнаружения людей, упавших за борт (MOB), которая активирует аварийные сигналы на близлежащих судах и позволяет отслеживать маяк судам, оснащенным соответствующим оборудованием. Маяки, сочетающие в себе такие сигналы, обеспечивают одновременно глобальное оповещение через передачу на частоте 406 МГц спутникам и максимально быстрый местный ответ посредством сигналов 121,5 МГц и AIS (особенно в морской среде с близлежащих судов). В ответ на недавние катастрофы в коммерческой авиации и последовавшие за этим требования ИКАО об автономном отслеживании воздушных судов, терпящих бедствие, Cospas Sarsat разработал спецификации для ELT для отслеживания бедствия (ELT(DT)), соответствующие требованиям ИКАО (измененное Приложение 6, Часть I Конвенции о международном гражданском авиационном сообщении). В то время как традиционные ELT активируются при ударе или вручную летным экипажем, ELT(DT) активируются автономно при входе воздушного судна в опасные режимы полета, предварительно определенные экспертными организациями. Таким образом, ELT(DT) позволяют отслеживать самолет, терпящий бедствие, в полете, до возможного крушения, без участия человека на борту. Спецификации ELT(DT) предусматривают использование как существующего метода передачи маяков (узкополосный BPSK), так и схем модуляции второго поколения (расширенный спектр QPSK) (см. раздел «Технологии передачи» ниже). Возможность Cospas Sarsat принимать и обрабатывать сообщения бедствия от ELT(DT) с использованием узкополосного метода передачи BPSK была объявлена оперативной с 1 января 2023 года. В октябре 2023 года была объявлена возможность приема и обработки сообщений бедствия от ELT(DT) с использованием метода модуляции QPSK распределенного спектра, вступившая в силу 1 января 2024 года.

Most Cospas Sarsat compatible 406 MHz beacons also transmit distress or tracking signals on additional frequencies. Most commonly, Cospas Sarsat beacons have a 121.5 MHz transmitter to provide a signal that can be received by local search crews (airborne, on ground or at sea) using direction finding equipment. Additionally, the latest EPIRBs include an automatic identification system (AIS) transmitter in the marine VHF band that allows the beacon to be easily tracked from nearby vessels. Recent PLB models designed for attachment to marine life vests transmit an AIS signal to act as a maritime survivor locating system, also known as a man overboard (MOB) system, that activates alarms on nearby vessels and allows the beacon to be tracked by properly equipped vessels. Beacons with such combinations of signals simultaneously allow for global alerting through the 406 MHz transmission to satellites and the swiftest local response from the 121.5 MHz and AIS transmissions (particularly in the maritime environment by nearby vessels). In response to recent commercial aviation disasters and subsequent ICAO requirements for autonomous tracking of aircraft in distress, Cospas Sarsat established specifications for ELTs for distress tracking (ELT(DT)s) to meet the ICAO requirements (amended Annex 6, Part I of the Convention on International Civil Aviation). Whereas conventional ELTs are designed to activate on impact or by manual activation by the flight crew, ELT(DT)s activate autonomously when an aircraft enters threatening flight configurations that have been predetermined by expert agencies. In this way, ELT(DT)s allow a plane in distress to be tracked in flight, prior to any crash, without human intervention aboard the aircraft. ELT(DT)s have been specified using both the existing beacon transmission method (narrowband BPSK) and the second generation (spread spectrum QPSK) modulation schemes (see transmission technologies below). Cospas Sarsat capability for receiving and processing distress messages from ELT(DT)s using the narrowband BPSK transmission method was declared operational effective 1 January 2023. In October 2023 capability for receiving and processing distress messages from ELT(DT)s using the spread spectrum QPSK modulation method was declared with an effective date of 1 January 2024.

Технологии передачи сигналов

С момента своего создания более 30 лет назад цифровые маяки Cospas Sarsat 406 МГц используют один метод модуляции передачи – фазовую манипуляцию (BPSK), с двумя допустимыми длинами битовых строк: 112 (с 87 битами информации о сообщении) и 144 (с 119 битами информации о сообщении). В доступной битовой строке сообщения допускается несколько протоколов сообщений для поддержки различных типов маяков (ELT, EPIRB и PLB), различных идентификаторов судов/самолетов и различных национальных требований. Продолжительность этих передач составляет примерно полсекунды. Эти узкополосные передачи занимают около 3 кГц полосы пропускания в рамках канализованной схемы в выделенной полосе 406,0–406,1 МГц. Недавно Cospas Sarsat определил новую дополнительную модуляцию маяка и схему сообщений, основанную на технологии расширенного спектра с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK). Маяки, использующие эту схему, в настоящее время называются маяками «второго поколения». Это позволяет использовать передачу с пониженной мощностью для экономии заряда батареи, повышает точность определения местоположения маяка системой Cospas Sarsat и устраняет необходимость в дискретном разграничении каналов в выделенной полосе 406,0–406,1 МГц (например, избавляет от необходимости периодического закрытия и открытия каналов Cospas Sarsat для использования производителями маяков на основе узкополосной загрузки каналов). Маяки второго поколения имеют более длительный период передачи – одну секунду, с 250 передаваемыми битами, из которых 202 – биты сообщения. Кроме того, информация, передаваемая в битах сообщения от одной передачи к другой, может изменяться по циклическому графику («вращающиеся поля сообщений»), что позволяет передавать значительно больше информации в течение серии передач. Внедрение этой технологии в ELT(DT) может начаться в январе 2024 года. Ожидается, что Cospas Sarsat будет готов к внедрению технологии в других типах маяков позднее в 2024 году.

Концепция и демонстрация

В начале 1970-х годов группа космических систем Исследовательского центра связи Канады (CRC) начала изучать возможность обнаружения и определения местоположения аварийного радиобуя (ELT) из космоса. Они пришли к выводу, что это можно осуществить, используя эффект Доплера сигнала ELT, принимаемого на борту орбитального спутника. CRC обратился к AMSAT и получил разрешение на использование любительского спутника OSCAR, посредством которого был обнаружен ELT, модифицированный для работы на восходящей частоте спутника. NASA связалось с CRC в связи с достигнутым успехом, а Соединенные Штаты впоследствии согласились на совместный проект.

Первая правовая база

23 ноября 1979 года в Ленинграде, СССР, был подписан "меморандум о взаимопонимании относительно сотрудничества в совместном экспериментальном спутниковом поисково-спасательном проекте" между Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США, Министерством морского флота СССР, Национальным центром космических исследований Франции и Департаментом связи Канады. В соответствии со статьей 3 меморандума было указано следующее:

"Сотрудничество будет осуществляться посредством обеспечения взаимодействия между проектом SARSAT и проектом COSPAS на частотах 121,5 МГц, 243 МГц и в диапазоне 406,0–406,1 МГц, а также проведения испытаний, обмена результатами испытаний и подготовки совместного отчета. Целью данного сотрудничества является демонстрация того, что оборудование, установленное на спутниках, находящихся на низкой околополярной орбите, может способствовать обнаружению и определению местоположения сигналов бедствия путем ретрансляции информации с терпящих бедствие воздушных судов и кораблей на наземные станции, где обработка информации завершается и передается в спасательные службы." "Этот совместный проект позволит участникам разработать рекомендации относительно дальнейшего глобального применения."

Разработка

Первый спутник системы "COSPAS 1" (Космос 1383) был запущен с космодрома Плесецк 29 июня 1982 года. Cospas Sarsat начал отслеживать два первоначальных типа сигналов бедствия – EPIRB и ELT – в сентябре 1982 года. 9 сентября, в ходе проверки работы спутника, COSPAS 1 обнаружил сигнал ELT в Британской Колумбии и передал информацию на тогдашнюю экспериментальную наземную станцию в Defence Research Establishment Ottawa (DREO). Канадские специалисты вычислили местоположение небольшого самолета, отклонившегося от курса, и в течение нескольких часов выжившие были спасены с помощью авиации. Это были первые люди, спасенные с помощью системы Cospas Sarsat, и власти сочли, что пилот Джонатан Зигельхайм, вероятно, скончался бы от полученных травм, если бы не оперативное спасение, ставшее возможным благодаря спутниковому обнаружению. Персональные локационные маяки (PLB) предназначены для использования людьми, которые не могут связаться со службами экстренной помощи по обычным телефонным линиям, таким как 112 или 911. Как правило, PLB используются людьми, занимающимися активным отдыхом в отдаленных районах, а также пилотами небольших самолетов и моряками в качестве дополнения (или, при разрешении, замены) ELT или EPIRB. Конструкция сигнальных маяков в целом значительно эволюционировала с 1982 года. Новейшие маяки частоты 406 МГц часто оснащаются приемниками глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), таких как GPS. Эти маяки определяют свое местоположение с помощью встроенного GNSS-приемника (или подключения к внешнему источнику навигации) и передают в сообщении о бедствии высокоточные данные о координатах. Это предоставляет Cospas Sarsat второй способ определения местоположения источника бедствия, в дополнение к расчетам, выполняемым локальными терминальными устройствами (LUT) Cospas Sarsat. Сигналы бедствия, принимаемые спутниками, и информация о местоположении маяка, содержащаяся в сообщении и/или вычисленная на основе сигнала бедствия, почти мгновенно передаются службам поисково-спасательных операций (SAR) через обширную международную сеть распространения данных Cospas Sarsat. Эта двухступенчатая надежность и глобальный охват системы вдохновили современный девиз служб SAR: "Исключить 'поиск' из поисково-спасательных операций".

The first system satellite, "COSPAS 1" (Kosmos 1383), was launched from Plesetsk Cosmodrome on June 29, 1982. Cospas Sarsat began tracking the two original types of distress beacons, EPIRBs and ELTs, in September 1982. While the satellite's operation was being verified on September 9, COSPAS 1 detected an ELT signal in British Columbia and relayed the information to a then experimental ground station at Defence Research Establishment Ottawa (DREO). The Canadians calculated the position of the small aircraft, which was off course, and within hours the crash survivors were rescued via airlift. These were the first persons rescued with the assistance of Cospas Sarsat, and authorities judged that pilot Jonathan Ziegelheim would likely have died of his injuries if not for the swift rescue made possible by satellite detection. for use by individuals who cannot contact emergency services through normal telephone originated services, such as 1 1 2 or 9 1 1. Typically PLBs are used by people engaged in recreational activities in remote areas, and by small aircraft pilots and mariners as an adjunct to (or, when permitted, a substitute for) an ELT or EPIRB. The design of distress beacons as a whole has evolved significantly since 1982. The newest 406 MHz beacons often incorporate global navigation satellite system (GNSS) receivers (such as those using GPS). Such beacons determine their location using the internal GNSS receiver (or a connection to an external navigation source) and transmit in their distress message highly accurate position reports. This provides a second method for Cospas Sarsat to know the location of the distress, in addition to the calculations independently done by Cospas Sarsat LUTs to determine the location. The distress alert received by the satellites and the beacon location contained in the message and/or calculated from the distress signal are forwarded almost instantly to SAR agencies by Cospas Sarsat's extensive international data distribution network. This two tiered reliability and global coverage of the system has inspired the current motto of SAR agencies: "Taking the 'Search' out of Search and Rescue."