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遥感卫星搜寻MH370范围有限 不可能高分辨率展现地球

2014.03.24 管理员瞭望东方周刊
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截至北京时间2014年3月20日午夜,马航MH370航班失联已超过12天。从中、美、日到事发地区的东南亚各国,都动用了各种先进设备进行搜寻。

然而,如此巨大的一架民航班机经过这样长时间、这么多先进设备的搜救,却只得到目前让人匪夷所思又瞠目结舌的现实。

面对这样的情形,甚至有人提出了这样的问题:它的种种诡异之处,是否已经超出了科学的范围。

《瞭望东方周刊》就这些问题采访了包括中国科学院院士在内的多位科学家,希望在纷乱复杂的说法中,令读者了解关于MH370的一些基本问题。

为何无法与MH370联络

北京航空航天大学电子信息工程学院教授谈展中告诉《瞭望东方周刊》,飞机上只有两种通信系统,一种是高频通信(HF),一种是甚高频传送(VHF)。通常情况下,通信以数据链的形式进行传递。

高频通信一般是短波传送,又称作语音通信、模拟通信,也叫无线电台,它能把信息传播到更远的地方。

另外一种方式叫飞机通信寻址与报告系统(ACARS),是最常用的飞机数据通信链。这种甚高频应答式通信系统,先把信号变成编码数据,然后再传送接收处理。这个过程要经过解调、解扩、再解码、再译码。

它一般并不发送到卫星上,而是把信息发送到地面。有了卫星以后,又在卫星上增加了一个卫星的收发单元,一般通过INMARSAT系统,即国际海事卫星通信系统进行数据通信。

国际海事卫星通信系统是在地球上空36000公里高度上分布的四五颗卫星,沿着赤道平面绕地球飞行,这种商用卫星的覆盖薄弱环节是在两极区域。

波音公司提供一种连接国际海事卫星的服务,并称即使飞机运营商不购买这种服务,飞机也会自动发送信号和卫星建立联系。但在谈展中看来,这是付费服务项目,不是所有的飞机都有这项功能。波音飞机在出厂后装置了向卫星发射信息的设备,作为一种保障设备,在一般的国际航班上都会装置。在卫星覆盖的范围内都会接收到飞机的信号。

对于一架飞机来说,其实有三个常规系统是比较重要的:除了通信系统,一个是定位系统,一个是识别系统。

识别系统与雷达有关,又分为一次雷达、二次雷达、高频雷达。所谓“二次雷达”主要用于空中管制,管制员从“二次雷达”上很容易知道飞机的“二次雷达”应答机代码、飞行高度、飞行速度、航向等参数,使雷达由监视的工具变为空中管制的手段。目前公开的信息是,MH370主动关闭了应答设施。

至于飞机发动机,也会有相关的飞行数据通过飞机通信寻址与报告系统进行传送,这种民用航空通信网络可以进行数据链的传送。

总体而言,对于飞机通信中断,谈展中认为这种情况比较少见。

他表示,如果飞机失去联系,一个原因是关掉通信设备或设备出现故障,另外就可能是掉进海洋了,“无线电波一般不能入水,在海水里很难接收到声呐系统外的信号”。

中国科学院院士、中国科学院遥感与数字地球研究所研究员童庆禧则告诉《瞭望东方周刊》,虽然MH370的信号一直到失联当天早8点才消失,但是这个信号不是飞机传到地面上的,而是飞机的信号发射到通信卫星上的,通信卫星收到这个信号,由于不是事先合作的联系,通信卫星就不会及时把数据转给有关方面处理。

“对卫星来说,你不是我的用户,我就不会管你的信号,但是在最后调查的时候,就发现了这个信号,直到8点多才消失。”童庆禧说。

地面雷达还能看见MH370吗

谈展中说,其实事发地区国家相关系统都比较完善,“而且这个系统可以记录,虽然有时雷达不一定记录,但现在一般都会储存这些资料,所以把这些储存资料都拿出来以后,这个东西就比较容易解决。因为我想,在周围,尤其是在马六甲海峡区域,人们对这里都很注意,各自的雷达都会在工作,所以把这些东西综合一下,会比较容易的。”

飞机要避开军用雷达的监测,就要低空飞行,这对大飞机来说耗油就会增大,同时,还会有很大的空气阻力。让谈展中疑惑的是,MH370的飞行航线与距离为何一直不能确定。

当然,雷达要想看到飞行中的飞机,第一是飞机要在空中,第二是不能到雷达的盲区里面去。

北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院研究员吴伟仁告诉《瞭望东方周刊》,如果航线密集,雷达会覆盖一部分地区,意味着精度更可靠,被过滤掉的信息更少。不过,如果飞机离开了航线,“那就不知道了。”

通常来讲,飞行器飞经陆地上空,地面雷达都会很好辨别。但如果航线范围包括海上特别是在大洋上,雷达的功效就会差一些,“海上作用有限。”吴伟仁说。

作用有限的缘故是,需要在海岛上设置雷达,这些雷达将与设置在海岸线上的雷达一起构成一个巨大的网络,用于监控和指挥飞行器。但是缘于空间地理条件的限制,海上雷达的布设不会像地面雷达那样便利。

北京航空航天大学电子工程学院教授黄智刚告诉《瞭望东方周刊》,一般雷达作用区是三五百公里,每个雷达有作用范围,还受到高山等自然环境影响。因此,每个国家都要根据国土面积、海岸线等情况部署雷达。

事实上,在浩瀚的大洋上用地面雷达监测飞机,是一件难度极其巨大的事情。

如果按马方提出的一条路线推测,雷达监控的难度几乎显而易见---南印度洋和南极洲北部海域是世界上雷达覆盖最少的区域之一。

重新梳理:如果MH370还在马六甲及中南半岛区域,应该比较容易被地面雷达发现。通常情况下,部署在沿岸和岛屿上的军用雷达可以达到数百公里的探测范围。即使怀疑的中南半岛西部安达曼海、以及印度洋沿岸,都处在这样的监控之下。

但是,如果在8日早晨最后失去MH370信号后,它继续向南、向西飞入广阔的印度洋,或者中间在某地加油继续飞行,就极其难以被地面雷达发现。

相比之下,如果MH370飞向南亚次大陆就比较容易侦测。不过,从军事角度讲,假如MH370跟在一架大型客机后飞入这些空域,就难以被发现。

现在,已经可以证实,如果按照MH370关闭应答装置后的航线,有一架新航的波音777也在相同位置和时间飞行,这使MH370能够贴近印度或巴基斯坦领空的可能。总之,如果MH370最终飞到阿富汗或中亚地区,这就是从地面雷达角度的唯一解释。

但说到底,已经发生的、在东南亚非常繁忙的空域让一架飞机彻底失踪,是难以想象的。

卫星能找到MH370吗

童庆禧告诉本刊,作为最常见的卫星观测手段,遥感“除了相机的图片外,夜间可以用红外线探测的方式成像。另外还有安装雷达的卫星,可以通过雷达的方式进行遥感。这种雷达不是地面的雷达。”他所在的中国科学院遥感与数字地球研究所参与了MH370搜寻的相关工作。

卫星遥感简单地理解,就是一颗卫星在经过相关区域时,对该区域进行拍摄和探测,并获得一定分辨率的图像和数据。这些数据传输到地面上,通过对图像和数据的分析,获得分析结果并进行应用。

在大气中受到云层、雾气等影响时,会影响可见光线的传播,但红外线以及雷达遥感可以不受这些障碍的干扰,“所以,这次我们国家动员多颗卫星对失联航班进行搜索,通过遥感的手段,加上地面船舶、飞机等综合手段进行分析和搜救。”

“通过遥感,我们发现了海面上的油污带,还有漂浮物等。但我个人认为,卫星遥感并没有在这次搜救马航的实践中发挥更大的作用,因为还没有通过遥感提供失联航班的任何证据。当然,包括卫星和遥感工作人员,都做出了很多努力,到现在大家仍然没有放弃,在不同的地方,包括泰国湾到马六甲海峡一直在持续地搜索。但目前的问题并非是卫星遥感所能解决的,因为遥感的范围毕竟有限,也不可能把整个地球都用那么高的分辨率给呈现出来。”

对于遥感图像,最优手段仍然是人工判断,通过有经验的技术人员肉眼判断,再用计算机进一步处理,比如增加反差、增强信息,然后匹配位置,“现在计算机也可以分析了,但是还是人工判断优先,在这个基础上,再加上计算机的分析。”他说,现在很少采取洗出照片的办法,因为卫星地面站都会有大屏幕,将图片更大地呈现出来。

通过卫星搜索航班有明显优势。因为卫星雷达信号一旦碰到金属物体,就会产生非常强烈的反射,将结果呈现在雷达影像上,就是一个非常亮的物体的形象,“如果没有这些金属物体,比如只有海面,就是相对黑的一片,连海浪也看不出来。”童庆禧说。

“当然,跟照相机一样,卫星分辨率越高,图像越清晰,遥感的范围就越小。反过来,分辨率越低,遥感的范围就越大,包括对失联客机的搜索,这是遥感暂时不能避免的一个矛盾的地方。”童庆禧解释说,现在动用不同的卫星,有的遥感范围宽、但是分辨率不是很高,有的分辨率高、但是范围就变窄了,两者结合使用进行搜寻。

卫星遥感的分辨率一般很难高于几十厘米,甚至到2米作为分辨率。童庆禧说,这样的图像看空中的飞机等,信息已经足够了。这种分辨率的卫星,遥感覆盖宽度可以达到三四十公里。

当然,也可能会用到16米左右的分辨率,这样卫星的覆盖宽度就可以达到几百公里,搜索起来相对方便。如果在这个分辨率的遥感图像中发现可疑物,可以在这个区域进一步用更高分辨率的遥感图像作进一步的分析。

他强调说,“我认为关键的问题不在遥感,而是在于马航的失联飞机扑朔迷离。马方提供的信息根本不能判断飞机到了什么区域。泰国湾就几十万平方公里,但是过了马六甲到印度洋后,有几百万平方公里的海洋。想在这个区域搜索,如果仍然没有明确的方向,难度可想而知。如果说客机在空中解体,海面上一定有散落物,通过卫星遥感一定可以看到,但是现在我们没有看到。”

对于MH370,目前需要更多的真实信息,“比如不明飞行物的信息开始就一直没有说,直到后来才被确认。”童庆禧认为,本次搜救在沟通方面存在不少问题,而这些问题导致的结果,就是不足以判断到底应该从什么方向去搜寻失联客机。“如果我们仍然在泰国湾寻找,但飞机早就飞走了,我们即使再努力也找不到它。”他表示,现在重要的问题并不是技术本身和搜救能力,而是搜寻的方向到底对不对。

卫星能搜寻水下目标吗

童庆禧说,卫星雷达同样无法穿透海水,看不见海底的东西,只能探测漂浮在海面上的物体,“而一旦在海平面上发现蛛丝马迹,就可以通过水面船舶的声呐系统去探测海底的具体情况。”

但是,“声呐只能看底下的东西,范围只有几百米、几公里。发现疑似物再用声呐去找,才是最合理的办法。声呐其实也属于遥感范围,但遥感通常还是指卫星遥感。”他说。

中国科学院遥感与数字地球研究所研究员宫鹏告诉本刊,在卫星这一高度,目前探测的信号主要是电磁波,也有探测重力异常的,但是这类数据分辨率在200公里的尺度,对一架飞机不敏感。因为水面镜面反射干扰大,水对电磁波吸收强等因素,使得电磁波信号难以探测到目标,因此电磁波在水中传播没有优势。如果飞机处在水面以下一定的深度,就很难通过电磁波信号探测到。他也认为,探测水下目标的理想传感器是声呐,通过声波进行传感。

据宫鹏介绍,一般一张卫星影像的大致尺寸为几百兆,现在各种计算机平台都可以处理这类影像。方式是接收到数据之后,对成像过程中的几何形变、辐射偏差做消除处理,然后可以在计算机屏幕上进行显示,通过人工检测去寻找特定目标。现在也可以用计算机自动探测,称为目标识别。

而海面的油污带则可以通过其在特殊光波中的特点进行判断识别,但是,“由于油污会随风漂移,所以见到油污未必飞机就在其下方,这还需要对海水的流动过程和过去一定时间的情况有所了解。”宫鹏说。

综合多位科学家的意见,根据目前公开信息,也是可以划定MH370的大致范围的。

 

3月8日8时11分,印度洋上空的一颗地球同步静止卫星与MH370进行了联络。通过计算数据传输的时间,可以确定当时航班与卫星的距离。这就像以卫星为圆规的固定端,用一个距离画出一个圆形。MH370当时就在这个圈上的某一点。

由于可以通过飞机燃油量以及马来西亚军用雷达探测的飞行速度计算MH370的油耗,因此,可以具体在这个圆圈上划定它所能达到的最远距离。

在剩下的弧线中,相当一部分处于缅甸等国家的雷达探测范围。由于各个相关国家都已经声明没有MH370的雷达信号,因此剩下的圆弧也是断续的。

如果不考虑一些其他因素:在某个小岛起降加油或有其他加油办法、始终超低空躲避雷达探测,MH370在3月8日8时11分就处于这个断续弧线的某一个点。这就是说,搜寻可以以弧线为中轴,两侧展开。

 

3月8日8时11分,印度洋上空的一颗地球同步静止卫星与MH370进行了联络。通过计算数据传输的时间,可以确定当时航班与卫星的距离。这就像以卫星为圆规的固定端,用一个距离画出一个圆形。MH370当时就在这个圈上的某一点。

由于可以通过飞机燃油量以及马来西亚军用雷达探测的飞行速度计算MH370的油耗,因此,可以具体在这个圆圈上划定它所能达到的最远距离。

在剩下的弧线中,相当一部分处于缅甸等国家的雷达探测范围。由于各个相关国家都已经声明没有MH370的雷达信号,因此剩下的圆弧也是断续的。

如果不考虑一些其他因素:在某个小岛起降加油或有其他加油办法、始终超低空躲避雷达探测,MH370在3月8日8时11分就处于这个断续弧线的某一个点。这就是说,搜寻可以以弧线为中轴,两侧展开。

 

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