GPS無法發送定位—黑盒子為什麼不用雙向衛星通訊?

作者 : 趙明燦,EDN China

這兩天在整理有關東航MU5735失事航班黑盒子技術報導的過程中,《EDN》小編發現一個有意思的話題:為什麼不在黑盒子上安裝GPS發送器,而只安裝一個無線電發射器?

中國東方航空公司一架波音737客機(MU5735航班)於本週一(3月21日)在廣西梧州附近山谷墜毀,搜索行動仍在持續中。據中國民航局表示,被發現的第一部黑盒子外觀破損嚴重,初步判定為駕駛艙語音記錄器(Cockpit Voice Recorder),該黑盒子已被連夜送往北京的民航專業機構進行解碼。接下來,調查人員將繼續搜尋另一部飛行資料記錄器(FDR),以期還原整個事件經過。

具有訊號發射功能的黑盒子,為何搜尋難度如此大?在尋找資料期間,《EDN》小編發現一個有意思的話題:為什麼不在黑盒子上安裝GPS發送器,而只安裝一個無線電發射器?今天我們就來聊聊它。

GPS如何定位?為什麼沒有GPS發射器?

首先,我們來看看GPS定位的原理。

大家可能知道,GPS系統採用三角定位法來實現定位。所謂的三角定位法,也即假設一測量目標點和兩個已知座標的參考點可形成一個三角形,藉由計算這個三角形中參考邊的長度,測量兩個參考點與目標點所形成的角度,就可以找出目標點的距離和座標。

知乎網友Raymond He指出,當已知一點及距離,你只能畫一個圓。所以,當2顆衛星對一個物體定位,就是兩個以衛星為圓心的圓。你會發現,已知兩個點及距離的情況下,兩個圓的交匯處有兩個。因此,3顆衛星才能確定物體的位置,也就是經緯度。這就是三角定位法。也就是說,要判斷地球上任何一點的確定位置,起碼需要3顆衛星同時定位。

另外,三角定位只能定出平面位置,如果要定出海拔高度,那麼,最少需要4顆衛星。已知太空中一共有24顆衛星環繞軌道,12顆在正面,12顆反面。所以,你最多能搜索到12顆衛星。

那麼,為什麼不在黑盒子上安裝GPS發送器呢?

針對這個問題,某網友指出,我們首先要弄清楚一點,就是手機只需要接收GPS訊號,而黑盒子卻要求發射位置訊號。

如前所述,手機定位依託於GPS系統和三角定位的三個角(三個基地台)。「GPS系統多大功率,基地台多大功率,你想過嗎?」

手機的GPS定位連在荒郊野外都能用,但定位結果是給手機持有者看的,不是給GPS系統看的。GPS解碼晶片只接收,不發送。三角定位時,靠的是手機與基地台之間的GSM或3G訊號,這個距離和GPS的適用範圍比起來太小了!

另外,黑盒子內配有水下定位器,至少可以使用30天,而且能在大約2英哩(約合3.2公里)外探測到。而且黑盒子是持續發出訊號,能連續發出30天,裡面的電量肯定不少。

(註:這裡所說的水下定位器——水下定位信標[ULB]可能就是本文一開始所誤以為的無線電發射器。這個信標的旁邊有個觸發器,只有遇水之後才能觸發它。這種訊號不是電磁波,而是超音波,人耳是聽不到的。)

這種水下定位信標分為高頻和低頻。高頻段的「水下定位信標」可以發射頻率為37500Hz的正弦波訊號。這種信標一旦被觸發,就會連續不斷發射這種訊號,直到黑盒子的電量消耗殆盡為止。一般情況下,電量可以保證水下定位信標工作一個月。

一旦客機墜落到海底,最好要在30天內尋找到黑盒子,不然等電量消耗殆盡,黑盒子不再發射訊號,那麼找黑盒子就如同大海撈針了。)

因此,這位網友也同時提出一種解決方案:為什麼不將黑盒子設計成被動接收訊號的形式呢?

飛機失事後,黑盒子即轉為接收模式,再設計一套密碼,只有搜救方知道(當然可以公佈),搜救時就可以在飛機上用大功率設備,將訊號散播到10公里甚至更遠。

在黑盒子接收到密碼後,馬上啟動大功率,但是斷續工作制的訊號產生器,這樣廣播範圍也可以更遠(如同樣設計成10公里)。

這樣做的另一個好處是更節省能量。可以設計一個開通和判斷延遲,例如收到訊號後10秒之內啟動訊號產生器,發送持續時間很短,間隔10秒經調變的脈衝波;訊號源離開後(也就是沒找到),但停止發送,進入功耗極低的接收機狀態。這樣的黑盒子,怎麼想也能在野外扔個一兩年被找到吧。

另外,也有資料指出,黑盒子透過主動向衛星發送訊號來顯示其位置,這其實是沒有意義的。

首先,如果黑盒子可以與衛星進行雙向通訊,那麼功率必須非常大,耗電量會急劇增加,電池體積也會更大。黑盒子的結構穩定性會受到影響。此外,與其向衛星發送訊號,不如提高功率,將訊號發送到地面,而不是發送到衛星上,這樣會更有效率。

值得注意的是,現在民用客機上安裝的黑盒子的標準是1980年代制定的。這意味著在過去的40年來,黑盒子的變化非常小。頂多是記錄了一些額外的參數。在硬體功能方面進展不大,特別是在定位系統方面。

因此,新一代的黑盒子將有很大的改進空間。國家運輸安全委員會已計畫為黑盒子增加錄影功能,這樣就可以從黑盒子的駕駛艙內錄製視訊,但由於擔心隱私問題,飛行員反對這樣做。

在資料儲存方面,新一代的黑盒子可能不再需要了。它可以透過衛星直接向地面站傳輸飛行資料。這將使黑盒子資訊與地面站即時同步。

黑盒子改進動了歐美的蛋糕?

在「東航空難,132條生命能否再一次推動黑盒子連網?」一文中,作者認為,在網際網路和通訊技術如此發達的年代,黑盒子這種老掉牙的飛行資料收集和記錄系統的存在,真是不可思議!如果黑盒子或者飛行資料全程連網,根本就沒有必要在失事後費勁去找黑盒子。有些發生在複雜地貌的空難,根本就找不到黑盒子,以至於事故原因成了一筆糊塗帳。

黑盒子其實就是典型的壟斷結果,目前全球最權威的空難事故調查機構共有3家,分別是美國國家交通安全委員會、法國民航安全調查分析局和德國聯邦航空事故調查局。美國國家交通安全委員會是波音飛機事故調查權威,而法德兩家機構是空客飛機事故調查權威。因為波音和空客壟斷了航空市場,所以他們根本就沒有動力改進這個系統。希望未來能早日建立飛行全程資料連網系統,讓每一架飛機在每一時刻的狀態都在系統監控之中。

北斗雙向通訊 vs. GPS單向通訊

GPS系統是透過廣播的方式發送訊號,在此過程中,只接收來自衛星的訊號,並不接收使用者的資訊。目前除了地面站和船載天線,人們無法向衛星發送訊號,也就是說衛星不具備判別接收機位置的能力。

相較於這種單向通訊,雙向的定位系統既能定位又能通訊,例如中國北斗衛星。北斗系統具有功能、精度與技術方面的優勢,也是標準位置服務精度優於5米的衛星導航系統,能夠提供兩類區域星基增強服務,並且能同時提供全球短訊息和中國周邊大容量高併發短訊息通訊的衛星導航系統。

因此,有網友指出該連網了,民航客機是公共交通工具,飛行資料不存在隱私問題,民航局其實可以要求所有民航客貨機,都必須加裝飛行參數轉發器飛行狀態資料可以持續上傳,當發生緊急狀況時,還可以將前面的語音資訊也壓縮上傳。

因此,黑盒子之所以不安裝GPS發射器,是因為GPS不支持雙向通訊。

此外,即便黑盒子改為支援雙向通訊的衛星,考慮到將資料傳送到衛星上會產生大量功耗並佔用大量頻寬,即時傳送資料和語音也不切實際,我們只能用它來做應急處理。

本文原刊登於EDN China網站

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