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Inmarsat如何定位马航失联飞机

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基于英国卫星通信公司Inmarsat的追踪数据和计算分析,马来西亚总理于24日晚宣布MH370航班已坠入南印度洋。在未发现飞机残骸的情况下,这样的“定位”是如何实现的?

前身为国际海事卫星组织的Inmarsat公司为世界各地的用户提供电话和数据服务,便携式或移动式终端能够通过Inmarsat的10颗同步通信卫星与地面站进行通信。Inmarsat的网络可以为政府、援助机构、媒体和企业等在缺乏可靠地面网络的偏远地区提供通信服务。

Inmarsat在MH370的通信寻址与报告系统(ACARS)关闭后,接收到至少5小时的ping信号。

在MH370的ACARS关闭后,Inmarsat距离地球22000英里的卫星仍然接收到飞机每小时自动传来的ping信号。这是因为在一小时的时间里,地面站如果没有从飞机收到信号,就会用该飞机特有的识别码向其发出一个“登录/登出”的信息,通常也叫做ping信号。如果飞机接收到这个信息,就会“回复”一个简短的信息表明仍在“登录”状态。这整个过程是自动完成的,也被描述成“握手”。在ACARS停止发送信息后,总共发生了6次“握手”。然而这些信号只是简单的声脉冲,不含全球定位系统(GPS)数据、时间、地点等信息。

通过已知的卫星位置、ping信号的发送和返回时间以及仰角信息,Inmarsat推测出两条MH370可能的最后飞行路线。

Inmarsat如何定位马航失联飞机

通过已知的卫星位置、ping信号的发送和返回时间以及仰角信息,Inmarsat计算出一个以接收到信号的卫星地球投射点为圆心,半径为8000公里左右的圆形。在考虑到航班的实际载油量、飞行时间以及由两者共同决定的最大飞行距离,并减去多国雷达已经监测过的范围后,最终推测出南北两条MH370最后可能的飞行区域弧形区域:一条经印度尼西亚至南印度洋,一条自泰国北部至哈萨克斯坦和土库曼斯坦边境。

基于多普勒效应,Inmarsat和英国航空事故调查局(AAIB)通过分析将MH370的最后飞行路线锁定在南部线路,即南印度洋。

Inmarsat如何定位马航失联飞机
Inmarsat将从MH370收集到的数据与相似飞机进行比较

基于多普勒效应,Inmarsat和AAIB在波音公司和行业专家等的协助下,将MH370的飞行路线锁定在南印度洋。这同时也意味着飞机远离了可能的着陆地点,最终坠入了南印度洋。

多普勒效应是指由于波源与观察者之间的相对速度造成的波的频率的变化,即由于波源和观察者之间有相对运动,使观察者感到频率发生变化的现象。如果二者相互接近,观察者接收到的频率增大;如果二者远离,观察者接收到的频率减小。这种波可以是光波,也可以是声波。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大,改变就越显著。如一列火车从身边驶过时,火车从远到近的过程中,汽笛声变响,音调变尖,而从近而远的过程里汽笛声变弱,音调变低。

Inmarsat如何定位马航失联飞机
MH370频率偏移示意

由于飞机和卫星之间存在相对运动,收发的频率与其正常值存在差异,这种差异就是多普勒效应产生的结果,被称为频率偏移。频率偏移的变化取决于飞机在弧形区域的可能的位置、飞行方向以及速度。Inmarsat利用来自MH370的信号频率数据与马来西亚航空公司以往飞行过相同路线的波音777飞机的数据进行比对,以此判断飞机在飞行过程中频率的微小改变。

Inmarsat如何定位马航失联飞机
MH370 测量数据与预测数据的对比

由于在吉隆坡机场和早前的飞行阶段MH370发送过几次信息,而且目前飞机的大概飞行区域和卫星的位置都是已确定,所以可以计算出飞机、卫星和地面站的数据关系。地面站记录了每次“握手”的脉冲频率,在数据关系和卫星地点已知的情况下,再考虑到飞机的性能就可以判断出两条弧形线路上最符合频率偏移的地点。如图所示,蓝色的线是测量到的MH370频率偏移的情况;绿色的线是预测的南部路线频率偏移的情况,它与6次“握手”中测量到的实际数据显示出密切的相关性;红色的线预测的北部路线频率偏移的情况,与实际数据不存在相关性。显然,南部的线路更符合分析结果,因此MH370最后的飞行路线被锁定在南印度洋。

文章部分内容参考

BBC

The Guardian

维基百科

科学松鼠会

《中文商业周刊》

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