Nghiên cứu Hệ thống Cospas-Sarsat

MỤC LỤC:
1. Giới thiệu
1.1. Giới thiệu về hệ thống
1.2. Giới thiệu về hiệu ứng Doppler
2. Phạm vi của hệ thống
2.1. Các phao định vị quốc tế
2.2. Các khái niệm về hệ thống vệ tinh LEOSAR và GEOSAR
3. Tổng quan hệ thống:
3.1. Hệ thống Cospas – Sarsat 121.5 MHz
3.2. Hệ thống Cospas – Sarsat 243 MHz
3.3. Hệ thống Cospas – Sarsat 406 MHz
3.4. Sự phân phối các dữ liệu báo động và dữ liệu về vị trí
4. Mô tả các khâu của hệ thống
4.1. Tổng quan về các khâu của hệ thống
4.2. Phao định vị vô tuyến
4.3. Khâu không gian
4.4. Khâu mặt đất
---------------------------------------------------------------------------------------------------
1. GIỚI THIỆU:
1.1. Giới thiệu hệ thống:
Hệ thống Cospas-Sarsat là hệ thống vệ tinh được thiết kế để cung cấp báo động cấp cứu và dữ
liệu về vị trí để trợ giúp các hoạt động tìm kiếm và cứu nạn (SAR) sử dụng các khâu vệ tinh
và mặt đất để tách và xác định tín hiệu của các phao định vị hoạt động ở tần số 406 MHz hay
121.5 MHz. Vị trí và các thông tin liên quan khác được chuyển từ MCC đến tổ chức tìm kiếm
và cứu nạn SAR. Mục đích này sẽ trợ giúp tất cả các tổ chức có trách nhiệm tìm kiếm cứu nạn
trên thế giới ở trên biển, trên không hay trên đất liền.
2.1. Giới thiệu về hiệu ứng Doppler:
Hệ thống Cospas – Sarsat tính toán vị trí của các phao định vị sử dụng hiệu ứng Doppler. Hiệu
ứng Doppler là một thuật ngữ được sử dụng để mô tả hiện tượng tần số của một tín hiệu thu
bởi một thiết bị thu bị ảnh hưởng bởi vận tốc chuyển động tương đối giữa thiết bị phát và thiết
bị thu. Nếu khoảng cách giữa thiết bị phát và thu giảm, tần số tín hiệu thu được ở máy thu

tăng. Nếu khoảng cách tăng thì hiệu ứng Doppler làm giảm tần số tín hiệu nhận được ở máy
thu. Nếu như không có sự chuyển động tương đối giữa thiết bị phát và thiết bị thu thì tần số
thu được ở máy thu chính là tần số phát.
Công thức:

Trong đó f là tần số đo được tại thiết bị thu, f0 là tần số phát, c là vận tốc lan truyền của sóng
trong môi trường và v là vận tốc tương đối giữa thiết bị thu và thiết bị phát.
Sử dụng hiệu ứng Doppler có thể xác định được hai vị trí của một phao định vị: một vị trí là vị
trí thật và một vị trí là vị trí ảo. Tuy nhiên có thể dựa vào hành trình của một vệ tinh kế tiếp để
xác định được vị trí thật của phao định vị.
2. PHẠM VI CỦA HỆ THỐNG:
Việc tách và xác định vị trí đối với một tai nạn hàng không hay hàng hải là hết sức quan trọng
cho tổ chức tìm kiếm và cứu nạn. Nghiên cứu cho thấy rằng những người sống xót sau tai nạn
máy bay có khả năng sống xót nhỏ hơn 10% nếu việc cứu hộ bị trễ quá 2 ngày, tỉ lệ sống xót
lên đến hơn 60% nếu việc cứu hộ được thực hiện kịp thời trong vòng 8 tiếng. Sự khẩn cấp
tương tự cũng được áp dụng trong các tình huống cấp cứu hàng hải, đặc biệt là khi xảy ra
thương vong. Thêm vào đó việc xác định được vị trí bị nạn cũng góp phần làm giảm chi phí
và thời gian cho các đơn vị cứu nạn. Canada, Pháp, Nga và Mỹ đã thiết lập hệ thống vệ tinh
Cospas – Sarsat để làm giảm thời gian được yêu cầu để xác định vị trí tìm kiếm cứu nạn trên
toàn thế giới.
2.1. Các phao định vị cấp cứu:
Việc sử dụng vệ tinh để tách và xác định vị trí các phao định vị vô tuyến được kích hoạt tự
động hay nhân công do tai nạn hàng hải hay hàng không làm giảm thời gian yêu cầu để báo
động và xác định vị trí bởi các tổ chức tìm kiếm cứu nạn. Các tổ chức IMO và ICAO khuyến
nghị các tàu hay máy bay nên mang theo các phao định vị vô tuyến này. Theo yêu cầu của hệ
thống GMDSS, từ ngày 01 tháng 8 năm 1993, tất cả các tàu có tải trọng trên 300 tấn phải
mang theo các phao định vị vô tuyến EPIRB.
Nhiều nguyên tắc ở các quốc gia khác nhau cũng bắt buộc việc mang theo phao định vị vô
tuyến (ELT/EPIRB) trên tàu, máy bay. Ở một vài quốc gia đã cho phép việc sử dụng phao
định vị khẩn cấp 406 MHz (PLB) ở các vùng hiểm trở trên đất liền.

2.2. Các khái niệm về hệ thống vệ tinh LEOSAR và GEOSAR:
Hệ thống Cospas – Sarsat đã chứng minh được rằng việc tách và xác định vị trí của các tín
hiệu cấp cứu sẽ rất thuận tiện nhờ việc giám sát toàn cầu dựa trên các vệ tinh tầm thấp gần địa
cực. Vùng bao phủ trái đất hoàn toàn, bao gồm cả vùng địa cực, có thể đạt được nhờ sử dụng
các phao định vị vô tuyến hoạt động ở tần số 406 MHz. Với loại phao định vị cũ hoạt động ở
tần số 121.5 MHz, vùng hoạt động của hệ thống không phải là toàn cầu. Hệ thống Cospas –
Sarsat của các vệ tinh quỹ đạo thấp cũng được qui vào hệ thống Cospas – Sarsat LEOSAR.
Việc sử dụng hệ thống Cospas – Sarsat cho mục đích tìm kiếm, cứu nạn được bắt đầu từ tháng
9 năm 1982 trong một vụ tai nạn máy bay ở Canada. Từ đó đến nay, hệ thống đã được sử
dụng trong hàng nghìn tình huống tìm kiếm cứu nạn.
Các vệ tinh quỹ đạo địa cực sử dụng trong hệ thống Cospas – Sarsat có thể bao phủ toàn cầu
nhưng lại không liên tục và sử dụng hiệu ứng Doppler để xác định vị trí của các phao định vị
vô tuyến. Tuy nhiên vùng bao phủ không liên tục có thể gây ra trễ cho việc xử lý báo động cấp
cứu do phải đợi cho đến khi trạm mặt đất nằm trong tầm nhìn của vệ tinh mới có thể thu được
báo động cấp cứu.
Từ năm 1996, tổ chức Cospas – Sarsat đã làm thí nghiệm đặt các tải trọng 406 MHz trên các
vệ tinh địa tĩnh để tách và xác định vị trí của các phao định vị vô tuyến 406 MHz. Các thí
nghiệm này cho thấy rằng có khả năng báo động ngay lập tức, cung cấp số nhận dạng của
phao định vị và các dữ liệu được mã hóa khác như vị trí phao định vị được lấy từ các thiết bị
hàng hải ở bên ngoài hay được tích hợp ngay bên trong. Hệ thống này được gọi là hệ thống
GEOSAR 406 MHz.
Hệ thống GEOSAR 406 MHz nổi bật với khả năng phát đi báo động cấp cứu một cách nhanh
chóng. Tuy nhiên các báo động GEOSAR được phát ra từ các phao định vị 406 MHz thế hệ
thứ nhất không có thông tin về vị trí do không sử dụng được hiệu ứng Doppler. Một thế hệ
mới của phao định vị 406 MHz cho phép việc mã hóa các thông tin về vị trí trong điện báo
động phát đi và sau đó cung cấp báo động và thông tin về vị trí thời gian thực cho hệ thống
GEOSAR.
3. TỔNG QUAN HỆ THỐNG:
3.1. Hệ thống Cospas – Sarsat 121.5 MHz:
Bao gồm:

- Các phao định vị cấp cứu 121.5 MHz
- Các vệ tinh tầm thấp của hệ thống Cospas - Sarsat LEOSAR
- Các trạm LEOLUT
Tần số 121.5 MHz là tần số khẩn cấp cho hàng không. Vào giữa những năm 70 phao định vị
vô tuyến 121.5 MHz được lắp đặt trên máy bay như thiết bị ELT. Tuy nhiên chúng cũng có
thể được sử dụng trên tàu như các thiết bị EPIRB hay sử dụng trên đất liền như các thiết bị
PLB. Cả 3 thiết bị ELT, EPIRB và PLB này được gọi chung là phao định vị. Các phao vô
tuyến định vị phát tín hiệu được chuyển tiếp bởi các vệ tinh của hệ thống LEOSAR Cospas –
Sarsat đến các trạm LUT để xử lý tín hiệu và xác định vị trí của các phao định vị. Các báo
động bao gồm vị trí đã được tính toán được chuyển tiếp qua MCC đến SPOC hay RCC.
Vị trí Doppler (sử dụng sự dịch chuyển tương đối giữa vệ tinh và các phao định vị) được sử
dụng để xác định vị trí các thiết bị đơn giản này. Tần số sóng mang được phát bởi phao định
vị có độ ổn định tương đối trong suốt khoảng thời gian phao định vị trong tầm quan sát của vệ
tinh. Để xác định hiệu ứng Doppler, các vệ tinh ở các quỹ đạo thấp gần địa cực được sử dụng.
Tuy nhiên độ chính xác về vị trí của các phao định vị 121.5 MHz không chính xác bằng các
phao định vị 406 MHz do độ ổn định về tần số không cao. Quỹ đạo tầm thấp gần địa cực có
khả năng đáp ứng vùng bao phủ toàn cầu. Tuy nhiên hệ thống 121.5 MHz chỉ giới hạn vùng
bao phủ trong vòng đường kính 3000 km quanh vùng mỗi một trạm LUT nơi mà vệ tinh ở
trong cả tầm ngắm của cả phao định vị phát ra báo động và trạm LUT đó.
Chế độ bao phủ khu vực của hệ thống 121.5 MHz đã chứng minh được tính hiệu quả của nó
trong việc xác định nhanh chóng các vị trị của số lượng lớn các phao định vị 121.5 MHz. Tuy
nhiên do đặc tính phát của các phao định vị này không cho phép vùng bao phủ toàn cầu. Thêm
vào đó hệ thống không thể phân biệt được giữa tín hiệu phát từ phao định vị 121.5 MHz và
các tín hiệu có cùng tần số 121.5 MHz khác. Hạn chế này dẫn đến hệ thống có thể nhận được
các báo động giả không liên quan gì đến các phao định vị.
3.2. Hệ thống Sarsat 243 MHz:
Các vệ tinh Sarsat cũng được cung cấp các bộ lặp 243 MHz để tách và xác định vị trí của các
phao định vị 243 MHz. Các hoạt động của hệ thống 243 MHz cũng tương tự như các hoạt
động của hệ thống 121.5 MHz nhưng có số lượng vệ tinh ít hơn. Thông thường hệ thống
LEOLUT xử lý cả 2 tín hiệu thu được từ bộ lặp 121.5 MHz và 243 MHz.

3.3. Hệ thống Cospas – Sarsat 406 MHz:
Hệ thống Cospas Sarsat bao gồm:
- Các phao định vị vô tuyến được sử dụng trên tàu (EPIRB), trên không (ELT) và trên bờ
(PLB).
- Các vệ tinh quĩ đạo thấp của hệ thống LEOSAR và các vệ tinh địa tĩnh của hệ thống
GEOSAR.
- Các trạm LUT (bao gồm cả LEOLUT và GEOLUT).
3.3.1. Các phao định vị 406 MHz:
Dải băng tần 406.0 – 406.1 MHz được dành riêng cho việc phát tín hiệu từ các phao định vị
cấp cứu. Các phao định vị 406 MHz đã được thiết kế cho hệ thống LEOSAR để khắc phục
một số nhược điểm của các phao định vị 121.5 MHz. Các phao định vị 406 MHz có độ tinh vi
hơn nhiều so với phao 121.5 MHz do các yêu cầu đặc biệt về độ ổn định của tần số phát và
bao gồm cả số nhận dạng của phao định vị.
Các phao định vị 406 MHz thế hệ thứ 2 đã được giới thiệu từ năm 1977 cho phép việc phát
các bức điện 406 MHz bao gồm các dữ liệu về vị trí đã được giải mã mà phao định vị lấy từ
các thiết bị hàng hải ở bên ngoài hay đã được tích hợp ngay ở bên trong.
3.3.2. Hệ thống LEOSAR 406 MHz:
Hệ thống LEOSAR 406 MHz sử dụng chung các vệ tinh địa tĩnh với hệ thống 121.5 MHz. Do
đó nó cũng phải đáp ứng được các yêu cầu cơ bản mặc dù có những cải tiến hơn. Hệ thống
Cospas – Sarsat 406 MHz hoạt động ở 2 chế độ: chế độ bao phủ khu vực và chế độ bao phủ
toàn cầu. Ở chế độ bao phủ khu vực, LUT đang quay bám vệ tinh sẽ thu và xử lý các tín hiệu
phát ra từ các phao định vị trong khu vực mà vệ tinh có thể quan sát được. Ở chế độ toàn cầu,
LUT thu và xử lý các tín hiệu được phát đi từ các phao định vị 406 MHz từ bất cứ 1 điểm nào
trên thế giới.
3.3.2.1. Chế độ khu vực 406 MHz:
Khi vệ tinh thu tín hiệu 406 MHz từ các phao định vị, khối xử lý sẽ nhận các dữ liệu số, đo
các hiệu ứng Doppler và mốc thời gian. Kết quả của quá trình xử lý này được định dạng như 1
dữ liệu số và được chuyển đến bộ lặp đường xuống để phát đến bất cứ 1 trạm LUT nào trong
khu vực quan sát của vệ tinh. Dữ liệu cũng đồng thời được lưu tại vệ tinh để sau này sẽ phát
đến các trạm LUT khác ở chế độ bao phủ toàn cầu.

Cũng giống như chế độ khu vực được cung cấp bởi thiết bị xử lý SARP 406 MHz, một bộ lặp
406 MHz đối với vệ tinh SARSAT cũng có thể cung cấp chế độ bao phủ khu vực 406 MHz
tương tự như chế độ khu vực 121.5 MHz.
3.2.2.2. Chế độ toàn cầu 406 MHz:
Hệ thống SARP 406 MHz cung cấp vùng bao phủ toàn cầu bằng cách lưu lại các tín hiệu phát
đi từ các phao định vị trong bộ nhớ của nó. Nội dung của bộ nhớ được liên tục phát đi trên các
đường xuống của vệ tinh. Do đó mỗi một tín hiệu phát ra từ phao định vị có thể được thu bởi
tất cả các trạm LUT.