基于业余无线电基础设施WSPR的无源雷达在马航MH370轨迹定位中的应用
MH370航班消失已经七年多了。随着时间的推移,找到线索的希望已经非常渺茫。
今年5月,英国工程师理查德·戈弗雷(Richard godfrey)采用了一种新方法来寻找MH370的可能路径和最终失事位置。但在当时,许多无线电爱好者(例如 VK2IJM)认为他所使用的原理灵敏度不足,主要是因为飞机对短波通信的扰动实在太小。然而经过近半年的打磨,戈弗雷信心满满地给出了改进版本的研究,声称“使用革命性的方法找到了MH370的最终位置”。
那么,他到底使用了什么方法呢?

Part.1                     

寻找原理:干扰激光的小游戏
不知道大家是否玩过一款小游戏,在游戏中会随机出现很多激光束,玩家需要控制一名角色躲避激光并向前奔跑,如下图所示:
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图片来源:XXXXXXXXXt
如果角色触碰了激光,那么就会被探测器感知,角色就会暴露,游戏结束。
工程师戈弗雷的方法与这个游戏的原理相似:观察一组从MH370可能出现的区域中经过的电磁波(相当于游戏中的“激光”),并确定它们当天的方向和路径。接下来,检测这些电磁波信号中出现的异常扰动,并依据被干扰的程度来确定这一扰动是否来自于一架飞机(相当于游戏中的“角色”),并确定这架飞机当时的位置。最后,根据已知的航线数据,排除掉当时空域里的其他飞机,剩下的就很有可能是失踪的MH370了。
下图就是该方法的示意图:
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图片来源:XXXXXXXXXXXXXXXXXX
红线代表的是已经确定的当天的电磁波路径,通过分析电磁波受干扰的程度,可以知道该条电磁波在何时何地受到了干扰,如果确定这一干扰是来自一架未知的飞行器,那么这很可能就是MH370航班。
可是,游戏毕竟是游戏,现实生活中哪去找这样一组方向确定、有记录可查的电磁波呢?
无巧不成书,在地球上还真有这样一套东西。

Part.2                  

历史电磁波证据,来源于一位诺奖得主的灵感,也来源于遍布全球的业余无线电信标站。
早在2008年,美国无线电爱好者约瑟夫·泰勒博士(呼号K1JT,天体物理学家,诺贝尔奖得主)提出了一个名为WSPR的业余无线电项目。简单理解,WSPR是一个信标网络,参与的爱好者会购买或者自己DIY收发器,采用一种叫做MEPT-JT的通信体制(JT就是发明者的呼号后缀),全天候自动收发信标,并且通过电脑实时上网,将数据汇总到WSPR项目官网。 数据聚合以后,呈现出来就像这样:
upload_downloader_1638712205803_2567229.webp
图片来源:WSPR官网
图中的彩色线,就代表无线电爱好者之间通信所使用电磁波的传播路径。
如果你觉得这些线太少了,不够定位使用的话,那么MH370失联前后的几个小时内,网站记录的数据是这样的:
upload_downloader_1638712205784_79783378.webp
图片来源:XXXXXXXXXXXXXXX
戈弗雷的方法,就是从这样一丛看不见的“绊线”中,分析出哪些线曾经被异常扰动过,再判断该异常是否属于飞机带来的扰动,再排除其他已知的飞机,将剩下的节点与其他已知的分析方法(例如Inmarsat卫星定位)进行交叉比对,最终选出可信度高的MH370航班可能路径。
在最终报告中,戈弗雷给出的结果如下,图中交叉的红蓝线上的小白圈就是推断的MH370最后位置:
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图片来源:戈弗雷11月30日报告
这一过程需要大量的分析和交叉比对工作。幸运的是,印度洋上空并不是航线繁忙的区域,到了夜里,航班数量更是不多。即便这样,从他的博客上可以看出,在过去九个月里他一直都在从事这项工作,最终结果在11月30日发布,引发全球讨论。

Part.3                      

那么,这项工作靠谱吗?
从实验结果来看,这种通信协议的电磁波确实可以检测出有飞机经过。在下面的视频中,一架飞机穿过了一条已知的通信电路(左侧画面中,一架移动的飞机和一条线),对这条电路产生了散射干扰,使得本来不在电路上的接受者(左侧画面中的十字位置)也能听到电磁波中所携带的音乐。

接收视频.mp4 点击下载

视频来源:YouTube

这说明对于视频中这类调频广播频段的信号来说,飞机的扰动足以达到可检测的强度。

不过调频广播的波长比短波短得多。为了验证有效性,戈弗雷开发了一套分析软件,称为GDTAAA。根据他个人网站中的记载,在将GDTAAA用于寻找MH370之前,戈弗雷将该软件在QF6036航班上尝试了一次。下图中,灰色路径是GDTAAA根据WSPR复原的线路,而红色是该航班的实际线路,看起来符合度还不错。

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图片来源:戈弗雷九月报告

据说,戈弗雷还进行过几次“盲飞”测试,也就是请一些飞行员在不告知他具体飞行计划的前提下,自己飞一段,然后让戈弗雷用自己的方法推算出此次飞行的路线。

在结果中,戈弗雷报告称盲飞测试都很准确,然后才继续将这一软件应用到MH370的路线计算上的。
这么说来,该方法经过了实践的检验,我们就快要找到迷路的MH370航班了吗?

Part.4                  

想法是美好的,但该方法仍有局限。
电磁波跑了大半个地球,到达MH370失踪附近的空域时,已经发散得非常严重,很多因素都能够造成大幅扰动,例如天波多径传播等现象。该方法的核心是“排除所有已知的飞机扰动,剩下的就有可能是MH370”,但仅仅是“有可能”,实际上,既无法证明“MH370一定会在这些位置产生扰动”,也无法证明“这些剩下的扰动一定来自MH370”。
另外,戈弗雷在得出结果的过程中,使用了根据残骸进行洋流模拟的结果,也颇有点“先射箭再画靶子”的嫌疑。除非戈弗雷在之后放出的详版报告里会给出关于所有扰动的详尽分析报告,否则他的发现很可能不会成为促使多国开展新一轮搜寻的决定性线索。
无论结果为何,这次的报告是对无源雷达原理的一次生动的展示(尽管WSPR会发射信标,但对于探测而言不是必须的,因此本质上仍然是无源雷达),同时也展现了业余无线电的魅力。需要指出的是,许多WSPR站点使用的是KiwiSDR,就是被认为“危害国家安全”而在全国范围封杀的那款。

参考文献

attachment icon GDTAAA V4 MH370 07MAR2014 1716 UTC Paper.pdf 12.79MB PDF 24次下载 预览

attachment icon GDTAAA WSPRnet MH370 Analysis Preliminary Findings.pdf 37.94MB PDF 21次下载 预览

attachment icon Geocaching in the Ionosphere.pdf 2.64MB PDF 11次下载 预览

说明:本文原作者慕云深,发表于科普中国公众号。科创网业余无线电领域的编辑进行了大幅修改。

[修改于 6 个月前 - 2021-12-06 00:09:46]

来自:电子信息 / 无线电严肃内容:专业科普
1
5
gamenesea
4个月19天前
1楼

“信息”无处不在,就看怎么分析利用。😀


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