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科技这么发达了,为什么找一架失联飞机还这么困难?

本帖由 漂亮的石头2015-05-29 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

    漂亮的石头 版主 管理成员

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    2012-02-10
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    [​IMG] S kav

    这个问题回答起来比较难啊,我试着给大伙分析一下。

    首先谈一下题主所提及的目前如此先进的雷达搜索科技。目前雷达技术发展到什么程度了呢,呃,怎么说呢,确实令人叹为观止,但是似乎还是没有那么的先进。楼主既然说的是搜索雷达,那么我们今天的回答就限于搜索雷达,不包括如预警雷达、引导指挥雷达、炮瞄雷达、测高雷达、场监雷达、机载雷达、精密测量雷达、雷达引信、气象雷达、航行管制雷达、导航雷达以及防撞和敌我识别雷达这帮乱七八糟的雷达了。

    搜索雷达:搜索雷达的任务是在尽可能大的空域范围内,尽可能早地发现目标。因此,搜索雷达必须满足两个要求:很远的探测距离和很大的覆盖空域。由于要求探测距离远,搜索雷达一般采用较低的频段,通常是 L 和 S 频段,有时是 UHF,特殊情况下是 VHF,甚至 HF 频段。在这些频段上,大气衰减不太大,杂波反射率低,例如承担搜索预警任务的雷达。包括地面、机载、舰载等类型,地面一般为大型搜索预警雷达,主要针对远程目标,如洲际战略弹道导弹,工作频率多在 100 兆赫以下,探测距离达几千公里,精度方面,距离上可达到几十米,方位角和俯仰角达到 0.03 度,为了达到这样的精度,地面预警雷达的天线尺寸有几十米。机载的就是预警机上面的那个大盘子了,一般来讲作用距离也可以到几百公里,精度么,几米的级别吧。舰载的雷达一般有海面搜索雷达,防空警戒雷达吧,基本也是一个套路。从上面这些描述可以看出,搜索雷达的特点就是作用距离大,搜索距离远,但是精度么,就只能呵呵了。

    下面我们看一看一部搜索雷达在空难搜索时可能遇到的苦难吧:

    1、地球曲率的挑战。科学家们说的好啊,地球是圆的,同时电磁波是一根筋走直线的。那么当电磁波的传播距离达到几百公里这个级别时,地球曲率就不能不考虑了。我们来看看超视距雷达的示意图:

    [​IMG]

    看到了么,这个就是传说中的雷达盲区。当然,我们伟大的工程师们当然不会对这种不完美屈服,他们脑洞大开的设计出各种修复这种 BUG 的雷达:

    [​IMG]

    但是,盲区还是会存在,包括机载的预警机搜索雷达以及舰载的搜索预警雷达。所以,盲区是搜索雷达寻找失联科技的第一个大困难。

    2、假设失联的客机已经遭遇不幸,也就是题主所说的坠毁。。。。那么搜索雷达面临的第二个困难是--它不知道搜什么东西。这可能有点不好理解,我们换一个说法。一架失联坠毁的客机,无论他在陆上坠毁还是海上坠毁,一个必然的结果就是--这货基本是摔成渣了。别问我怎么知道的。客机不是金刚钻,不是橡胶球,几万英尺的高度,数百节的速度,即便是摔到海绵上面也成粉了。这个时候我们就遇到这个问题了,我们搜啥?搜一个方形的碎片还是圆形的碎片?我们搜铝蒙皮还是搜座椅?其次。。。。搜索雷达的 UI 不是那么友好,不是望远镜,也不是间谍卫星,上面就是一片雪花。。。就算是飞机在上面也就是个不规则亮点。。。即便是搜到了,鬼知道他是飞机还是导弹还是飞碟还是大师兄的筋斗云?

    [​IMG]

    3、雷达的精度问题。。。唉,请饶恕我把目前雷达精度较高的合成孔径雷达拿出来讲事情吧--这破玩意一般是搞测绘或者是搞制导的,基本不能当搜索雷达用。合成孔径雷达国内能做到 1 米左右?差不多就这样了。据说美国人可以做到 10cm 的样子。精度相当可观,但是这东西搜索的最大问题是他扫描的范围太小了,举个例子吧,当我们测量一个小型零件的加工精度时,我们用非常精确的千分尺,但是如果要测量两个车站之间的距离,用千分尺得量到猴年马月啊?合成孔径雷达数据量之大简直可以用变态中的变态来形容,如果用它搜索 MH370 失踪的印度洋,那么估计要搜到世界毁灭了。。。所以我们可以得出一个结论来,那就是想要雷达精度高,那么搜索范围必然有限,想要雷达搜索范围大,那么精度就不要强求了,鱼与熊掌不可兼得啊!!

    发散一下思维看看吧,一架飞机---假设他不摔成粉(这货钻石做的),不沉到海底(这货是比海水轻的钻石),那么他的尺寸应该是 50 米*50 米级别,我们 MH370 失踪的伟大的印度洋的尺寸是:

    面积

    7492 万平方千米

    平均深度

    3854 米

    最大深度

    7455 米

    最大宽度

    10200 千米

    最大长度

    9400 千米

    海岸线

    41339 千米

    我的个姥姥啊,这级别就相当于在一个水库里面找一辆丢失的玩具车啊。。。。

    4、最后一个困难。。。。。飞机基本是金属做的,摔坏了之后,他会沉下去的。。。。。可能有机翼或者尾翼的盒段会浮着,但是绝大部分是会沉的。。沉了之后,怎么用雷达找?还是用声纳吧。。。

    综上吧,其他零零碎碎的原因不说了,总之,即便目前雷达搜索技术这么发达,找失联的飞机仍然不是那么容易的事。

    [​IMG] 张天然,地理博士/python新手/跑步爱好者

    关于雷达搜索,S kav写的很详细了,我也不是专家,就不献丑了,不过如果题主对卫星有兴趣的话,我可以简单介绍一下。

    目前虽然大家知道,很多的卫星数据(比如美国的 MODIS,VIIRS)都已经实现了全球覆盖,基本上每个地点每天会有两次过境数据。例如中国境内,MODIS-AQUA 和 NPP-VIIRS 都是大概午后和半夜过境得到图像,但是它们的缺陷就是空间分辨率太低。MODIS 的可见光有 500 米,而 VIIRS 最精确的 I 频段也只有 375 米。因此虽然它们的整个空间,比如华东地区的图像看起来很好 :

    [​IMG]

    图片来源:VIIRS “true color” RGB composite of channels M-03, M-04 and M-05, taken 05:21 UTC 28 September 2012

    但是如果将图像放大到某个小的范围,比如北京市:

    [​IMG]

    这张图是我自己导出的,因为 VIIRS 的高清段没有正常的红绿蓝波段来合成‘True color’图像,所以这张的图像颜色看起来会有些奇怪。但可以看到,基本只能获得城市的轮廓了。如果进一步放大呢?

    [​IMG]

    [​IMG]

    可以看到从南海、北海再到北边的一片水域,这么大得地方就只是很模糊的一些像素点了。如果从这些像素点里分析出一架飞机大小的数据,基本上是不可能的。所以这些全球覆盖的卫星数据,在分析比较小的物体时,意义不大。

    另一方面,现在的确也有很多高分辨率的卫星,能够达到 30m 到 1m,甚至更清晰的分辨率,也就是在 google earth 或其他地图应用中我们看到的很多卫星图像。但是遗憾的是,这些卫星可能需要几天甚至更久的时间实现对整个地球表面的扫描,有的在本身设计的时候就并没有计划用于全球扫描,只是在特定的轨道上运行,因此并不能获得任意地表的每天实时数据。同时,卫星在发射进入轨道运行后,它的轨道、指向地表的角度、以及到它的最终结体失效都是经过严格计算的,基本不会或者很少有发生在空中变轨来指向目的地点的情况。因为这将大大减少卫星的使用寿命。试想一颗卫星原本预定寿命是 5 年,而因为变轨缩短到 3-4 年,这其中的损失是巨大的,也会影响后续卫星的发射计划与使用。

    目前也有公司在努力实现 1m 卫星数据的多地点覆盖(Skybox Imaging),有兴趣的同学可以看一看他们的 TED 演讲,他们是在发射大卫星时同时附带自己的小卫星升空来实现降低成本的目的,很聪明的想法。但是和真正实现大范围的覆盖,距离还有很远。

    所以个人浅见,从卫星搜索的角度,即使目前科技发展的确日新月异,但是要实现对某个物体的搜索,还是相当困难的。

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