國外星載自動識別系統發展綜述

● 文 |中國電子科技集團公司第十研究所 李琨

中國電子科技集團公司電子科學研究院 方芳

國外星載自動識別系統發展綜述

● 文 |中國電子科技集團公司第十研究所 李琨

中國電子科技集團公司電子科學研究院 方芳

一、概述

星載自動識別系統（AIS）是近年來出現的一種新興技術，正在從根本上改變傳統的海上任務模式，可稱得上是一項革命性創舉。在軍事應用上，星載AIS主要能夠提供以下能力。

（1）目標識別

目標類型總體上可分為三類，即我方目標、敵方目標和中立民用目標。基于二次雷達的敵我識別（IFF）系統目前只能對友方目標進行確定識別，而無法區分民用目標和敵方目標。星載AIS通過獲取船舶AIS消息確定目標的身份信息、位置信息。

（2）廣域/全球海上監視

隨著星載AIS技術的快速發展，岸基AIS有限的探測范圍得到了很大的拓展，實現大范圍、甚至全球的海洋艦船目標監視已成為現實。

（3）海域態勢感知

對海上作戰而言，全面掌握海域態勢是十分重要的。海域感知（MDA）是對影響全球海域安全、海上經濟或海洋環境等各項因素的有效感知和理解。由于AIS可提供大量船舶相關信息，因此成為海域感知一個有效的組成部分。

二、近期發展

近年來，以美、歐等國家為代表，政府、軍事機構日益加強與商業機構合作，發展用于國家安全和軍事任務的星載AIS，主要計劃如下。

1.美國海軍目標指示試驗星載AIS計劃

美海軍研究實驗室（NRL）的目標指標試驗（TIE）載荷主要是利用改進的無人機載荷實時偵收0.5GHz～18.0 GHz頻段范圍內的射頻信號，同時也能夠偵收大型船舶的AIS信號，實施海上安全防護任務。

TIE載荷搭載平臺為戰術星-2（TacSat-2）。TacSat-2是美空軍研究實驗室（AFRL）構建的空間作戰快速響應（ORS）系列衛星之一，其目的是使太空資源能更快響應戰術部隊的作戰需求。TacSat-2在軌道高度420km、傾角40°的軌道上運行。星上載荷由NRL牽頭研發。在美國防部先期概念技術演示（ACTD）和美空軍空間測試計劃過程中，NRL采納了比常規航天器載荷研發項目更高的風險等級，并鼓勵采用硬件和軟件創新。此外，AIS接收系統也是作為一種軟件可重構無線電來實現，易于性能優化，且具有靈活性，僅通過上傳新的軟件即可提升其性能。TIE載荷的偵收范圍約為1390萬km2。

盡管TIE載荷成功地從星上搜集到AIS消息，甚至包括高密度交通海域的數據，可支持海上安全任務，但是從TIE已經搜集的數據來看，小區碰撞是一個嚴重問題，為星載AIS信號偵收帶來嚴峻挑戰。

2.美國海岸警衛隊商用低軌衛星AIS信號偵收

該項目將評估從商用低軌衛星偵收AIS信號的可行性。2006年3月，商業衛星數據服務提供商為軌道通信公司（ORBCOMM）發射了搭載AIS接收機的概念驗證星。該星載AIS接收機將偵收船舶報告的身份、位置及其他相關消息。除實現商業通信用途外，AIS數據還將被轉發給美國海岸警衛隊（USCG），幫助其實施岸海安全防護任務。不過，該項目存在各種挑戰，其中包括：一是存在重大干擾可能性，因為衛星收到的AIS同頻率信號有可能不是來自真正的船舶AIS廣播；二是衛星覆蓋范圍較廣，當收到的多個AIS信號處于同一時隙時，容易引起信號碰撞。USCG正在規劃多種方案來應對上述挑戰，包括在星上處理大量AIS消息。概念驗證星將幫助確定星載AIS系統提供的能力是否能夠與其他遠程識別和跟蹤系統協同工作，滿足覆蓋范圍要求。

3.挪威AISSat計劃

挪威是一個有著漫長海岸線的國家。為了更好地完成領海海域監測，尤其是對北冰洋海域的監測任務，挪威政府實施了基于超小型納衛星承擔海域監視任務的AISSat計劃。

AISSat-1為立方體衛星，邊長僅20cm，質量僅6kg，但功能十分強大，可接收船舶AIS信號，監視挪威海上艦船目標，掌握北極的航運活動情況；同時在搜索救援行動以及其他事件中能提供更好的海域全景，也是打擊非法捕魚的利器。

從2010年開始，挪威國防研究院（FFI）已經有2套星載AIS接收機運行工作。2010年夏，安裝在國際空間站（ISS）哥倫布實驗艙模塊的首部星載接收機NORAIS開始運行工作。通過AISSat-1，挪威政府的管理面積達200多萬km2的領海。由于該系統提供的信息比較敏感，所以挪威決定只限本國使用。

為保持挪威星載AIS能力，2014年7月，AISSat-2發射入軌，作為AISSat-1備份運行。兩個衛星同時工作，極大擴展了星載AIS系統提供的海上態勢感知范圍。2015年2月，NORAIS接收機被新一代NORAIS-2接收機取代。新系統除運行更高級的算法外，還可同時在4個AIS頻率上工作，且能實現在所有4個通道中512MB的星上采樣數據量，并同時解碼。

AISSat-3計劃于2017年10月發射。

4.全球星載AIS數據提取網絡計劃

全球星載AIS數據提取網絡（GLADIS）是近年來由NRL牽頭發展的一項計劃，旨在基于已有技術基礎上，形成一種費用可承擔、國際共享的全球遠程AIS信息和空間數據提取骨干網。

GLADIS預想為30顆低成本極軌納衛星組成的星座，由一個多國聯合體通過“劃分所有權”計劃，共同承擔多國共享資源和責任。衛星將采用5個面、每個面6顆星配置，軌道高度為550km。衛星與地球各處可通過數據鏈連接（10min內），因此，不管地面發射機位于何處，衛星都可連續搜集信號，包括海上8萬多艘船的日常AIS數據。

在數據提取方面，GLADIS主要用于低速數據流。任何符合基本消息規則的數據流，無論內容如何，都可傳輸，因此星座及其組件在某種意義上是與“數據無關”。

另外，GLADIS的AIS數據將通過傳感器（如ODTML硬件能力）或星上設備加密手段，以“授權”方式為相關用戶提供某種程度的解密能力。它將作為美國定義和部署全球星載AIS和數據提取骨干網工作進程的基礎。

5.歐洲航天局星載AIS計劃

歐洲航天局星載AIS（SAT-AIS）系統是歐洲航天局（ESA）發展的一項計劃，旨在實現海岸區域以外、更大范圍地擴展海上船舶監視與跟蹤。SAT-AIS主要任務包括：海上安全、執法（包括反海盜、非法捕撈、執行國際/國家法規，支持執法實施）、搜救（SAR）、海上監視、敏感海域船舶活動監控，包括反毒品、抓走私、邊境管制、船舶交通/導航監控、船舶交通管理等。

完整的SAT-AIS架構包括海上船舶AIS部分、岸基AIS設施、天基AIS星座、IT系統架構等。

SAT-AIS可偵收船載AIS設備發送數據，并由星上載荷處理。接收到的信號通過下行鏈路轉發至AIS地面接收站，之后，將AIS消息與相關輔助信息匯集，一并發送至數據處理中心進行精細處理，從而向用戶提供服務。地面控制中心站完成任務管理和星群中的衛星控制。

SAT-AIS計劃第一階段為2011－2013年，進行了系統設計和技術前期開發活動，并在多個相關領域進行了演示。第二階段為2013－2019年，將開發并發射SAT-AIS微衛星及載荷，創建新的應用和服務。

三、未來趨勢

AIS在軍事應用上是極具價值的。尤其是星載AIS，作為海域監視新興技術，越來越受到各個國家的重視。建立新一代全球覆蓋、實時組網的星載AIS體系，利用星載AIS與其他多源數據融合，實現全球海域態勢感知與目標監視，將是未來軍事應用領域的研究熱點。為此，美國、挪威、加拿大等國已制定了相應措施和規劃，其主要發展動向如下。

1.確保連續的、全球范圍的AIS信號覆蓋

提供真實、全球覆蓋的實時AIS信號，以獲取大范圍海域感知是未來的一個重要發展方向。對于低軌衛星覆蓋，衛星的數量越多，則覆蓋范圍越大。另外，除擁有相應數量的衛星外，通過受控的軌道機制，將其置于不同的軌道平面，獲得真正的全球覆蓋也極其重要。有研究表明，星載AIS系統的一個發展趨勢是采用降低功率和成本的小衛星。然而，中、低軌衛星所需的功率更低是因為地面發射機與衛星之間的平均距離更短。一些系統采用多付高增益天線來生成“聚束”，從而降低對天線復雜性或高輸出功率的要求。另一種趨勢是向更小型、成本更低的衛星發展，包括小衛星、微衛星、納衛星、皮衛星，甚至只有卡片大小的迷你衛星。

低軌衛星連續全球覆蓋要求一種由大量不同軌道的受控衛星組成的星座，美國發展的第二代銥星星座計劃（Iridium NEXT）將實現真正意義上的全球同時覆蓋。它由運行在6個極地軌道平面上的66顆衛星組成，另外還有6顆備用星。其主要載荷是哈里斯衛星甚高頻（VHF）接收機系統，包括星上的海域VHF接收機和相關地面組件，與exactEarth公司的地面處理及用戶分發基礎設施相結合，將提供一個前所未有的全球實時AIS性能和海事數據。這種星載是目前世界上最大型的、也是最先進的星載AIS星座。

2.增強瞬時海域感知能力

提供一種全球范圍的、實時的星載AIS系統不僅需要大量的衛星星座，而且還要求其體系架構提供實時衛星下行鏈路。未來發展方向傾向于利用交叉鏈路使空間中的衛星互聯，實際上是創建一種空間衛星網絡，以使所有衛星在任何時候都能實時接收和下傳AIS消息到地面站。Iridium NEXT即是采用這種體系架構，能夠通過全球互聯衛星和實時下行鏈路提供真正的實時通信性能。由于采用交叉鏈路組網，且與多個地面站保持恒常通信，因此能夠實時接收和分發全球AIS消息，且基本上沒有衛星固有的時延。

3.提高B類AIS信號檢測處理能力

B類AIS信號是形成海上完整態勢圖不可或缺的一部分。與國際海上人命安全公約（SOLAS）海上運輸要求規定的全部功能相應的設備稱為A類AIS。B類AIS設備是為小型船舶開發的、非SOLAS規定的商船和娛樂船只。據預測，在近十年內，裝備B類AIS設備的船只數量可達50萬～100萬艘。因此，要提供完整海域感知圖像，接收并處理B類AIS信號將成為星載AIS系統不可或缺的一項能力。然而，由于B類AIS信號受制于A類傳輸，且傳輸次數少、功率較低，因此，從星上探測到這些信號極具挑戰性。與B類AIS設備供應商合作開發信號波形，從而增強星上信號檢測能力，這是發展途徑之一。

4.改進星載AIS在軌再編程能力

未來海上VHF頻譜域的變化是不可避免的。在2015年11月瑞士日內瓦舉行的世界無線電會議（WRC）上已批準對海上VHF頻譜域可進行更改，包括“按照360（WRC-12）號決議，更改監管規定和頻譜分配，以使新型AIS技術能夠應用，從而提高海上無線電通信能力”。從目前國際層面的討論中可以看出，海上VHF頻譜域在短期內將發生變化。VHF數據交換系統（VDES）初始工作能力（IOC）目前計劃在2017年底實現，最終工作能力計劃于2020年初實現。為了跟上并利用這些變化，星載系統部組件要隨時采用最新先進技術升級，同時還要具備在軌靈活性和可重構能力，包括再編程能力，使平臺軟件具有足夠的靈活性，能夠在FPGA處理架構基礎上重新編程，使星上AIS接收機系統能夠自適應并充分利用海上VHF頻譜域變化。

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