衛星AIS星座方案研究

姚高樂 姜書成

摘 ?要：船舶自動識別系統（AIS）的出現極大地提高了海事管理機構的工作效率，保障了船舶的海上運輸安全。但受限于船舶自動識別系統的工作半徑，只有海岸線附近區域的船舶可以得到有效的監管調度。衛星AIS系統可有效彌補岸基AIS的弱點，AIS衛星可以在海事交通管理領域提供全天候、大范圍的監控服務，實現對船舶實時動態的多要素、全方位監測。該文針對我國AIS衛星星座方案進行了研究，提出了我國AIS衛星發展路線的建議和AIS衛星分步組網的思路，并分析了其效能，為將來我國AIS衛星計劃的實施提供了借鑒。

關鍵詞：船舶自動識別系統 ?衛星 ?星座

中圖分類號：U666.13 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）06（a）-0028-02

我國已基本實現了對沿海以及內河高等級航道（四級以上）全面AIS通信覆蓋，但受岸基系統覆蓋范圍的制約，在中遠海監管方面，還無法及時有效地支撐海事應用需求。衛星AIS可彌補岸基AIS的弱點，擴展AIS信號的覆蓋范圍。星載AIS在大范圍甚至全球海洋監視中的優點突出，目前國外，包括美國、歐空局、加拿大、挪威、日本、德國、法國、意大利等都在積極發展自己的星載AIS系統，并且部分小衛星AIS已經發射并投入使用。

星載AIS已成為一種重要的大范圍甚至全球海洋監視手段。我國海洋安全環境復雜，海洋權益面臨諸多挑戰，因此，開展AIS衛星相關研究，適時發展中國AIS衛星星座計劃，對維護國家海洋權益，保障國家海洋安全具有重要意義。

1 ?國外衛星AIS系統的現狀

Exactearth公司成立于2009年，是全球AIS衛星數據服務商，其數據處理供應鏈包括AIS衛星、地面接收站、受專利保護的解碼算法和先進的“大數據”的處理和分析設備。該公司目前運營的AIS衛星數量達到17顆，其中第二代AIS衛星數量為9顆，截止到2017年年末，已經有4顆第二代AIS衛星投入運營。當前，Exactearth公司正式啟動了第二代AIS衛星系統建設，該衛星系統將由60顆低軌道AIS衛星組成，將是世界上最大的商業AIS衛星系統之一，實現準確實時的全球船舶的跟蹤能力。

Orbcomm系統是由美國Orbital Sciences公司和加拿大Teleglobe公司共同提出的，是目前世界上唯一投入商業運營的L-LEO系統。Orbcomm系統是一個采用分組交換方式的、全球覆蓋的雙向短信息通信系統。Orbcomm系統由36顆小衛星及地面部分（含地面信關站、網絡控制中心和地面終端設施）組成，其中28顆衛星在補軌道平面上：第1軌道平面為2顆衛星，軌道高度為736/749km;第2至第4軌道平面的每個軌道平面布置8顆衛星，軌道高度為775km;第5軌道平面有2顆衛星，軌道高度為700km，主要為增強高緯度地區的通信覆蓋;另外8顆衛星為備份。Orbcomm系統可提供數據報告、信息報文、全球數據報和指令等基本業務，系統采用的是TDMA多址通信方式。

2 ?自主AIS衛星發展路線分析

參照國外星載AIS系統的研發經驗，結合我國現有的研究基礎，針對我國星載AIS系統發展，應參照以下路線進行。

（1）深化小衛星載AIS關鍵技術，包括多普勒頻移的補償、AIS混疊信號分離以及星載接收天線設計的研究。

（2）進行港口岸基、船載、機載、其他衛星搭載以及小衛星載AIS演示驗證試驗，驗證AIS信號接收、存儲、轉發、下傳以及地面系統信號處理能力。

（3）發展實用性小衛星/小衛星星座AIS系統，形成大范圍，甚至全球海洋監視的業務能力。

3 ?衛星AIS星座分析

我國是航運大國，獲取衛星AIS數據是我國能夠保障船舶遠洋航線、探索新航線以及對全球航運經濟進行大數據分析的必要條件，應盡快發展我國自主產權的衛星AIS系統，早日實現國產化。同時，還應進行AIS衛星星座的規劃設計，在實現自主衛星在軌服務的前提下，盡快進行衛星組網建設，保證數據的時效性和可靠性，早日實現業務化運行。

未來衛星AIS系統工程應滿足以下要求。

（1）全球覆蓋：覆蓋全球海域，包括極地（南北極）海洋地區。

（2）星座布局：用數量盡量少的衛星實現全球覆蓋。

（3）船舶監管：滿足船舶AIS信息更新率的基本要求。

（4）重點區域：滿足北極航道、渤海灣等地區的高重訪需求。

依據衛星對將交點地方時的要求，結合衛星軌道、運行方式以及當前商業衛星星座組網計劃，根據當前國際上AIS衛星星座的組網計劃以及國內相關企業低軌衛星系統建設的相關規劃，分析每次更新衛星數量對AIS信息獲取能力提升的要求，該方案建議采取1、4、16、36、68顆分步組網的思路。

（1）1顆衛星的服務能力。

1顆衛星具備3d實現全球覆蓋的能力，具備12h覆蓋全球90%以上區域的能力，對赤道地區覆蓋能力差。

（2）4顆星的服務能力。

為了增強全球覆蓋和重訪能力，需要將4顆星分布在4個軌道面內，降交點地方時差1h，可以實現軌道面間的無縫覆蓋，Walker星座基本參數T/P/F為4/4/1。4顆星組成的星座具備10h實現全球覆蓋的能力。

（3）16顆星的服務能力。

16顆星分布在4個軌道面內，降交點地方時差1h，同軌道面的4顆星在面內均布，Walker星座基本參數T/P/F為16/4/2。16顆星組成的星座具備9h實現全球覆蓋的能力。

（4）36顆星的服務能力。

36顆星分布在9個軌道面內，升交點赤經差21°，同軌道面的4顆星在面內均布，Walker星座基本參數T/P/F為36/9/2。36顆星組成的星座具備40min實現全球覆蓋的能力。

（5）68顆星的服務能力。

68顆星分布在17個軌道面內，升交點赤經差10.5°，同軌道面的4顆星在面內均布，Walker星座基本參數T/P/F為68/17/2。66顆星組成的星座具備18min實現全球覆蓋的能力。

衛星組網軌道設計高度為500～700km的太陽同步軌道，分為1、4、16、36和68顆階段組網，每顆衛星都搭載AIS載荷，68顆衛星組網后，可實現我國領海9min AIS重訪，針對渤海灣可實現8.1min重訪、12min覆蓋。

1、4、16、36、68顆衛星每日數據獲取能力如表1所示。

4 ?結語

目前，我國衛星AIS數據主要依靠購買國外公司的數據產品，信息完整性和可靠性均無法得到充分保障。自主發射AIS衛星，乃至形成AIS衛星星座，能夠解決我國衛星AIS數據全面依靠進口的問題，保障國家信息數據的安全。同時還能為中遠海船舶的導航、監管提供基礎數據，是促進智能航運發展的必然選擇和重要手段。

參考文獻

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