AIS系统在海洋遥感卫星的应用与设计优化_强薇.pdf

Vol.42，No.3Jun.2023第42卷第3期2023年6月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.03.003AIS 系统在海洋遥感卫星的应用与设计优化强薇1，宋庆君2，孙从容3（1.中国信息通信科技集团有限公司，北京100191；2.国家卫星海洋应用中心，北京100081；3.空间海洋遥感与应用研究重点实验室，北京100081）摘要：目前国际和国内已普遍采用星载船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）接收系统提升针对全球船只信息的采集和监测能力。本文主要介绍了国内外星载 AIS 系统发展的主要进展及取得的成果，重点针对目前星载 AIS 系统存在的近海船只密集区域信号碰撞导致检测概率降低的技术问题，通过建模仿真找到具体原因，给出后续 AIS 星载载荷针对此问题在设计和应用上的优化建议。本文可作为后续星载 AIS 系统设计的参考。关键词：海洋遥感卫星；船舶自动识别系统（AIS）；甚高频；电磁兼容中图分类号：V443文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）03-0020-09收稿日期：2022-07-07作者简介：强薇（1975），女，学士，工程师，主要从事通信技术研究与系统设计。E-mail：根据国际海事组织（International OrganizationforMigration，IMO）通过的 SOLAS（InternationalCo-nvention for Safety Life at Sea）公约，要求各国在2008 年 7 月 1 日前，必须安装 AIS 系统，其目的是为了进一步保证船只航行安全和人员安全。通过十几年的发展，AIS 系统已经成为全球船舶标配设备，同时相关 AIS 数据的接收、应用也得到很大发展，广泛应用于船只识别、定位、跟踪等领域，提升了航道管理能力，降低了船只碰撞事故发生的概率。岸基 AIS 系统主要由船载收发机、岸站基站和相关网络 3 个部分组成（图 1），是一种岸基 VHF（Very-High Frequency）频段的无线网络通信系统，主要应用于内河及近海海域的船舶监控，而对于远海船舶的运行情况及突发事件，由于 AIS 信号在海平面传播距离受到海平面效应影响，主要由岸基接收天线高度 H（M）和船载天线高度 h（m）确定，其公式为 R=2.5（H（M）1/2+h（m）1/2），而目前一般船只天线高度约 30 m 左右，同时考虑大气对无线电波的折射影响等，这样岸基 AIS 网络覆盖范围大概在3050 n mile 左右，无法及时向船只提供相关信息，也无法及时掌握相关船只信息1。为了解决这一问题，科研人员开始尝试利用卫星宽覆盖、高重访、高轨道的优势，将 AIS 功能集成在卫星上，实现对大洋航行船只的信息获取、识别功能。星载 AIS 系统由接收天线、接收机和高频电缆组成，完成 AIS 信号的接收、处理和数据转发，组成如图 2 所示。船舶台站发出的 VHF 频段信号经由星载 AIS 天线接收，经过 AIS 接收机放大、滤波、下变频处理后，实现 AIS 信号的捕获、跟踪、解调功能，AIS 载荷能够根据指令生成 AIS报文数据，并将数据实时传输至星上数传分系统，再由数传分系统下传至地面进行相应处理。星载 AIS 系统已经成功应该在国内外多颗卫星上，且取得了较好的应用成果，部分产品已经成为海监、海洋管理等部门业务化运行重要组成部分，但应该看到目前星载 AIS 系统针对全球部分近岸船只密集区域的监测能力较弱，甚至出现无法监测的情况，特别是针对我国东海、南海区域，由于船只密度较大，不同船只信号时隙较小，导致信号相互碰撞，接收机无法解调；另一方面由于近岸区域与第3期AIS 频率相关的低频信号功率密度较大，导致接收信号底噪较高，甚至超过了接收机自身的解调信噪比要求，从而导致 AIS 解调能力大幅下降2。而近海近岸船只信息动态实时获取功能在我国航道管理、海事救援、船只监控甚至军事方面有着重要的应用价值，因此星载 AIS 针对近海近岸船只信号的获取能力提升是今后一段时间急需解决的问题。本文在总结 AIS 星载系统应用成果的同时，重点针对以上相关问题进行分析，并给出初步的解决思路和措施。1国内外 AIS 卫星发展简述随着海事需求的不断增长，多国已纷纷开展基于星载 AIS 系统的在轨验证试验星和组网星研制，同时尝试对海事数据的商业化运营和业务化运营。目前国内外开展星基 AIS/VDES（VHF Data Excha-nge System）在轨验证和商业运营的主要卫星如表 1所示。星载 AIS 已经成为国际上大洋船只信息获取的图 1传统岸基 AIS 系统组成图远程网络AIS 远程监控无线网络基站AIS 监控客户端AIS 服务器海洋（内河）AIS 基站AIS 岸基固定基站专线专线图 2星地一体化 AIS 系统组成图VHF 信号链路地面链路岸站侦听范围船舶AIS 基站用户船舶AIS 基站星地链路船舶船舶AIS 指挥中心强薇，等：AIS 系统在海洋遥感卫星的应用与设计优化21海洋技术学报第42卷重要手段，AIS 卫星系统的发展途径主要可分为两大类。一类是发展专用的 AIS 卫星，例如美国提出的 Orbcomm 系统等；另一类是通过其他卫星搭载 AIS 载荷，以加拿大的 RCM-AIS 卫星、美国Tacsat-2 卫星和我国海洋遥感系列卫星为代表。1.1美国轨道通信（Orbcomm）系统Orbcomm 卫星系统具有投资小、周期短、兼备通信和定位能力、卫星质量轻、用户终端为手机、系统运行自动化水平高和自主功能强等优点。Orb-comm 系统由 36 颗小卫星及地面部分（含地面信关站、网络控制中心和地面终端设施）组成，其中 28颗卫星在补轨道平面上：地 I 轨道平面为 2 颗卫星，轨道高度为 736/749 km；第 2 至第 4 轨道平面的每个轨道平面布置 8 颗卫星，轨道高度为 775 km；第5 轨道平面有 2 颗卫星，轨道高度为 700 km，主要为增强高纬度地区的通信覆盖；另外 8 颗卫星为备份。Orbcomm 系统可提供数据报告、信息报文、全球数据报和指令等基本业务，系统采用的是 TDMA（Time Division Multiple Access）多址通信方式。ORBCOMM 公司第二代 OG2 卫星配备 AIS 有效载荷，接收与报告来自配备了AIS 的海上船只的信号。2014 年 6 月 11 日，在美国卡纳维拉尔角航天发射中心，利用 SpaceX Falcon 9 火箭发射 6 颗 OG2卫星，该卫星由内华达公司制造，有效载荷由波音公司制造，每颗卫星重量 172kg，功率为 400W，存储体积 1 m 1 m 0.5 m，展开体积 13 m 1 m 0.5 m，使用寿命不低于 5 年，图 3 为处于测试展开状态的 OG-2 卫星。1.2微纳卫星系列NORSAT-2 微纳卫星由 Space Flight Laboratory（SFL）研制，载荷具备 VDES（VHF Data ExchangeSystem）功能，能够接收 AIS 和 ASM（AutomatedManifest System）信息，并能够收发 VDE（VHFData Exchange）信息，单星重 15 kg（不含太阳翼），与卫星信关站上行链路频点在 S 频段，如图 4所示。天线形式为八木天线指向地平线方向，对地推扫，实现 VDE 信息广播。在国内，由国防科技大学研制的天拓系列微纳卫星于 2012 年开展发射，目前已经发射了 5 颗卫表 1在轨星基 AIS/VDES 卫星统计表国家卫星星座空间段体制年份基本情况美国Iridium NEXT 系统 VDESVDES2017 年 1 月配合定制 Iridium 船载终端，可实现全球船舶 1min 重访TACSAT-2AIS2006 年 12 月美国国防部 TACSAT-2 号卫星OrbComm 公司AIS2008 年 6 月美国的 OrbComm 公司发射卫星搭载 AIS 接收设备挪威与加拿大AISSat-1AIS2010 年 7 月挪威与加拿大合作研制试验卫星 AISSat-1加拿大NTSCANX-6VDES2008 年 4 月加拿大 AIS 卫星研制情况印度Rubin-8（德国）AIS2008 年 4 月印度卫星 AIS 探测专用星第一周内就检测到 600 000 个 AIS信号，第一次在轨实证了卫星 AIS 探测技术Rubin-9（德国）AIS2009 年 9 月中国天拓一号卫星AIS2012 年 5 月国防科技大学于 2009 年 10 月启动了“纳星集群飞行计划”海洋系列遥感卫星AIS2018 年 9 月已进入我国海洋遥感应用业务系统图 3ORBCOMM 公司处于测试展开状态的 OG-2 卫星图 4NORSAT-2 及工作模式22第3期星。卫星搭载的 AIS 载荷，24 小时常开。轨道高度500 km，对地幅宽 3 000 km。其中每天接收 AIS 报文超过 80 万条。其中 AIS 系统由一台自研接收机和一套“卷尺”天线组成（图 5），卫星入轨后采用热刀方式切断“卷尺”固定绳，天线展开后即可使用。天拓卫星采用低成本制造、多星组网运行的方式，目前已有多颗卫星在轨运行，通过组网方式可对全球船只信息形成快速覆盖的能力3。1.3海洋系列遥感卫星采用搭载方式开展全球 AIS 系统建设是一条发展捷径，可基于已有资源基础充分发挥卫星效能。2018 年至今，我国先后发射了 HY-1C/D、HY-2B/C/D 等全球海洋水色/微波遥感系列卫星，该系列卫星上均搭载了 AIS 接收系统，包含了 4 个 AIS 接收频点，目前该系列卫星获取的全球 AIS 信息已经进入我国海洋遥感业务体系，成为我国全球海洋船只信息监控系统的重要数据来源。以 HY-1C/D 卫星为例，该卫星在卫星X 方向（卫星飞行方向）分别安装两只“倒 F”型 AIS 天线，同时配置了两台对应接收机，利用卫星飞行状态，可以同一时间分别对卫星前后两个方向对应海面的船只信息进行接收解调，相当对同一区域进行了两次接收，这样可进一步提高卫星对船只信号的接收和解调概率。目前 HY-1C/D 卫星单星单轨 AIS接收幅宽达到 7 000 km 左右，双星组网可实现全球船只信息一天两次的覆盖探测能力，如果再考虑到HY-2 系列卫星 AIS 接收机探测能力，多星组网后可实现全球范围大洋区域船舶信息每天 4 次的观测，探测能力达到国际领先水平，可以接收全球范围内的船只位置和航行信息，实现全球范围船舶信息监控，具有全天时、全天候、远距离、大范围、卫星探测合法性等优点4。2星载 AIS 系统面临的问题搭载 AIS 载荷的海洋系列卫星自 2018 年组网发射以来，多颗卫星在轨工作超 4 年时间，获取了大量全球船只分布信息。但也应该注意到，通过对船只信息获取率的统计，发现在大洋区域（如太平洋、大西洋、印度洋）船只信息获取概率较高，基本与对应的信号解调信噪比一致，但对中国东南沿海地区、地中海地区、美国东海岸等船舶密集区域，AIS 报文接收情况很差，仅能收到少量报文。通过对 AIS 系统组成机理和在轨遥测数据的分析，导致部分区域解调概率较低的主要问题包括以下几个方面。2.1信号时序冲突碰撞船舶 AIS 使用 SOTDMA（Self-organized timedivision multiple access）通信协议，区域限制在20 n mile 范围，不会发生多艘船舶同时发射信号情况。当卫星对海面船舶 AIS 信号侦收时，天线波束同时覆盖数百甚至数千个 SOTDMA 通信区域，造成不同 SOTDMA 小区信号时隙冲突。由于近年来国家经济持续发展，我国海运吞吐量已经连续多年位居全球第一，全球 10 大港口中国独占七席，50 大港口中国占据了 56%，同时由于日本、韩国等东亚经济大国航路也经过我国近海区