国外星载自动识别系统发展综述

● 文 |中国电子科技集团公司第十研究所 李琨

中国电子科技集团公司电子科学研究院 方芳

国外星载自动识别系统发展综述

● 文 |中国电子科技集团公司第十研究所 李琨

中国电子科技集团公司电子科学研究院 方芳

一、概述

星载自动识别系统（AIS）是近年来出现的一种新兴技术，正在从根本上改变传统的海上任务模式，可称得上是一项革命性创举。在军事应用上，星载AIS主要能够提供以下能力。

（1）目标识别

目标类型总体上可分为三类，即我方目标、敌方目标和中立民用目标。基于二次雷达的敌我识别（IFF）系统目前只能对友方目标进行确定识别，而无法区分民用目标和敌方目标。星载AIS通过获取船舶AIS消息确定目标的身份信息、位置信息。

（2）广域/全球海上监视

随着星载AIS技术的快速发展，岸基AIS有限的探测范围得到了很大的拓展，实现大范围、甚至全球的海洋舰船目标监视已成为现实。

（3）海域态势感知

对海上作战而言，全面掌握海域态势是十分重要的。海域感知（MDA）是对影响全球海域安全、海上经济或海洋环境等各项因素的有效感知和理解。由于AIS可提供大量船舶相关信息，因此成为海域感知一个有效的组成部分。

二、近期发展

近年来，以美、欧等国家为代表，政府、军事机构日益加强与商业机构合作，发展用于国家安全和军事任务的星载AIS，主要计划如下。

1.美国海军目标指示试验星载AIS计划

美海军研究实验室（NRL）的目标指标试验（TIE）载荷主要是利用改进的无人机载荷实时侦收0.5GHz～18.0 GHz频段范围内的射频信号，同时也能够侦收大型船舶的AIS信号，实施海上安全防护任务。

TIE载荷搭载平台为战术星-2（TacSat-2）。TacSat-2是美空军研究实验室（AFRL）构建的空间作战快速响应（ORS）系列卫星之一，其目的是使太空资源能更快响应战术部队的作战需求。TacSat-2在轨道高度420km、倾角40°的轨道上运行。星上载荷由NRL牵头研发。在美国防部先期概念技术演示（ACTD）和美空军空间测试计划过程中，NRL采纳了比常规航天器载荷研发项目更高的风险等级，并鼓励采用硬件和软件创新。此外，AIS接收系统也是作为一种软件可重构无线电来实现，易于性能优化，且具有灵活性，仅通过上传新的软件即可提升其性能。TIE载荷的侦收范围约为1390万km2。

尽管TIE载荷成功地从星上搜集到AIS消息，甚至包括高密度交通海域的数据，可支持海上安全任务，但是从TIE已经搜集的数据来看，小区碰撞是一个严重问题，为星载AIS信号侦收带来严峻挑战。

2.美国海岸警卫队商用低轨卫星AIS信号侦收

该项目将评估从商用低轨卫星侦收AIS信号的可行性。2006年3月，商业卫星数据服务提供商为轨道通信公司（ORBCOMM）发射了搭载AIS接收机的概念验证星。该星载AIS接收机将侦收船舶报告的身份、位置及其他相关消息。除实现商业通信用途外，AIS数据还将被转发给美国海岸警卫队（USCG），帮助其实施岸海安全防护任务。不过，该项目存在各种挑战，其中包括：一是存在重大干扰可能性，因为卫星收到的AIS同频率信号有可能不是来自真正的船舶AIS广播；二是卫星覆盖范围较广，当收到的多个AIS信号处于同一时隙时，容易引起信号碰撞。USCG正在规划多种方案来应对上述挑战，包括在星上处理大量AIS消息。概念验证星将帮助确定星载AIS系统提供的能力是否能够与其他远程识别和跟踪系统协同工作，满足覆盖范围要求。

3.挪威AISSat计划

挪威是一个有着漫长海岸线的国家。为了更好地完成领海海域监测，尤其是对北冰洋海域的监测任务，挪威政府实施了基于超小型纳卫星承担海域监视任务的AISSat计划。

AISSat-1为立方体卫星，边长仅20cm，质量仅6kg，但功能十分强大，可接收船舶AIS信号，监视挪威海上舰船目标，掌握北极的航运活动情况；同时在搜索救援行动以及其他事件中能提供更好的海域全景，也是打击非法捕鱼的利器。

从2010年开始，挪威国防研究院（FFI）已经有2套星载AIS接收机运行工作。2010年夏，安装在国际空间站（ISS）哥伦布实验舱模块的首部星载接收机NORAIS开始运行工作。通过AISSat-1，挪威政府的管理面积达200多万km2的领海。由于该系统提供的信息比较敏感，所以挪威决定只限本国使用。

为保持挪威星载AIS能力，2014年7月，AISSat-2发射入轨，作为AISSat-1备份运行。两个卫星同时工作，极大扩展了星载AIS系统提供的海上态势感知范围。2015年2月，NORAIS接收机被新一代NORAIS-2接收机取代。新系统除运行更高级的算法外，还可同时在4个AIS频率上工作，且能实现在所有4个通道中512MB的星上采样数据量，并同时解码。

AISSat-3计划于2017年10月发射。

4.全球星载AIS数据提取网络计划

全球星载AIS数据提取网络（GLADIS）是近年来由NRL牵头发展的一项计划，旨在基于已有技术基础上，形成一种费用可承担、国际共享的全球远程AIS信息和空间数据提取骨干网。

GLADIS预想为30颗低成本极轨纳卫星组成的星座，由一个多国联合体通过“划分所有权”计划，共同承担多国共享资源和责任。卫星将采用5个面、每个面6颗星配置，轨道高度为550km。卫星与地球各处可通过数据链连接（10min内），因此，不管地面发射机位于何处，卫星都可连续搜集信号，包括海上8万多艘船的日常AIS数据。

在数据提取方面，GLADIS主要用于低速数据流。任何符合基本消息规则的数据流，无论内容如何，都可传输，因此星座及其组件在某种意义上是与“数据无关”。

另外，GLADIS的AIS数据将通过传感器（如ODTML硬件能力）或星上设备加密手段，以“授权”方式为相关用户提供某种程度的解密能力。它将作为美国定义和部署全球星载AIS和数据提取骨干网工作进程的基础。

5.欧洲航天局星载AIS计划

欧洲航天局星载AIS（SAT-AIS）系统是欧洲航天局（ESA）发展的一项计划，旨在实现海岸区域以外、更大范围地扩展海上船舶监视与跟踪。SAT-AIS主要任务包括：海上安全、执法（包括反海盗、非法捕捞、执行国际/国家法规，支持执法实施）、搜救（SAR）、海上监视、敏感海域船舶活动监控，包括反毒品、抓走私、边境管制、船舶交通/导航监控、船舶交通管理等。

完整的SAT-AIS架构包括海上船舶AIS部分、岸基AIS设施、天基AIS星座、IT系统架构等。

SAT-AIS可侦收船载AIS设备发送数据，并由星上载荷处理。接收到的信号通过下行链路转发至AIS地面接收站，之后，将AIS消息与相关辅助信息汇集，一并发送至数据处理中心进行精细处理，从而向用户提供服务。地面控制中心站完成任务管理和星群中的卫星控制。

SAT-AIS计划第一阶段为2011－2013年，进行了系统设计和技术前期开发活动，并在多个相关领域进行了演示。第二阶段为2013－2019年，将开发并发射SAT-AIS微卫星及载荷，创建新的应用和服务。

三、未来趋势

AIS在军事应用上是极具价值的。尤其是星载AIS，作为海域监视新兴技术，越来越受到各个国家的重视。建立新一代全球覆盖、实时组网的星载AIS体系，利用星载AIS与其他多源数据融合，实现全球海域态势感知与目标监视，将是未来军事应用领域的研究热点。为此，美国、挪威、加拿大等国已制定了相应措施和规划，其主要发展动向如下。

1.确保连续的、全球范围的AIS信号覆盖

提供真实、全球覆盖的实时AIS信号，以获取大范围海域感知是未来的一个重要发展方向。对于低轨卫星覆盖，卫星的数量越多，则覆盖范围越大。另外，除拥有相应数量的卫星外，通过受控的轨道机制，将其置于不同的轨道平面，获得真正的全球覆盖也极其重要。有研究表明，星载AIS系统的一个发展趋势是采用降低功率和成本的小卫星。然而，中、低轨卫星所需的功率更低是因为地面发射机与卫星之间的平均距离更短。一些系统采用多付高增益天线来生成“聚束”，从而降低对天线复杂性或高输出功率的要求。另一种趋势是向更小型、成本更低的卫星发展，包括小卫星、微卫星、纳卫星、皮卫星，甚至只有卡片大小的迷你卫星。

低轨卫星连续全球覆盖要求一种由大量不同轨道的受控卫星组成的星座，美国发展的第二代铱星星座计划（Iridium NEXT）将实现真正意义上的全球同时覆盖。它由运行在6个极地轨道平面上的66颗卫星组成，另外还有6颗备用星。其主要载荷是哈里斯卫星甚高频（VHF）接收机系统，包括星上的海域VHF接收机和相关地面组件，与exactEarth公司的地面处理及用户分发基础设施相结合，将提供一个前所未有的全球实时AIS性能和海事数据。这种星载是目前世界上最大型的、也是最先进的星载AIS星座。

2.增强瞬时海域感知能力

提供一种全球范围的、实时的星载AIS系统不仅需要大量的卫星星座，而且还要求其体系架构提供实时卫星下行链路。未来发展方向倾向于利用交叉链路使空间中的卫星互联，实际上是创建一种空间卫星网络，以使所有卫星在任何时候都能实时接收和下传AIS消息到地面站。Iridium NEXT即是采用这种体系架构，能够通过全球互联卫星和实时下行链路提供真正的实时通信性能。由于采用交叉链路组网，且与多个地面站保持恒常通信，因此能够实时接收和分发全球AIS消息，且基本上没有卫星固有的时延。

3.提高B类AIS信号检测处理能力

B类AIS信号是形成海上完整态势图不可或缺的一部分。与国际海上人命安全公约（SOLAS）海上运输要求规定的全部功能相应的设备称为A类AIS。B类AIS设备是为小型船舶开发的、非SOLAS规定的商船和娱乐船只。据预测，在近十年内，装备B类AIS设备的船只数量可达50万～100万艘。因此，要提供完整海域感知图像，接收并处理B类AIS信号将成为星载AIS系统不可或缺的一项能力。然而，由于B类AIS信号受制于A类传输，且传输次数少、功率较低，因此，从星上探测到这些信号极具挑战性。与B类AIS设备供应商合作开发信号波形，从而增强星上信号检测能力，这是发展途径之一。

4.改进星载AIS在轨再编程能力

未来海上VHF频谱域的变化是不可避免的。在2015年11月瑞士日内瓦举行的世界无线电会议（WRC）上已批准对海上VHF频谱域可进行更改，包括“按照360（WRC-12）号决议，更改监管规定和频谱分配，以使新型AIS技术能够应用，从而提高海上无线电通信能力”。从目前国际层面的讨论中可以看出，海上VHF频谱域在短期内将发生变化。VHF数据交换系统（VDES）初始工作能力（IOC）目前计划在2017年底实现，最终工作能力计划于2020年初实现。为了跟上并利用这些变化，星载系统部组件要随时采用最新先进技术升级，同时还要具备在轨灵活性和可重构能力，包括再编程能力，使平台软件具有足够的灵活性，能够在FPGA处理架构基础上重新编程，使星上AIS接收机系统能够自适应并充分利用海上VHF频谱域变化。

[1] Andrea Scorzolini, Veronica De Perini, Elena Razzano.European enhanced space-based AIS system study[C].Advanced satellite multimedia systems conference (ASMS) and the 11th signal processing for space communications workshop (spsc), 2010, 5th.IEEE 11558834, 27 September 2010.

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