星載AIS技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展

王曉海，鄭立生

（空間電子信息技術(shù)研究院空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100；空軍駐廣州深圳地區(qū)軍事代表室，廣州 510310）

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星載AIS技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展

王曉海，鄭立生

（空間電子信息技術(shù)研究院空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710100；空軍駐廣州深圳地區(qū)軍事代表室，廣州 510310）

摘要：本文重點(diǎn)闡述了衛(wèi)星AIS的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：船舶自動(dòng)識(shí)別；AIS；星載AIS；海洋監(jiān)視

1 衛(wèi)星AIS技術(shù)

衛(wèi)星AIS探測(cè)技術(shù)依托現(xiàn)有船載AIS終端設(shè)備形態(tài)和性能，利用衛(wèi)星技術(shù)覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)，利用低軌道小衛(wèi)星，通過(guò)星上高靈敏度AIS信號(hào)探測(cè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，對(duì)連續(xù)、自動(dòng)發(fā)射的AIS信號(hào)進(jìn)行探測(cè)和傳輸，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大范圍船舶的自動(dòng)跟蹤監(jiān)視。同時(shí)，該技術(shù)可運(yùn)用多普勒頻移處理技術(shù)對(duì)探測(cè)到的AIS信號(hào)進(jìn)行分析，驗(yàn)證AIS信號(hào)中船舶位置的真實(shí)性。該類小衛(wèi)星因其設(shè)備復(fù)雜程度低、通信時(shí)間延遲短、功能和抗毀性強(qiáng)、安全性高、應(yīng)急能力與靈活性強(qiáng)、實(shí)用性和可靠性高、具有系統(tǒng)建設(shè)周期短、投資和發(fā)射與營(yíng)運(yùn)成本低等特點(diǎn)。如何在現(xiàn)有船載AIS設(shè)備性能基礎(chǔ)上，對(duì)AIS信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離高靈敏度捕獲和對(duì)信號(hào)密集區(qū)的重疊沖突信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，是該技術(shù)的主要瓶頸［21］。

衛(wèi)星AIS對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的要求比較低，微衛(wèi)星或納衛(wèi)星即可滿足要求。在AIS衛(wèi)星上安裝標(biāo)準(zhǔn)AIS接收器和全向天線，就可以接收AIS信息。也可作為附加載荷，在其他大中型衛(wèi)星上安裝AIS接收器和全向天線來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)［17］。

衛(wèi)星AIS技術(shù)就是為了彌補(bǔ)岸基AIS系統(tǒng)的覆蓋限制，拓展數(shù)據(jù)接收范圍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶全球監(jiān)控。衛(wèi)星AIS技術(shù)通過(guò)在衛(wèi)星上面搭載AIS收發(fā)機(jī)來(lái)接收和解碼AIS報(bào)文并將信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的地面站，從而讓陸地管理機(jī)構(gòu)掌握船舶的相關(guān)動(dòng)態(tài)信息［25］。

2 衛(wèi)星AIS應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

衛(wèi)星AIS屬于非實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)，它對(duì)船舶位置的覆蓋并不是一直持續(xù)的，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全球范圍的覆蓋，應(yīng)使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)傳輸AIS數(shù)據(jù)。即用戶發(fā)送的報(bào)文在衛(wèi)星上解調(diào)/解碼，若信宿站就在當(dāng)前衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)，文件就被立即轉(zhuǎn)發(fā)到信宿站，否則文件將由衛(wèi)星固態(tài)存儲(chǔ)器保存，等待衛(wèi)星飛經(jīng)信宿站上空時(shí)再被轉(zhuǎn)發(fā)［25］。

近些年來(lái)，隨著衛(wèi)星AIS技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，并且逐漸持續(xù)朝向縱深層面發(fā)展。它可以提高船舶監(jiān)測(cè)能力，加強(qiáng)船舶交通監(jiān)管［18］；打擊海上恐怖主義［18］；協(xié)助海上搜尋救援［18］。

除上述基礎(chǔ)應(yīng)用外，可將衛(wèi)星AIS數(shù)據(jù)與岸基AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，有利于全面和完整的收集船舶AIS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的全程跟蹤與監(jiān)控。同時(shí)，可使電子海圖系統(tǒng)上顯示的船舶航跡等信息更加連貫，融合數(shù)據(jù)在利用過(guò)程中的效率和效益都將大幅提高。

3 衛(wèi)星AIS發(fā)展趨勢(shì)與展望

3.1 基于小衛(wèi)星的星載AIS的海洋監(jiān)視技術(shù)［20］

現(xiàn)有的船載和岸基AIS是一種陸/海基站系統(tǒng)，受天線高度的限制，其最大作用距離通常小于離岸50海里以內(nèi)，從而導(dǎo)致其在大范圍甚至全球海洋監(jiān)視中的重要作用與地位并未得到完全體現(xiàn)。隨著航天技術(shù)，特別是小衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，基于小衛(wèi)星載AIS實(shí)現(xiàn)大范圍甚至全球海洋監(jiān)視已成為現(xiàn)實(shí)與可能。

國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的計(jì)科峰等對(duì)基于小衛(wèi)星的星載AIS的海洋監(jiān)視技術(shù)開展了研究，在參考文獻(xiàn)［20］中進(jìn)行了較為全面深入的闡述和分析探討。

與傳統(tǒng)的船載和岸基AIS系統(tǒng)相比，基于小衛(wèi)星的星載AIS系統(tǒng)是具有衛(wèi)星探測(cè)能力的新型海洋監(jiān)視系統(tǒng)，它通過(guò)使用一顆或多顆低軌（軌道高度600～1,000km）小衛(wèi)星構(gòu)成小衛(wèi)星星座或小衛(wèi)星編隊(duì)接收船舶發(fā)出的AIS信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)到地面站進(jìn)行分析、處理，從而實(shí)現(xiàn)大范圍甚至全球海域的艦船監(jiān)視。

星載AIS系統(tǒng)由船載AIS信號(hào)發(fā)射器、低軌小衛(wèi)星和地面站三部分構(gòu)成。其中船載AIS信號(hào)發(fā)射器對(duì)應(yīng)于現(xiàn)有船載、岸基AIS系統(tǒng)中的船載AIS信號(hào)發(fā)射器。低軌小衛(wèi)星裝載有一個(gè)或者多個(gè)AIS信號(hào)接收天線，通過(guò)這些天線接收監(jiān)視區(qū)域內(nèi)所有船舶AIS信號(hào)，并對(duì)其采樣、打包形成AIS數(shù)據(jù)流，然后再將其與AIS信號(hào)的接收時(shí)間、接收增益等其他參數(shù)進(jìn)行加密，下傳至地面站。最后，地面站再對(duì)接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行解密、解調(diào)、解碼等處理，最終得到監(jiān)視區(qū)域內(nèi)所有船舶的移動(dòng)服務(wù)編碼、船名等靜態(tài)信息，船位、航速、航向等動(dòng)態(tài)信息以及航次信息和安全短消息等。

與現(xiàn)有的船載和岸基AIS系統(tǒng)相比，星載AIS通過(guò)實(shí)現(xiàn)AIS信號(hào)的衛(wèi)星接收，可大大提高AIS系統(tǒng)的覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)大范圍甚至全球海洋監(jiān)視。由于星載AIS可充分利用現(xiàn)有船載AIS信號(hào)發(fā)射器，再加之小衛(wèi)星快速、低廉的特點(diǎn)，因此，星載AIS已成為一種非常有前途的大范圍甚至全球海洋監(jiān)視系統(tǒng)。

3.2 基于星載SAR與AIS信息融合的海洋監(jiān)視技術(shù)

高分辨率SAR圖像為艦船類型識(shí)別提供了可能，但艦船類型識(shí)別結(jié)果難以有效驗(yàn)證。若SAR與AIS覆蓋相同范圍，匹配二者信息，則可利用AIS提供的信息對(duì)SAR艦船目標(biāo)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行有效驗(yàn)證。具體來(lái)說(shuō)，就是利用AIS提供的高精度的先驗(yàn)已知目標(biāo)信息，配合SAR開展高分辨率艦船目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別［6］。

船舶尾跡形狀特征與船舶航速、船體輪廓密切相關(guān)，故可通過(guò)船舶尾跡特征來(lái)研究船體及其活動(dòng)特征。船舶只要處于運(yùn)動(dòng)中，就會(huì)留下尾跡，并且在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)消失，容易被SAR成像，通過(guò)觀測(cè)船舶尾跡間接估測(cè)航速，對(duì)于船舶航向，則直接根據(jù)船舶尾跡特征進(jìn)行判斷。

在海洋戰(zhàn)場(chǎng)，利用SAR進(jìn)行艦船的監(jiān)視、檢測(cè)和類型識(shí)別，可以有效地提取艦船目標(biāo)的位置、長(zhǎng)寬、航向及航速等重要參數(shù)，可以及時(shí)地獲得敵對(duì)目標(biāo)的重要軍事情報(bào)，對(duì)于確保我軍掌握海上戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)和取得軍事行動(dòng)的成功都將起到重要的作用，同時(shí)對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)海軍從淺藍(lán)走向深藍(lán)的戰(zhàn)略也具有十分重要的意義［24］。

國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的趙志等對(duì)基于星載SAR與AIS信息融合的海洋監(jiān)視技術(shù)開展了研究，在其參考文獻(xiàn)［22］中對(duì)星載SAR與AIS多目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)以及信息融合的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了較為全面深入的闡述和分析探討。

雖然星載SAR與AIS在海洋監(jiān)視應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但是，受到技術(shù)發(fā)展水平的限制，比如AIS數(shù)據(jù)存在一定的錯(cuò)誤和漏檢率，SAR圖像解譯算法還不成熟等。因此，通過(guò)將星載SAR與AIS進(jìn)行信息融合，使其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，已成為目前海洋監(jiān)視領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［22］。

基于星載SAR與AIS信息融合的海洋監(jiān)視技術(shù)作為海洋監(jiān)視領(lǐng)域新興技術(shù)，越來(lái)越受到各個(gè)國(guó)家的重視。隨著星載SAR與AIS技術(shù)的不斷進(jìn)步，極大程度地推動(dòng)基于二者信息融合的海洋監(jiān)視技術(shù)的發(fā)展，SAR與AIS信息融合技術(shù)的發(fā)展將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景［22］。

基于星載SAR與AIS信息融合的海洋監(jiān)視技術(shù)存在的主要技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)包括：

（1）系統(tǒng)誤差的控制難度大，造成數(shù)據(jù)精度的先天性缺陷，例如SAR成像的近似處理、SAR圖像校正精度以及AIS GPS定位精度等，這就對(duì)信息融合算法提出了高的要求［22］。

（2）基于星載SAR與AIS信息融合的海洋監(jiān)視技術(shù)研究基本上停留在基于位置特征的多目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的層面，尤其在復(fù)雜海況以及船舶密集航行條件下，此關(guān)聯(lián)算法穩(wěn)定性能不夠，關(guān)聯(lián)精度有待提高［22］。

（3）對(duì)不同工作模式下，星載SAR與AIS信息融合技術(shù)、基于多傳感器信息融合的海洋監(jiān)視技術(shù)以及工程化應(yīng)用方面的研究比較少［22］。■

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.06.011

中圖分類號(hào)：TN927，TN96

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編碼：1672-7274（2016）06-0030-02