國(guó)外星載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)發(fā)展綜述

● 文 |中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所 李琨

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院 方芳

國(guó)外星載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)發(fā)展綜述

● 文 |中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所 李琨

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院 方芳

一、概述

星載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新興技術(shù)，正在從根本上改變傳統(tǒng)的海上任務(wù)模式，可稱(chēng)得上是一項(xiàng)革命性創(chuàng)舉。在軍事應(yīng)用上，星載AIS主要能夠提供以下能力。

（1）目標(biāo)識(shí)別

目標(biāo)類(lèi)型總體上可分為三類(lèi)，即我方目標(biāo)、敵方目標(biāo)和中立民用目標(biāo)。基于二次雷達(dá)的敵我識(shí)別（IFF）系統(tǒng)目前只能對(duì)友方目標(biāo)進(jìn)行確定識(shí)別，而無(wú)法區(qū)分民用目標(biāo)和敵方目標(biāo)。星載AIS通過(guò)獲取船舶AIS消息確定目標(biāo)的身份信息、位置信息。

（2）廣域/全球海上監(jiān)視

隨著星載AIS技術(shù)的快速發(fā)展，岸基AIS有限的探測(cè)范圍得到了很大的拓展，實(shí)現(xiàn)大范圍、甚至全球的海洋艦船目標(biāo)監(jiān)視已成為現(xiàn)實(shí)。

（3）海域態(tài)勢(shì)感知

對(duì)海上作戰(zhàn)而言，全面掌握海域態(tài)勢(shì)是十分重要的。海域感知（MDA）是對(duì)影響全球海域安全、海上經(jīng)濟(jì)或海洋環(huán)境等各項(xiàng)因素的有效感知和理解。由于AIS可提供大量船舶相關(guān)信息，因此成為海域感知一個(gè)有效的組成部分。

二、近期發(fā)展

近年來(lái)，以美、歐等國(guó)家為代表，政府、軍事機(jī)構(gòu)日益加強(qiáng)與商業(yè)機(jī)構(gòu)合作，發(fā)展用于國(guó)家安全和軍事任務(wù)的星載AIS，主要計(jì)劃如下。

1.美國(guó)海軍目標(biāo)指示試驗(yàn)星載AIS計(jì)劃

美海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）的目標(biāo)指標(biāo)試驗(yàn)（TIE）載荷主要是利用改進(jìn)的無(wú)人機(jī)載荷實(shí)時(shí)偵收0.5GHz～18.0 GHz頻段范圍內(nèi)的射頻信號(hào)，同時(shí)也能夠偵收大型船舶的AIS信號(hào)，實(shí)施海上安全防護(hù)任務(wù)。

TIE載荷搭載平臺(tái)為戰(zhàn)術(shù)星-2（TacSat-2）。TacSat-2是美空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）構(gòu)建的空間作戰(zhàn)快速響應(yīng)（ORS）系列衛(wèi)星之一，其目的是使太空資源能更快響應(yīng)戰(zhàn)術(shù)部隊(duì)的作戰(zhàn)需求。TacSat-2在軌道高度420km、傾角40°的軌道上運(yùn)行。星上載荷由NRL牽頭研發(fā)。在美國(guó)防部先期概念技術(shù)演示（ACTD）和美空軍空間測(cè)試計(jì)劃過(guò)程中，NRL采納了比常規(guī)航天器載荷研發(fā)項(xiàng)目更高的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并鼓勵(lì)采用硬件和軟件創(chuàng)新。此外，AIS接收系統(tǒng)也是作為一種軟件可重構(gòu)無(wú)線(xiàn)電來(lái)實(shí)現(xiàn)，易于性能優(yōu)化，且具有靈活性，僅通過(guò)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(wàn)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(shù)據(jù)，可支持海上安全任務(wù)，但是從TIE已經(jīng)搜集的數(shù)據(jù)來(lái)看，小區(qū)碰撞是一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，為星載AIS信號(hào)偵收帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2.美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)商用低軌衛(wèi)星AIS信號(hào)偵收

該項(xiàng)目將評(píng)估從商用低軌衛(wèi)星偵收AIS信號(hào)的可行性。2006年3月，商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)提供商為軌道通信公司（ORBCOMM）發(fā)射了搭載AIS接收機(jī)的概念驗(yàn)證星。該星載AIS接收機(jī)將偵收船舶報(bào)告的身份、位置及其他相關(guān)消息。除實(shí)現(xiàn)商業(yè)通信用途外，AIS數(shù)據(jù)還將被轉(zhuǎn)發(fā)給美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)（USCG），幫助其實(shí)施岸海安全防護(hù)任務(wù)。不過(guò)，該項(xiàng)目存在各種挑戰(zhàn)，其中包括：一是存在重大干擾可能性，因?yàn)樾l(wèi)星收到的AIS同頻率信號(hào)有可能不是來(lái)自真正的船舶AIS廣播；二是衛(wèi)星覆蓋范圍較廣，當(dāng)收到的多個(gè)AIS信號(hào)處于同一時(shí)隙時(shí)，容易引起信號(hào)碰撞。USCG正在規(guī)劃多種方案來(lái)應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，包括在星上處理大量AIS消息。概念驗(yàn)證星將幫助確定星載AIS系統(tǒng)提供的能力是否能夠與其他遠(yuǎn)程識(shí)別和跟蹤系統(tǒng)協(xié)同工作，滿(mǎn)足覆蓋范圍要求。

3.挪威AISSat計(jì)劃

挪威是一個(gè)有著漫長(zhǎng)海岸線(xiàn)的國(guó)家。為了更好地完成領(lǐng)海海域監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)北冰洋海域的監(jiān)測(cè)任務(wù)，挪威政府實(shí)施了基于超小型納衛(wèi)星承擔(dān)海域監(jiān)視任務(wù)的AISSat計(jì)劃。

AISSat-1為立方體衛(wèi)星，邊長(zhǎng)僅20cm，質(zhì)量?jī)H6kg，但功能十分強(qiáng)大，可接收船舶AIS信號(hào)，監(jiān)視挪威海上艦船目標(biāo)，掌握北極的航運(yùn)活動(dòng)情況；同時(shí)在搜索救援行動(dòng)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(yú)的利器。

從2010年開(kāi)始，挪威國(guó)防研究院（FFI）已經(jīng)有2套星載AIS接收機(jī)運(yùn)行工作。2010年夏，安裝在國(guó)際空間站（ISS）哥倫布實(shí)驗(yàn)艙模塊的首部星載接收機(jī)NORAIS開(kāi)始運(yùn)行工作。通過(guò)AISSat-1，挪威政府的管理面積達(dá)200多萬(wàn)km2的領(lǐng)海。由于該系統(tǒng)提供的信息比較敏感，所以挪威決定只限本國(guó)使用。

為保持挪威星載AIS能力，2014年7月，AISSat-2發(fā)射入軌，作為AISSat-1備份運(yùn)行。兩個(gè)衛(wèi)星同時(shí)工作，極大擴(kuò)展了星載AIS系統(tǒng)提供的海上態(tài)勢(shì)感知范圍。2015年2月，NORAIS接收機(jī)被新一代NORAIS-2接收機(jī)取代。新系統(tǒng)除運(yùn)行更高級(jí)的算法外，還可同時(shí)在4個(gè)AIS頻率上工作，且能實(shí)現(xiàn)在所有4個(gè)通道中512MB的星上采樣數(shù)據(jù)量，并同時(shí)解碼。

AISSat-3計(jì)劃于2017年10月發(fā)射。

4.全球星載AIS數(shù)據(jù)提取網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃

全球星載AIS數(shù)據(jù)提取網(wǎng)絡(luò)（GLADIS）是近年來(lái)由NRL牽頭發(fā)展的一項(xiàng)計(jì)劃，旨在基于已有技術(shù)基礎(chǔ)上，形成一種費(fèi)用可承擔(dān)、國(guó)際共享的全球遠(yuǎn)程AIS信息和空間數(shù)據(jù)提取骨干網(wǎng)。

GLADIS預(yù)想為30顆低成本極軌納衛(wèi)星組成的星座，由一個(gè)多國(guó)聯(lián)合體通過(guò)“劃分所有權(quán)”計(jì)劃，共同承擔(dān)多國(guó)共享資源和責(zé)任。衛(wèi)星將采用5個(gè)面、每個(gè)面6顆星配置，軌道高度為550km。衛(wèi)星與地球各處可通過(guò)數(shù)據(jù)鏈連接（10min內(nèi)），因此，不管地面發(fā)射機(jī)位于何處，衛(wèi)星都可連續(xù)搜集信號(hào)，包括海上8萬(wàn)多艘船的日常AIS數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)提取方面，GLADIS主要用于低速數(shù)據(jù)流。任何符合基本消息規(guī)則的數(shù)據(jù)流，無(wú)論內(nèi)容如何，都可傳輸，因此星座及其組件在某種意義上是與“數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)”。

另外，GLADIS的AIS數(shù)據(jù)將通過(guò)傳感器（如ODTML硬件能力）或星上設(shè)備加密手段，以“授權(quán)”方式為相關(guān)用戶(hù)提供某種程度的解密能力。它將作為美國(guó)定義和部署全球星載AIS和數(shù)據(jù)提取骨干網(wǎng)工作進(jìn)程的基礎(chǔ)。

5.歐洲航天局星載AIS計(jì)劃

歐洲航天局星載AIS（SAT-AIS）系統(tǒng)是歐洲航天局（ESA）發(fā)展的一項(xiàng)計(jì)劃，旨在實(shí)現(xiàn)海岸區(qū)域以外、更大范圍地?cái)U(kuò)展海上船舶監(jiān)視與跟蹤。SAT-AIS主要任務(wù)包括：海上安全、執(zhí)法（包括反海盜、非法捕撈、執(zhí)行國(guó)際/國(guó)家法規(guī)，支持執(zhí)法實(shí)施）、搜救（SAR）、海上監(jiān)視、敏感海域船舶活動(dòng)監(jiān)控，包括反毒品、抓走私、邊境管制、船舶交通/導(dǎo)航監(jiān)控、船舶交通管理等。

完整的SAT-AIS架構(gòu)包括海上船舶AIS部分、岸基AIS設(shè)施、天基AIS星座、IT系統(tǒng)架構(gòu)等。

SAT-AIS可偵收船載AIS設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，并由星上載荷處理。接收到的信號(hào)通過(guò)下行鏈路轉(zhuǎn)發(fā)至AIS地面接收站，之后，將AIS消息與相關(guān)輔助信息匯集，一并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行精細(xì)處理，從而向用戶(hù)提供服務(wù)。地面控制中心站完成任務(wù)管理和星群中的衛(wèi)星控制。

SAT-AIS計(jì)劃第一階段為2011－2013年，進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)前期開(kāi)發(fā)活動(dòng)，并在多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了演示。第二階段為2013－2019年，將開(kāi)發(fā)并發(fā)射SAT-AIS微衛(wèi)星及載荷，創(chuàng)建新的應(yīng)用和服務(wù)。

三、未來(lái)趨勢(shì)

AIS在軍事應(yīng)用上是極具價(jià)值的。尤其是星載AIS，作為海域監(jiān)視新興技術(shù)，越來(lái)越受到各個(gè)國(guó)家的重視。建立新一代全球覆蓋、實(shí)時(shí)組網(wǎng)的星載AIS體系，利用星載AIS與其他多源數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)全球海域態(tài)勢(shì)感知與目標(biāo)監(jiān)視，將是未來(lái)軍事應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為此，美國(guó)、挪威、加拿大等國(guó)已制定了相應(yīng)措施和規(guī)劃，其主要發(fā)展動(dòng)向如下。

1.確保連續(xù)的、全球范圍的AIS信號(hào)覆蓋

提供真實(shí)、全球覆蓋的實(shí)時(shí)AIS信號(hào)，以獲取大范圍海域感知是未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。對(duì)于低軌衛(wèi)星覆蓋，衛(wèi)星的數(shù)量越多，則覆蓋范圍越大。另外，除擁有相應(yīng)數(shù)量的衛(wèi)星外，通過(guò)受控的軌道機(jī)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(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是采用降低功率和成本的小衛(wèi)星。然而，中、低軌衛(wèi)星所需的功率更低是因?yàn)榈孛姘l(fā)射機(jī)與衛(wèi)星之間的平均距離更短。一些系統(tǒng)采用多付高增益天線(xiàn)來(lái)生成“聚束”，從而降低對(duì)天線(xiàn)復(fù)雜性或高輸出功率的要求。另一種趨勢(shì)是向更小型、成本更低的衛(wèi)星發(fā)展，包括小衛(wèi)星、微衛(wèi)星、納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星，甚至只有卡片大小的迷你衛(wèi)星。

低軌衛(wèi)星連續(xù)全球覆蓋要求一種由大量不同軌道的受控衛(wèi)星組成的星座，美國(guó)發(fā)展的第二代銥星星座計(jì)劃（Iridium NEXT）將實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球同時(shí)覆蓋。它由運(yùn)行在6個(gè)極地軌道平面上的66顆衛(wèi)星組成，另外還有6顆備用星。其主要載荷是哈里斯衛(wèi)星甚高頻（VHF）接收機(jī)系統(tǒng)，包括星上的海域VHF接收機(jī)和相關(guān)地面組件，與exactEarth公司的地面處理及用戶(hù)分發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，將提供一個(gè)前所未有的全球?qū)崟r(shí)AIS性能和海事數(shù)據(jù)。這種星載是目前世界上最大型的、也是最先進(jìn)的星載AIS星座。

2.增強(qiáng)瞬時(shí)海域感知能力

提供一種全球范圍的、實(shí)時(shí)的星載AIS系統(tǒng)不僅需要大量的衛(wèi)星星座，而且還要求其體系架構(gòu)提供實(shí)時(shí)衛(wèi)星下行鏈路。未來(lái)發(fā)展方向傾向于利用交叉鏈路使空間中的衛(wèi)星互聯(lián)，實(shí)際上是創(chuàng)建一種空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，以使所有衛(wèi)星在任何時(shí)候都能實(shí)時(shí)接收和下傳AIS消息到地面站。Iridium NEXT即是采用這種體系架構(gòu)，能夠通過(guò)全球互聯(lián)衛(wèi)星和實(shí)時(shí)下行鏈路提供真正的實(shí)時(shí)通信性能。由于采用交叉鏈路組網(wǎng)，且與多個(gè)地面站保持恒常通信，因此能夠?qū)崟r(shí)接收和分發(fā)全球AIS消息，且基本上沒(méi)有衛(wèi)星固有的時(shí)延。

3.提高B類(lèi)AIS信號(hào)檢測(cè)處理能力

B類(lèi)AIS信號(hào)是形成海上完整態(tài)勢(shì)圖不可或缺的一部分。與國(guó)際海上人命安全公約（SOLAS）海上運(yùn)輸要求規(guī)定的全部功能相應(yīng)的設(shè)備稱(chēng)為A類(lèi)AIS。B類(lèi)AIS設(shè)備是為小型船舶開(kāi)發(fā)的、非SOLAS規(guī)定的商船和娛樂(lè)船只。據(jù)預(yù)測(cè)，在近十年內(nèi)，裝備B類(lèi)AIS設(shè)備的船只數(shù)量可達(dá)50萬(wàn)～100萬(wàn)艘。因此，要提供完整海域感知圖像，接收并處理B類(lèi)AIS信號(hào)將成為星載AIS系統(tǒng)不可或缺的一項(xiàng)能力。然而，由于B類(lèi)AIS信號(hào)受制于A類(lèi)傳輸，且傳輸次數(shù)少、功率較低，因此，從星上探測(cè)到這些信號(hào)極具挑戰(zhàn)性。與B類(lèi)AIS設(shè)備供應(yīng)商合作開(kāi)發(fā)信號(hào)波形，從而增強(qiáng)星上信號(hào)檢測(cè)能力，這是發(fā)展途徑之一。

4.改進(jìn)星載AIS在軌再編程能力

未來(lái)海上VHF頻譜域的變化是不可避免的。在2015年11月瑞士日內(nèi)瓦舉行的世界無(wú)線(xiàn)電會(huì)議（WRC）上已批準(zhǔn)對(duì)海上VHF頻譜域可進(jìn)行更改，包括“按照360（WRC-12）號(hào)決議，更改監(jiān)管規(guī)定和頻譜分配，以使新型AIS技術(shù)能夠應(yīng)用，從而提高海上無(wú)線(xiàn)電通信能力”。從目前國(guó)際層面的討論中可以看出，海上VHF頻譜域在短期內(nèi)將發(fā)生變化。VHF數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（VDES）初始工作能力（IOC）目前計(jì)劃在2017年底實(shí)現(xiàn)，最終工作能力計(jì)劃于2020年初實(shí)現(xiàn)。為了跟上并利用這些變化，星載系統(tǒng)部組件要隨時(shí)采用最新先進(jìn)技術(shù)升級(jí)，同時(shí)還要具備在軌靈活性和可重構(gòu)能力，包括再編程能力，使平臺(tái)軟件具有足夠的靈活性，能夠在FPGA處理架構(gòu)基礎(chǔ)上重新編程，使星上AIS接收機(jī)系統(tǒng)能夠自適應(yīng)并充分利用海上VHF頻譜域變化。

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