衛(wèi)星通信在海上感知的應(yīng)用與軍民融合

+林竹明（福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái) 福建省衛(wèi)星海洋遙感與通訊工程研究中心）

1.前言

衛(wèi)星通信與常規(guī)通信相比具有一些得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，比如覆蓋面積廣，傳輸距離遠(yuǎn)，在海洋、森林和戈壁等人跡罕至的地區(qū)不需要基站也可以進(jìn)行通信。衛(wèi)星通信不需要鋪設(shè)電纜

和光纜，也不需要微波通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的中繼設(shè)備，更沒(méi)有短波通信的不確定性，只需要建設(shè)一座衛(wèi)星地球站，就可以在各種環(huán)境下進(jìn)行通信，是一種真正的可靠的長(zhǎng)距離通信技術(shù)[1]。

通信衛(wèi)星在海上感知領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，比如海洋遙感衛(wèi)星，船舶避碰AIS系統(tǒng)中使用的GPS定位衛(wèi)星，衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中使用的海事衛(wèi)星“Inmarsat”、“天通一號(hào)”和Ka頻段寬帶衛(wèi)星等。

2.海洋遙感衛(wèi)星

圖1 衛(wèi)星遙感原理圖

海洋衛(wèi)星通過(guò)可見(jiàn)光、紅外線和微波等由物體反射的光信號(hào)對(duì)地球表面進(jìn)行深度監(jiān)測(cè)，除了能監(jiān)測(cè)葉綠素濃度、海面溫度和海面懸浮泥沙監(jiān)測(cè)，還能幫助沿海居民抵御自然災(zāi)害，比如監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)的動(dòng)向等。

2.1 葉綠素濃度監(jiān)測(cè)

圖2是Aqua衛(wèi)星2009年2月份對(duì)福建沿海葉綠素濃度的遙感監(jiān)測(cè)圖。

2.2 海面溫度監(jiān)測(cè)

圖3是Aqua衛(wèi)星2009年2月份對(duì)福建省沿海的溫度監(jiān)測(cè)圖。

2.3 海面懸浮泥沙監(jiān)測(cè)

圖4是Aqua衛(wèi)星2009年2月份對(duì)福建省沿海的懸浮泥沙監(jiān)測(cè)圖。

2.4 臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)

圖5是向日葵8號(hào)氣象衛(wèi)星2020年6月份ji對(duì)臺(tái)風(fēng)“鸚鵡”觀測(cè)的云圖，通過(guò)云圖可以觀測(cè)臺(tái)風(fēng)的位置，從而讓沿海居民提前做好抵抗臺(tái)風(fēng)的準(zhǔn)備，極大地減少了人身和財(cái)產(chǎn)的損失。

3.船舶AIS系統(tǒng)

船舶AIS設(shè)備集成了GPS模塊，可以獲取漁船的位置等數(shù)據(jù)，同時(shí)AIS設(shè)備本身攜帶了船舶的長(zhǎng)寬等數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)向該船周?chē)鷱V播，能夠起到防避碰的作用。

3.1 全球定位系統(tǒng)GPS

GPS采用的是4星無(wú)源定位（GNSS）的技術(shù)，根據(jù)接收的4顆衛(wèi)星的位置信息和不同衛(wèi)星的時(shí)間差數(shù)據(jù)可以在本地計(jì)算出GPS設(shè)備的位置。

3.2 中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BDS

北斗衛(wèi)星從第一代的有源定位發(fā)展到第二代的與GPS定位相同的無(wú)源定位，邁入了先進(jìn)導(dǎo)航衛(wèi)星的行列。

3.3 AIS應(yīng)用

圖2 葉綠素濃度圖

圖3 福建沿海溫度監(jiān)測(cè)圖

圖4 福建省沿海的懸浮泥沙監(jiān)測(cè)圖

圖8是“寶船網(wǎng)”上顯示的福建省沿海區(qū)域的船舶實(shí)時(shí)定位情況分布圖。圖中密密麻麻的小圓點(diǎn)就是岸站接收到的船舶AIS設(shè)備發(fā)送的船舶位置數(shù)據(jù)。

4.衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

海上船舶通常使用短波和超短波這種無(wú)中繼式的通信方式溝通，但是這些通信方式容易受磁場(chǎng)、天氣等影響，在應(yīng)急的情況下常常不能及時(shí)發(fā)揮作用，而衛(wèi)星通信則解決了這個(gè)問(wèn)題。

4.1 海事衛(wèi)星Inmarsat系統(tǒng)

當(dāng)前主流的Inmarsat-4（I-4）系列建立起了全球3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)L頻段（1-2GHz）提供寬帶服務(wù)，提供了包括語(yǔ)音業(yè)務(wù)和較慢的數(shù)據(jù)服務(wù)。但是由于價(jià)格昂貴，每分鐘接近3元的成本以及雙向收費(fèi)的特性讓許多漁民無(wú)力承受。

4.2 天通一號(hào)衛(wèi)星

當(dāng)前已經(jīng)發(fā)射的天通一號(hào)是01號(hào)星，該星使用S頻段（2-4GHz）進(jìn)行通信，支持的主要是語(yǔ)音業(yè)務(wù)，傳輸速率相當(dāng)于陸地蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中的準(zhǔn)3G標(biāo)準(zhǔn)。

天通一號(hào)01星覆蓋范圍涵蓋第一島鏈內(nèi)所有區(qū)域，相比于Inmarsat具有價(jià)格親民和自主可控等優(yōu)勢(shì)。

4.3 Ka寬帶衛(wèi)星

海事衛(wèi)星與天通一號(hào)只保障了基礎(chǔ)的語(yǔ)音通信，要提供更高速的通信服務(wù)，寬帶衛(wèi)星不可或缺。Ka波段的頻段在20G以上，帶寬高，可以提供類(lèi)似陸地蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)4G的速度。但是由于頻率高，雨衰較大，船載設(shè)備昂貴等原因?qū)е翶a衛(wèi)星設(shè)備的普及率不高。當(dāng)前的Ka波段衛(wèi)星數(shù)目不多，中星16號(hào)是其中一顆。

5.海洋感知與軍民融合

圖5 臺(tái)風(fēng)“鸚鵡”衛(wèi)星云圖 圖片來(lái)源：福建省水利廳

圖6 無(wú)源定位原理圖

圖7 有源定位原理圖

軍事部門(mén)需要涉海單位和人員隨時(shí)將海上特殊目標(biāo)以照片、視頻等直觀的方式進(jìn)行報(bào)告，民用的各種海上感知設(shè)備在戰(zhàn)時(shí)都能臨時(shí)征用為軍隊(duì)提供服務(wù)。通過(guò)遙感衛(wèi)星對(duì)軍事要地進(jìn)行遠(yuǎn)程遙感，能及時(shí)獲取敵軍的海上力量分布情況；通過(guò)海面上分布密集的船舶搭載的AIS設(shè)備可以迅速識(shí)別出敵軍的船只和艦艇；而通過(guò)移動(dòng)通信衛(wèi)星搭建的語(yǔ)音通信網(wǎng)和寬帶通信網(wǎng)可以將收集到的敵軍信息通過(guò)高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)迅速地傳輸?shù)轿臆娭笓]陣地；其他的譬如海面大小浮標(biāo)等海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備也能在戰(zhàn)時(shí)發(fā)揮重要的作用。

圖8 福建沿海地區(qū)船舶定位圖 圖片來(lái)源：寶船網(wǎng)

圖9 衛(wèi)星通信原理圖