星载AIS技术及其应用发展

王晓海，郑立生

（空间电子信息技术研究院空间微波技术重点实验室，西安 710100；空军驻广州深圳地区军事代表室，广州 510310）



星载AIS技术及其应用发展

王晓海，郑立生

（空间电子信息技术研究院空间微波技术重点实验室，西安 710100；空军驻广州深圳地区军事代表室，广州 510310）

摘要：本文重点阐述了卫星AIS的应用现状与发展趋势。

关键词：船舶自动识别；AIS；星载AIS；海洋监视

1 卫星AIS技术

卫星AIS探测技术依托现有船载AIS终端设备形态和性能，利用卫星技术覆盖范围广的优势，利用低轨道小卫星，通过星上高灵敏度AIS信号探测转发设备，对连续、自动发射的AIS信号进行探测和传输，以实现远距离、大范围船舶的自动跟踪监视。同时，该技术可运用多普勒频移处理技术对探测到的AIS信号进行分析，验证AIS信号中船舶位置的真实性。该类小卫星因其设备复杂程度低、通信时间延迟短、功能和抗毁性强、安全性高、应急能力与灵活性强、实用性和可靠性高、具有系统建设周期短、投资和发射与营运成本低等特点。如何在现有船载AIS设备性能基础上，对AIS信号进行远距离高灵敏度捕获和对信号密集区的重叠冲突信号进行识别，是该技术的主要瓶颈［21］。

卫星AIS对卫星平台的要求比较低，微卫星或纳卫星即可满足要求。在AIS卫星上安装标准AIS接收器和全向天线，就可以接收AIS信息。也可作为附加载荷，在其他大中型卫星上安装AIS接收器和全向天线来实现卫星平台［17］。

卫星AIS技术就是为了弥补岸基AIS系统的覆盖限制，拓展数据接收范围，进而实现船舶全球监控。卫星AIS技术通过在卫星上面搭载AIS收发机来接收和解码AIS报文并将信息转发给相应的地面站，从而让陆地管理机构掌握船舶的相关动态信息［25］。

2 卫星AIS应用现状与前景

卫星AIS属于非实时通信系统，它对船舶位置的覆盖并不是一直持续的，要实现系统全球范围的覆盖，应使用存储转发技术传输AIS数据。即用户发送的报文在卫星上解调/解码，若信宿站就在当前卫星覆盖范围内，文件就被立即转发到信宿站，否则文件将由卫星固态存储器保存，等待卫星飞经信宿站上空时再被转发［25］。

近些年来，随着卫星AIS技术的快速发展，其应用领域越来越广泛，并且逐渐持续朝向纵深层面发展。它可以提高船舶监测能力，加强船舶交通监管［18］；打击海上恐怖主义［18］；协助海上搜寻救援［18］。

除上述基础应用外，可将卫星AIS数据与岸基AIS数据进行融合，有利于全面和完整的收集船舶AIS数据，实现对船舶的全程跟踪与监控。同时，可使电子海图系统上显示的船舶航迹等信息更加连贯，融合数据在利用过程中的效率和效益都将大幅提高。

3 卫星AIS发展趋势与展望

3.1 基于小卫星的星载AIS的海洋监视技术［20］

现有的船载和岸基AIS是一种陆/海基站系统，受天线高度的限制，其最大作用距离通常小于离岸50海里以内，从而导致其在大范围甚至全球海洋监视中的重要作用与地位并未得到完全体现。随着航天技术，特别是小卫星系统技术的快速发展，基于小卫星载AIS实现大范围甚至全球海洋监视已成为现实与可能。

国防科技大学电子科学与工程学院的计科峰等对基于小卫星的星载AIS的海洋监视技术开展了研究，在参考文献［20］中进行了较为全面深入的阐述和分析探讨。

与传统的船载和岸基AIS系统相比，基于小卫星的星载AIS系统是具有卫星探测能力的新型海洋监视系统，它通过使用一颗或多颗低轨（轨道高度600～1,000km）小卫星构成小卫星星座或小卫星编队接收船舶发出的AIS信号，并将其转发到地面站进行分析、处理，从而实现大范围甚至全球海域的舰船监视。

星载AIS系统由船载AIS信号发射器、低轨小卫星和地面站三部分构成。其中船载AIS信号发射器对应于现有船载、岸基AIS系统中的船载AIS信号发射器。低轨小卫星装载有一个或者多个AIS信号接收天线，通过这些天线接收监视区域内所有船舶AIS信号，并对其采样、打包形成AIS数据流，然后再将其与AIS信号的接收时间、接收增益等其他参数进行加密，下传至地面站。最后，地面站再对接收到的数据流进行解密、解调、解码等处理，最终得到监视区域内所有船舶的移动服务编码、船名等静态信息，船位、航速、航向等动态信息以及航次信息和安全短消息等。

与现有的船载和岸基AIS系统相比，星载AIS通过实现AIS信号的卫星接收，可大大提高AIS系统的覆盖范围，实现大范围甚至全球海洋监视。由于星载AIS可充分利用现有船载AIS信号发射器，再加之小卫星快速、低廉的特点，因此，星载AIS已成为一种非常有前途的大范围甚至全球海洋监视系统。

3.2 基于星载SAR与AIS信息融合的海洋监视技术

高分辨率SAR图像为舰船类型识别提供了可能，但舰船类型识别结果难以有效验证。若SAR与AIS覆盖相同范围，匹配二者信息，则可利用AIS提供的信息对SAR舰船目标探测结果进行有效验证。具体来说，就是利用AIS提供的高精度的先验已知目标信息，配合SAR开展高分辨率舰船目标检测识别［6］。

船舶尾迹形状特征与船舶航速、船体轮廓密切相关，故可通过船舶尾迹特征来研究船体及其活动特征。船舶只要处于运动中，就会留下尾迹，并且在一段时间内不会消失，容易被SAR成像，通过观测船舶尾迹间接估测航速，对于船舶航向，则直接根据船舶尾迹特征进行判断。

在海洋战场，利用SAR进行舰船的监视、检测和类型识别，可以有效地提取舰船目标的位置、长宽、航向及航速等重要参数，可以及时地获得敌对目标的重要军事情报，对于确保我军掌握海上战场主动权和取得军事行动的成功都将起到重要的作用，同时对于实现我国海军从浅蓝走向深蓝的战略也具有十分重要的意义［24］。

国防科技大学电子科学与工程学院的赵志等对基于星载SAR与AIS信息融合的海洋监视技术开展了研究，在其参考文献［22］中对星载SAR与AIS多目标数据关联以及信息融合的数据模型进行了较为全面深入的阐述和分析探讨。

虽然星载SAR与AIS在海洋监视应用中具有显著的优点，但是，受到技术发展水平的限制，比如AIS数据存在一定的错误和漏检率，SAR图像解译算法还不成熟等。因此，通过将星载SAR与AIS进行信息融合，使其优势互补，已成为目前海洋监视领域的研究热点之一［22］。

基于星载SAR与AIS信息融合的海洋监视技术作为海洋监视领域新兴技术，越来越受到各个国家的重视。随着星载SAR与AIS技术的不断进步，极大程度地推动基于二者信息融合的海洋监视技术的发展，SAR与AIS信息融合技术的发展将会有更广阔的应用前景［22］。

基于星载SAR与AIS信息融合的海洋监视技术存在的主要技术难点和挑战包括：

（1）系统误差的控制难度大，造成数据精度的先天性缺陷，例如SAR成像的近似处理、SAR图像校正精度以及AIS GPS定位精度等，这就对信息融合算法提出了高的要求［22］。

（2）基于星载SAR与AIS信息融合的海洋监视技术研究基本上停留在基于位置特征的多目标数据关联的层面，尤其在复杂海况以及船舶密集航行条件下，此关联算法稳定性能不够，关联精度有待提高［22］。

（3）对不同工作模式下，星载SAR与AIS信息融合技术、基于多传感器信息融合的海洋监视技术以及工程化应用方面的研究比较少［22］。■

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.06.011

中图分类号：TN927，TN96

文献标识码：A 文章编码：1672-7274（2016）06-0030-02