卫星AIS星座方案研究

姚高乐 姜书成

摘  要：船舶自动识别系统（AIS）的出现极大地提高了海事管理机构的工作效率，保障了船舶的海上运输安全。但受限于船舶自动识别系统的工作半径，只有海岸线附近区域的船舶可以得到有效的监管调度。卫星AIS系统可有效弥补岸基AIS的弱点，AIS卫星可以在海事交通管理领域提供全天候、大范围的监控服务，实现对船舶实时动态的多要素、全方位监测。该文针对我国AIS卫星星座方案进行了研究，提出了我国AIS卫星发展路线的建议和AIS卫星分步组网的思路，并分析了其效能，为将来我国AIS卫星计划的实施提供了借鉴。

关键词：船舶自动识别系统  卫星  星座

中图分类号：U666.13                              文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）06（a）-0028-02

我国已基本实现了对沿海以及内河高等级航道（四级以上）全面AIS通信覆盖，但受岸基系统覆盖范围的制约，在中远海监管方面，还无法及时有效地支撑海事应用需求。卫星AIS可弥补岸基AIS的弱点，扩展AIS信号的覆盖范围。星载AIS在大范围甚至全球海洋监视中的优点突出，目前国外，包括美国、欧空局、加拿大、挪威、日本、德国、法国、意大利等都在积极发展自己的星载AIS系统，并且部分小卫星AIS已经发射并投入使用。

星载AIS已成为一种重要的大范围甚至全球海洋监视手段。我国海洋安全环境复杂，海洋权益面临诸多挑战，因此，开展AIS卫星相关研究，适时发展中国AIS卫星星座计划，对维护国家海洋权益，保障国家海洋安全具有重要意义。

1  国外卫星AIS系统的现状

Exactearth公司成立于2009年，是全球AIS卫星数据服务商，其数据处理供应链包括AIS卫星、地面接收站、受专利保护的解码算法和先进的“大数据”的处理和分析设备。该公司目前运营的AIS卫星数量达到17颗，其中第二代AIS卫星数量为9颗，截止到2017年年末，已经有4颗第二代AIS卫星投入运营。当前，Exactearth公司正式启动了第二代AIS卫星系统建设，该卫星系统将由60颗低轨道AIS卫星组成，将是世界上最大的商业AIS卫星系统之一，实现准确实时的全球船舶的跟踪能力。

Orbcomm系统是由美国Orbital Sciences公司和加拿大Teleglobe公司共同提出的，是目前世界上唯一投入商业运营的L-LEO系统。Orbcomm系统是一个采用分组交换方式的、全球覆盖的双向短信息通信系统。Orbcomm系统由36颗小卫星及地面部分（含地面信关站、网络控制中心和地面终端设施）组成，其中28颗卫星在补轨道平面上：第1轨道平面为2颗卫星，轨道高度为736/749km;第2至第4轨道平面的每个轨道平面布置8颗卫星，轨道高度为775km;第5轨道平面有2颗卫星，轨道高度为700km，主要为增强高纬度地区的通信覆盖;另外8颗卫星为备份。Orbcomm系统可提供数据报告、信息报文、全球数据报和指令等基本业务，系统采用的是TDMA多址通信方式。

2  自主AIS卫星发展路线分析

参照国外星载AIS系统的研发经验，结合我国现有的研究基础，针对我国星载AIS系统发展，应参照以下路线进行。

（1）深化小卫星载AIS关键技术，包括多普勒频移的补偿、AIS混叠信号分离以及星载接收天线设计的研究。

（2）进行港口岸基、船载、机载、其他卫星搭载以及小卫星载AIS演示验证试验，验证AIS信号接收、存储、转发、下传以及地面系统信号处理能力。

（3）发展实用性小卫星/小卫星星座AIS系统，形成大范围，甚至全球海洋监视的业务能力。

3  卫星AIS星座分析

我国是航运大国，获取卫星AIS数据是我国能够保障船舶远洋航线、探索新航线以及对全球航运经济进行大数据分析的必要条件，应尽快发展我国自主产权的卫星AIS系统，早日实现国产化。同时，还应进行AIS卫星星座的规划设计，在实现自主卫星在轨服务的前提下，尽快进行卫星组网建设，保证数据的时效性和可靠性，早日实现业务化运行。

未来卫星AIS系统工程应满足以下要求。

（1）全球覆盖：覆盖全球海域，包括极地（南北极）海洋地区。

（2）星座布局：用数量尽量少的卫星实现全球覆盖。

（3）船舶监管：满足船舶AIS信息更新率的基本要求。

（4）重点区域：满足北极航道、渤海湾等地区的高重访需求。

依据卫星对将交点地方时的要求，结合卫星轨道、运行方式以及当前商业卫星星座组网计划，根据当前国际上AIS卫星星座的组网计划以及国内相关企业低轨卫星系统建设的相关规划，分析每次更新卫星数量对AIS信息获取能力提升的要求，该方案建议采取1、4、16、36、68颗分步组网的思路。

（1）1颗卫星的服务能力。

1颗卫星具备3d实现全球覆盖的能力，具备12h覆盖全球90%以上区域的能力，对赤道地区覆盖能力差。

（2）4颗星的服务能力。

为了增强全球覆盖和重访能力，需要将4颗星分布在4个轨道面内，降交点地方时差1h，可以实现轨道面间的无缝覆盖，Walker星座基本参数T/P/F为4/4/1。4颗星组成的星座具备10h实现全球覆盖的能力。

（3）16颗星的服务能力。

16颗星分布在4个轨道面内，降交点地方时差1h，同轨道面的4颗星在面内均布，Walker星座基本参数T/P/F为16/4/2。16颗星组成的星座具备9h实现全球覆盖的能力。

（4）36颗星的服务能力。

36颗星分布在9个轨道面内，升交点赤经差21°，同轨道面的4颗星在面内均布，Walker星座基本参数T/P/F为36/9/2。36颗星组成的星座具備40min实现全球覆盖的能力。

（5）68颗星的服务能力。

68颗星分布在17个轨道面内，升交点赤经差10.5°，同轨道面的4颗星在面内均布，Walker星座基本参数T/P/F为68/17/2。66颗星组成的星座具备18min实现全球覆盖的能力。

卫星组网轨道设计高度为500～700km的太阳同步轨道，分为1、4、16、36和68颗阶段组网，每颗卫星都搭载AIS载荷，68颗卫星组网后，可实现我国领海9min AIS重访，针对渤海湾可实现8.1min重访、12min覆盖。

1、4、16、36、68颗卫星每日数据获取能力如表1所示。

4  结语

目前，我国卫星AIS数据主要依靠购买国外公司的数据产品，信息完整性和可靠性均无法得到充分保障。自主发射AIS卫星，乃至形成AIS卫星星座，能够解决我国卫星AIS数据全面依靠进口的问题，保障国家信息数据的安全。同时还能为中远海船舶的导航、监管提供基础数据，是促进智能航运发展的必然选择和重要手段。

参考文献

[1] 兰培真，刘旺盛，刘晓佳，等.低轨卫星自动识别系统在海事监管中的应用[J].中国航海，2012，35（2）：11-14.

[2] 丁峰.卫星AIS探测技术与应用[J].天津航海，2012（3）：36-38.

[3] 罗鑫.面向复杂观测任务的多星组网研究[D].中国地质大学，2018.