中小型无人机AIS侦察系统应用技术*

杨云志

(中电科航空电子有限公司，成都 611731)

0 引 言

船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)已在船舶航行及管理中得到广泛应用，加装了AIS设备的船舶将实时地连续广播本船的海上移动通信业务标识(Maritime Mobile Service Identity，MMSI)船号、船舶概况(如类型、船长、船宽、吃水等)、船位、航速、航向、航行状态、出发地、目的地等信息，同时也接收其他船舶发出的AIS信号。然而，船站AIS设备或岸站船舶交通服务(Vessel Traffic Service，VTS)设备由于受天线架设高度限制，其接收AIS信号的距离较短(视距)，感知附近船舶信息范围较窄[1]。为提高接收AIS信号的距离范围，提升AIS信息的应用效能，扩大监控范围和效果，可采用在无人机上集成AIS设备，开展大范围海洋巡察作业任务。无人机在几百米甚至上千米的高空中动态接收巡察海域船舶的AIS信号，能极大提高巡航海域船舶AIS信号的接收范围，有效提高对巡察海域内船舶的动态、实时跟踪、识别及取证等能力，从而能更有效地实现对巡察海域船舶实时精准监视与管控。

我国海域广阔，特别是近年国家一带一路的快速推进和海洋经济的迅猛发展，对海上交通安全的监管越来越重要。为保障我国领海的安全和海上交通的顺畅，促进海洋经济发展，维护我国海洋权益，急需加强对所辖海域的全覆盖监管，海洋监管手段需要不断提升和改进。

当前，传统的VTS、AIS岸基海洋监管手段将无法对所辖海域实现全方位覆盖、全天候监控以及对突发事件的快速响应，需要大范围、长航时、快速的海上监管手段实现对大范围海域实施及时有效的监管。文献[2]介绍了挪威、美国、荷兰以及德国等国基于卫星平台的AIS应用以及我国当前的应用现状，基于卫星平台的AIS应用具有覆盖面广、传输距离远等特点，但在局部海域长时间监控、可疑目标持续跟踪监视以及系统使用成本等方面具有较大的局限性，这方面采用无人机平台集成AIS进行海域监视是卫星AIS应用的很好补充。文献[3]介绍的大型无人机用于海洋监管，由于受到大型无人机平台使用复杂、成本高昂等限制，在日常海域监管中的使用率不高，应用效率低，故很少用于常态化的日常作业应用。随着无人机技术和电子技术的飞速发展，中小型无人机在飞行距离、续航时间、数据传输、任务载荷以及飞行操控等方面的性能都得到了显著提升[4-5]。

本文介绍的基于中小型低成本无人机平台的AIS侦收系统，可实现大范围、长航时、实时动态生成侦察海域动态信息，具备功能性能齐全、风险低、性价比高、使用维护简便等特点，在海岸海域监管、海岛监管、海域船舶识别以及海洋污染监管等海洋资源管理方面将会得到广泛应用。

1 AIS基本性能及特点

1.1 AIS基本性能

根据国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)2002年12月召开的SOLAS(International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS)公约缔约国海上保安外交大会通过的SOLAS公约修正案要求，安装AIS设备的船舶在海洋、河流、湖泊等宽阔水面航行时，能有效地感知和预报船舶的航行信息，从而提升航行水域的安全性，防止航行水域船舶间的碰撞，有效避免船舶航行事故的发生[6-7]。

AIS基本功能及性能参数如下：

(1)实现船-船、船-岸间进行安全相关信息的交换与识别；

(2)自动播发和接收静态信息、动态信息、航行相关信息以及安全相关信息；

(3)岸站与船舶间进行信息交互，实现对航行水域的监督与管理；

(4)在强制报告区和自愿报告区自动报告；

(5)工作频道：AIS1、AIS2；

(6)信道带宽：25 kHz、12.5 kHz；

(7)工作模式：自主连续、指配、轮询或受控等工作模式。

1.2 AIS的主要应用特点

AIS在船舶中的主要应用特点如下：

(1)在航行区域内，能自主、连续工作，连续自动播放船舶信息；

(2)定位精度和分辨力高，能实现船舶的高精度的定位与跟踪；

(3)能够自动、快捷、全面地提供有助于船舶航行和避碰的静态、动态、识别码以及船舶避撞措施等信息，为船舶的安全航行提供保障；

(4)为船舶航行提供安全保障条件，可改善海(水)域安全航行环境的监控力度，提高海事部门对船舶遇险救助的指挥和决策能力；

(5)能及时追踪和监控肇事逃逸船舶，维护海域的环境安全等。

1.3 无人机载AIS系统在海洋巡察中的作用

采用无人机执行海(水)域巡察作业任务时，通过在无人机平台上集成AIS接收设备，实时动态侦收巡察海域范围船舶发出的AIS信号，可快速、准确地对巡察海域船舶实时动态进行监管，能有效提升海域的监管能力和效率。

无人机搭载AIS接收设备执行海域巡察作业的主要作用如下：

(1)实时动态大范围采集巡察海(水)域范围内船舶的动态和静态信息；

(2)实时有效准确识别和定位巡察区域内的船舶，提高对海域态势监视的准确性和完整性；

(3)与无人机平台上其他传感器(如光电传感器)探测的目标信息进行融合，能更准确、直观地辨别和识别船舶的个体特征和属性；

(4)侦收的船舶AIS信息通过无人机数据链传到岸站VTS中心，有利于VTS中心对所管辖海(水)域船舶活动情况的实时动态监管，并能扩大VTS中心监管的有效范围和能力。

2 中小型无人机AIS侦察系统组成及工作原理

2.1 中小型无人机AIS侦察系统侦收范围分析

由于船载或岸基AIS设备天线架设高度受限，且信号传输距离受地球曲率影响，通常只有几十公里的视距范围，故AIS信号被船载或岸基设备接收的距离较短。

电波传播的常规公式如下：

(1)

式中：R的单位为km。

(1)岸基与船舶间AIS信号传播距离

假设h1为VTS中心站AIS设备天线架设高度(30 m)，h2为船舶AIS设备天线架设高度(10 m)，由公式(1)计算得，VTS中心站与船舶之间的信息有效传输距离约为35.6 km。

若AIS设备安装在无人机平台上，由于机载AIS设备天线比地面(VTS中心站或船舶)架设的天线要高出很多，通常无人机的飞行高度在几百米甚至上千米高度。

(2)无人机与船舶间AIS信号传播距离

假设h1为无人机载AIS设备天线架设高度(无人机飞行高度)(1 000 m)，h2为船舶AIS设备天线架设高度(10 m)，由式(1)计算得，无人机与船舶之间的信息有效传输距离约为143.3 km。根据文献[8]的研究，在实际海洋环境条件下，AIS的传播距离要比理论计算的结果要大，即无人机在1 000 m高度接收AIS信号的距离将达到200 km的范围。

由上面AIS信号传输距离计算结果可知，AIS设备安装在无人机平台上，对AIS信号侦收的距离将大大提高(大约是VTS中心接收船舶AIS信号距离的4倍以上)，从而AIS信号的侦收范围也将极大地增大，故无人机载AIS接收设备将能接收比陆地或船载AIS设备接收更大区域范围AIS设备发出的信号，极大提升接收船舶AIS信号的侦收范围，有效扩大对海域的监管区域和能力，从而确保海域船舶航行的安全、可靠。

岸站/船载与无人机载AIS信号侦收区域示意如图1所示。

图1 无人机载AIS信号侦收区域示意图

2.2 系统功能及主要性能参数

中小型无人机AIS侦察系统的主要功能如下：

(1)动态接收无人机巡航海域范围船舶AIS设备发出的静态、动态以及安全相关等信息；

(2)将接收的AIS信号通过无人机数据链实时传回地面站或岸站监控中心；

(3)将无人机搭载的光电传感器及其他传感器探测的信息与侦收的AIS信息进行融合，可生成更加准确、有效、直观地巡察海域态势信息；

(4)与无人机上的光电传感器信息相结合，可对肇事船舶进行精准的拍摄、定位、识别和取证，并可实时追踪肇事船舶；

(5)能极大提升对巡察海域的监视与管控能力，并有效避免船舶的碰撞风险，提升海域安全航行等。

中小型无人机AIS侦察系统的典型性能参数如下：

(1)平台类型：中小型复合翼无人机；

(2)巡航高度：100～2 000 m；

(3)起飞质量：10～80 kg；

(4)巡航半径：优于150 km；

(5)巡航速度：90～150 km/h；

(6)续航时间：6 h以上；

(7)典型任务载荷：AIS接收设备、光电吊舱、SAR等；

(8)AIS接收设备典型参数：工作频点为161.975 MHz、162.025 MHz，接收灵敏度优于-110 dBm，接收动态范围优于100 dB，数据报文处理优于3 500 packet/min，侦收半径优于100 km@1 000 m(飞行高度)；

(9)光电吊舱：可见光、红外成像。

2.3 系统组成及工作原理

中小型无人机AIS侦察系统主要由无人机平台、任务载荷、数据链以及地面站等部分组成，其中，无人机平台为中小型复合翼无人，任务载荷包括机载AIS接收设备和光电吊舱，数据链由数据链机载端机和数据链地面端机组成，地面站由无人机操控设备和信息处理端机组成。

系统组成框图如图2所示，系统原理框图如图3所示。

图2 系统组成图

图3 系统原理框图

由图3可知，AIS接收设备在无人机对所辖海域进行巡航时，实时侦收巡航海域内船舶发出的AIS信号，对侦收的信号进行实时处理与解析，获得船舶的具体信息(如MMSI船号、位置信息、船速、航行状态、船舶及载货类型等)，解析的信息通过数据链下传到地面站；地面站同步接收光电吊舱拍摄的巡航海域内图像信息，并在信息处理端机将目标AIS信息与光电信息进行融合处理，得到直观且详细的巡察海域内侦察到的船舶实时动态信息，根据需要可将生成的巡察海域目标动态信息推送给VTS中心。

2.4 关键技术分析

2.4.1 无人机巡航过程中AIS信号动态接收技术

岸站和船载AIS信号的接收都是在固定或船舶低速航行状态下进行的，AIS接收设备集成在无人机上后，将在无人机高速运动状态下接收海面船舶发出的AIS信号，无人机飞行范围宽、速度快，在巡航过程中，动态接收巡航区域船舶发出的AIS信号。由于受飞行速度、飞行姿态、海杂波、多路信号等因素影响，在信号采集、处理和信息提取中将会存在信号重叠、混叠、窜扰、海杂波干扰以及多普勒效应等现象，故在进行信号处理时需采取抗混叠滤波、快速多普勒滤波以及幅度自适应匹配滤波等处理技术，实现AIS信号的动态接收和快速处理。

2.4.2 AIS信息与光电图像匹配与融合技术

无人机上加装的光电传感设备可获取船舶的实时图像信息，但要准确识别或判别船舶属性或类型时，就需借助于如AIS设备侦收的信息一起进行信息融合处理。利用无人机载AIS设备侦收的信息与同平台光电传感器拍摄的船舶图像信息，通过采用时空坐标动态转换与配准、视场快速切换与目标动态跟随、AIS解析信息与光电图像信息自适应匹配等技术，进行AIS侦收信息与光电图像信息的融合处理，从而实现探测目标的精准识别。

2.4.3 适配于中小型无人机平台的AIS设备小型化技术

AIS设备是船舶常规电子设备，产品设计、安装、环境适应性等都基于船舶应用考虑的，若将AIS设备应用于无人机上，将能较好地扩展AIS的应用范围和使用方式。中小型无人机因其设计和使用限制，对集成于平台上的电子(任务)设备的体积、重量和功耗等装机要求都比较高甚至苛刻，故在中小型无人机上集成AIS设备时，无人机载AIS设备必须要充分考虑和兼顾无人机平台的安装空间、设备(天线)布局、供电以及重量等基本要求，采取小型化、轻量化、低功耗等设计技术，从而满足无人机平台的总体要求；同时，无人机载AIS设备天线的设计和安装也要充分结合无人机机体特性，采用双天线或共形天线，既要避免机体对接收信号的遮挡又不能影响平台的气动特性，确保飞行安全。

3 系统应用及工作流程

3.1 系统工作流程

中小型无人机AIS侦察系统的工作流程如图4所示。

图4 系统工作流程图

由图4可知，在需要执行海域巡察任务作业时，首先需要作业任务要求，开展无人机作业任务的准备工作；根据巡察任务要求，在地面站规划无人机的飞行航线、巡航高度、巡航速度、巡航区域以及AIS设备和光电设备配置数据等参数，通过数据链上传到飞机平台飞控计算机，并检查无人机飞前工作状态；无人机起飞后，按照航线自动飞行到巡察海域，抵达目的地，自动切换到侦察巡航航线开展作业任务，将巡航过程中侦收的船舶AIS信息和光电传感器拍摄的图像信息实时传回地面站并进行综合处理；任务执行完成后，无人机按规划航线返航、降落，同时将机载存储的原始数据和图像下载进行精处理及分析。在进行巡察任务过程中，若接收到临时性或紧急新任务时，无人机将根据新任务要求临时更改任务参数(如航线、航速、飞行高度以及其他参数等)，并按照新的任务航线开展巡察任务和执行后续飞行直至任务结束。

3.2 系统应用

中小型无人机AIS侦察系统开展海域巡察作业任务，能实时动态获取巡察海域及其船舶的状态信息。侦察系统按照作业任务的巡察区域、巡察时间、飞行速度以及作业高度等要求，规划无人机的飞行航线、巡航高度、巡航速度、AIS设备工作参数以及光电吊舱拍摄视场角等任务工作模式，开展海域巡察任务。

执行巡察任务过程时，巡察范围内侦收到的船舶AIS信息和光电图像信息通过无人机数据链实时同步传回地面站；地面站对传回的信息进行实时综合处理，在信息处理端机对AIS信息与光电图像信息进行融合处理。采用异构多源数据融合，通过模式特征提取、神经网络决策、多模特征加权评分以及机器学习等步骤，实现AIS与光电的异构信息的目标检测、目标识别以及信息融合，从而生成巡察海域的实时动态影像综合态势图，如图5所示。综合态势图可有效且直观地实时显示与监控巡察海域船舶情况，对监控海域船舶进行指挥、调度和预警，且能有效避免如船舶发生碰撞的风险。

4 结束语

本文通过分析AIS和中小型无人机的作用和特点，详细阐述了基于中小型无人机平台集成AIS传感器构建的中小型无人机AIS侦察系统的功能性能、系统组成、工作原理和关键技术，分析了中小型无人机AIS侦察系统开展海域巡察的作用和益处。文中结合工程应用，介绍了系统的工作流程和应用模式。采用中小型无人机集成AIS设备和光电吊舱等任务载荷执行海域巡察任务，能极大地提高海域巡察范围和效率，同时也将是海事巡逻和应急救援领域的一种新手段和新方法。