衛(wèi)星AIS星座方案研究

1、    衛(wèi)星ais星座方案研究    姚高樂 姜書成摘  要：船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（ais）的出現(xiàn)極大地提高了海事管理機(jī)構(gòu)的工作效率，保障了船舶的海上運(yùn)輸安全。但受限于船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的工作半徑，只有海岸線附近區(qū)域的船舶可以得到有效的監(jiān)管調(diào)度。衛(wèi)星ais系統(tǒng)可有效彌補(bǔ)岸基ais的弱點(diǎn)，ais衛(wèi)星可以在海事交通管理領(lǐng)域提供全天候、大范圍的監(jiān)控服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的多要素、全方位監(jiān)測(cè)。該文針對(duì)我國ais衛(wèi)星星座方案進(jìn)行了研究，提出了我國ais衛(wèi)星發(fā)展路線的建議和ais衛(wèi)星分步組網(wǎng)的思路，并分析了其效能，為將來我國ais衛(wèi)星計(jì)劃的實(shí)施提供了借鑒。關(guān)鍵

2、詞：船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)  衛(wèi)星  星座：u666.13                              ：a                         ：1672-3791（2019）06（a）-0028-02我國已基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)沿海以及內(nèi)河高等級(jí)航道（四級(jí)以上）全面ais通信覆蓋，但受岸基系統(tǒng)覆

3、蓋范圍的制約，在中遠(yuǎn)海監(jiān)管方面，還無法及時(shí)有效地支撐海事應(yīng)用需求。衛(wèi)星ais可彌補(bǔ)岸基ais的弱點(diǎn)，擴(kuò)展ais信號(hào)的覆蓋范圍。星載ais在大范圍甚至全球海洋監(jiān)視中的優(yōu)點(diǎn)突出，目前國外，包括美國、歐空局、加拿大、挪威、日本、德國、法國、意大利等都在積極發(fā)展自己的星載ais系統(tǒng)，并且部分小衛(wèi)星ais已經(jīng)發(fā)射并投入使用。星載ais已成為一種重要的大范圍甚至全球海洋監(jiān)視手段。我國海洋安全環(huán)境復(fù)雜，海洋權(quán)益面臨諸多挑戰(zhàn)，因此，開展ais衛(wèi)星相關(guān)研究，適時(shí)發(fā)展中國ais衛(wèi)星星座計(jì)劃，對(duì)維護(hù)國家海洋權(quán)益，保障國家海洋安全具有重要意義。1  國外衛(wèi)星ais系統(tǒng)的現(xiàn)狀exactearth公司成立于20

4、09年，是全球ais衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)商，其數(shù)據(jù)處理供應(yīng)鏈包括ais衛(wèi)星、地面接收站、受專利保護(hù)的解碼算法和先進(jìn)的“大數(shù)據(jù)”的處理和分析設(shè)備。該公司目前運(yùn)營的ais衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到17顆，其中第二代ais衛(wèi)星數(shù)量為9顆，截止到2017年年末，已經(jīng)有4顆第二代ais衛(wèi)星投入運(yùn)營。當(dāng)前，exactearth公司正式啟動(dòng)了第二代ais衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)，該衛(wèi)星系統(tǒng)將由60顆低軌道ais衛(wèi)星組成，將是世界上最大的商業(yè)ais衛(wèi)星系統(tǒng)之一，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的全球船舶的跟蹤能力。orbcomm系統(tǒng)是由美國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業(yè)運(yùn)營的l-leo系統(tǒng)。

5、orbcomm系統(tǒng)是一個(gè)采用分組交換方式的、全球覆蓋的雙向短信息通信系統(tǒng)。orbcomm系統(tǒng)由36顆小衛(wèi)星及地面部分（含地面信關(guān)站、網(wǎng)絡(luò)控制中心和地面終端設(shè)施）組成，其中28顆衛(wèi)星在補(bǔ)軌道平面上：第1軌道平面為2顆衛(wèi)星，軌道高度為736/749km;第2至第4軌道平面的每個(gè)軌道平面布置8顆衛(wèi)星，軌道高度為775km;第5軌道平面有2顆衛(wèi)星，軌道高度為700km，主要為增強(qiáng)高緯度地區(qū)的通信覆蓋;另外8顆衛(wèi)星為備份。orbcomm系統(tǒng)可提供數(shù)據(jù)報(bào)告、信息報(bào)文、全球數(shù)據(jù)報(bào)和指令等基本業(yè)務(wù)，系統(tǒng)采用的是tdma多址通信方式。2  自主ais衛(wèi)星發(fā)展路線分析參照國外星載ais系統(tǒng)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)

6、合我國現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，針對(duì)我國星載ais系統(tǒng)發(fā)展，應(yīng)參照以下路線進(jìn)行。（1）深化小衛(wèi)星載ais關(guān)鍵技術(shù)，包括多普勒頻移的補(bǔ)償、ais混疊信號(hào)分離以及星載接收天線設(shè)計(jì)的研究。（2）進(jìn)行港口岸基、船載、機(jī)載、其他衛(wèi)星搭載以及小衛(wèi)星載ais演示驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證ais信號(hào)接收、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、下傳以及地面系統(tǒng)信號(hào)處理能力。（3）發(fā)展實(shí)用性小衛(wèi)星/小衛(wèi)星星座ais系統(tǒng)，形成大范圍，甚至全球海洋監(jiān)視的業(yè)務(wù)能力。3  衛(wèi)星ais星座分析我國是航運(yùn)大國，獲取衛(wèi)星ais數(shù)據(jù)是我國能夠保障船舶遠(yuǎn)洋航線、探索新航線以及對(duì)全球航運(yùn)經(jīng)濟(jì)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析的必要條件，應(yīng)盡快發(fā)展我國自主產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星ais系統(tǒng)，早日實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化

7、。同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行ais衛(wèi)星星座的規(guī)劃設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)自主衛(wèi)星在軌服務(wù)的前提下，盡快進(jìn)行衛(wèi)星組網(wǎng)建設(shè)，保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性和可靠性，早日實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。未來衛(wèi)星ais系統(tǒng)工程應(yīng)滿足以下要求。（1）全球覆蓋：覆蓋全球海域，包括極地（南北極）海洋地區(qū)。（2）星座布局：用數(shù)量盡量少的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。（3）船舶監(jiān)管：滿足船舶ais信息更新率的基本要求。（4）重點(diǎn)區(qū)域：滿足北極航道、渤海灣等地區(qū)的高重訪需求。依據(jù)衛(wèi)星對(duì)將交點(diǎn)地方時(shí)的要求，結(jié)合衛(wèi)星軌道、運(yùn)行方式以及當(dāng)前商業(yè)衛(wèi)星星座組網(wǎng)計(jì)劃，根據(jù)當(dāng)前國際上ais衛(wèi)星星座的組網(wǎng)計(jì)劃以及國內(nèi)相關(guān)企業(yè)低軌衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)的相關(guān)規(guī)劃，分析每次更新衛(wèi)星數(shù)量對(duì)ais信息獲取能力提

8、升的要求，該方案建議采取1、4、16、36、68顆分步組網(wǎng)的思路。（1）1顆衛(wèi)星的服務(wù)能力。1顆衛(wèi)星具備3d實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的能力，具備12h覆蓋全球90%以上區(qū)域的能力，對(duì)赤道地區(qū)覆蓋能力差。（2）4顆星的服務(wù)能力。為了增強(qiáng)全球覆蓋和重訪能力，需要將4顆星分布在4個(gè)軌道面內(nèi)，降交點(diǎn)地方時(shí)差1h，可以實(shí)現(xiàn)軌道面間的無縫覆蓋，walker星座基本參數(shù)t/p/f為4/4/1。4顆星組成的星座具備10h實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的能力。（3）16顆星的服務(wù)能力。16顆星分布在4個(gè)軌道面內(nèi)，降交點(diǎn)地方時(shí)差1h，同軌道面的4顆星在面內(nèi)均布，walker星座基本參數(shù)t/p/f為16/4/2。16顆星組成的星座具備9h實(shí)現(xiàn)全

9、球覆蓋的能力。（4）36顆星的服務(wù)能力。36顆星分布在9個(gè)軌道面內(nèi)，升交點(diǎn)赤經(jīng)差21°，同軌道面的4顆星在面內(nèi)均布，walker星座基本參數(shù)t/p/f為36/9/2。36顆星組成的星座具備40min實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的能力。（5）68顆星的服務(wù)能力。68顆星分布在17個(gè)軌道面內(nèi)，升交點(diǎn)赤經(jīng)差10.5°，同軌道面的4顆星在面內(nèi)均布，walker星座基本參數(shù)t/p/f為68/17/2。66顆星組成的星座具備18min實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的能力。衛(wèi)星組網(wǎng)軌道設(shè)計(jì)高度為500700km的太陽同步軌道，分為1、4、16、36和68顆階段組網(wǎng)，每顆衛(wèi)星都搭載ais載荷，68顆衛(wèi)星組網(wǎng)后，可實(shí)現(xiàn)我國領(lǐng)海9min ais重訪，針對(duì)渤海灣可實(shí)現(xiàn)8.1min重訪、12min覆蓋。1、4、16、36、68顆衛(wèi)星每日數(shù)據(jù)獲取能力如表1所示。4  結(jié)語目前，我國衛(wèi)星ais數(shù)據(jù)主要依靠購買國外公司的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，信息完整性和可靠性均無法得到充分保障。自主發(fā)射ais衛(wèi)星，乃至形成ais衛(wèi)星星座，能夠解決我國衛(wèi)星ais數(shù)據(jù)全面依靠進(jìn)口的問題，保障國家信息數(shù)據(jù)的安全。同時(shí)還能為中遠(yuǎn)海船舶的導(dǎo)航、監(jiān)管提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是促進(jìn)智能航運(yùn)發(fā)展的必然選擇