知识窗▏一文看懂卫星AIS
什么是AIS系统
AIS系统，即船舶自动识别系统（Automatic Identification System），是国际海事组织IMO、国际航标协会IALA、国际电信联盟ITU-R于2000年共同强力推广的一个具有船舶自动识别、通信和导航功能的新型助行电子系统。
AIS系统由岸基、星基接收设施和船载设备共同组成，安装了AIS设备的船台可向他船及基站自动播发本船的动态信息、静态信息、航次信息等相关信息，从而掌握附近海域的船舶航行情况，为规划航线、维护安全提供依据。系统标准于1996年提出，2000年开始推行。
AIS工作原理
由于现有的船载和岸基AIS设备
受天线高度、天气、功率等限制，
一般只能接收基站附近30-50海里范围内的信号，
无法满足远距离的船舶监控需要。
为了解决这一问题，卫星AIS技术横空出世。
卫星AIS的概念
卫星AIS是一种船舶定位技术，依托现有船载AIS终端设备形态和性能，利用卫星侦察覆盖范围广的优势，发射低轨道卫星，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，可以实现对远海海域航行船舶的有限监控。
卫星AIS的覆盖
卫星AIS是通过搭载在低轨道通信卫星上的AIS接收机获得的。已经完全覆盖太平洋、印度洋、大西洋等海域，能够准确提供船舶在大洋中航行的信息。
卫星AIS覆盖
卫星AIS核心结构
卫星AIS由船站、卫星、地面站组成，三者分别对应船载移动站、星载通信有效载荷单元、地面固定岸站。其中扮演着核心角色的部分应该是星载通信有效载荷单元，它应该具有系统网络管理、星历管理、报文存储与转发以及信令管理等功能。
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网络资源管理
主要完成网络通信资源，如信令信道以及信息信道等资源的状态检测，以及资源的按需分配：并从接收到的AIS报文中将不需要的报文信息、冗余信息以及其他干扰信息剔除。
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报文存储与转发
在接收到报文后，查看信宿站是否正处在覆盖区内，如果是，则将报文信息转发给它；如果不是，则对需要在卫星暂存的AIS报文进行所需存储空间的分配、维护和回收，等信宿站进入到卫星覆盖区的时候再将存储信息发送给它。
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信令管理
代替系统网络中心的功能，负责用于通信、控制及管理的全部信令的管理。
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星历管理
根据卫星的轨道参数和运行时间建立卫星星下点地理位置和时间的映射关系，并将星历情况通过下行的信令信道广播给当前覆盖区的所有用户，以帮助这些AIS用户终端进行卫星位置预报和通信时问估计，进行区域防调，防止用户同时群发报文造成时隙冲突引起报文丢失。
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全网时钟源
通过发送信令帧对覆盖区内的AIS用户终端进行广播，以帮助这些用户终端建立同步。
卫星AIS工作原理
卫星AIS性能特点
01 报文内容
卫星AIS收集到的数据信息至少包括：MMSI和船舶信息、航行状态信息、位置信息、航速和航向等。
02 时间间隔
卫星AIS报告的时间间隙为几分钟或者几个小时，这取决于卫星AIS系统的复杂性和设计情况以及海区船舶的密度，卫星AIS不能保证在任何环境下都能立刻获取数据，因为卫星星座设置和目标船舶环境会延迟信息收集，有时达半个小时。
03 数据可靠性
卫星探测AIS的一个特点在于可以探测不合作的用户(在AIS频道传输假数据，特别是传输假位置信息)，系统基于多普勒频移对卫星接收到的信号进行分析处理，可以进行核实，从而判断该信号是否发自报文中提供的位置。
04 数据获取权限
卫星探测AIS消息的另一个特点就是全球开放性服务，不同于点对点的系统，人们可以简单迅速地接收配备A类设备的船舶发送的AIS数据，这样一来，数据的安全性就相对差一些。用户可以自由获取并使用接收到的AIS信号，包括潜在的商业用途，这可能会对船舶保安带来一定的负面影响。
05 后续应用
卫星AIS获取的数据类似于传统的AIS数据，陆地上的监控系统中已经普遍融合了AIS系统。由于卫星AIS数据类似于传统的AIS数据，经过简单修改就可以加入到岸站收集到的数据中，从而容易地整合到现有的使用AIS数据的海事交通监管系统中去，方便后续应用。
卫星AIS发展现状
卫星AIS技术在全球远距离大范围的监视领域发挥了突出的作用，目前，除我国外，包括美国、挪威、加拿大、日本等国都在积极研制各自的卫星AIS系统，并且已有部分星载AIS设备投入使用。
国外发展情况
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TACSAT-2
美国是最早开始研究卫星AIS技术的国家之一。2006年12月16日，由美国研制的TACSAT-2卫星发射升空，卫星轨道高度420公里，卫星采用阵列天线设计，将天线安装在太阳能帆板上，阵列的基线较长，利用波束合成技术控制波束带宽，增益达到10dB。TACSAT-2卫星可以在时隙冲突最为严重的中国周边海域检测出船舶目标。
TACSAT-2对东海海域AIS信号探测情况
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VesselSat-1、VesselSat-2
2011年10月、2012年1月，美国分别发射了轨道高度为865KM的VesselSat-1和轨道高度为506KM的VesselSat-2卫星，两颗星采样相同的载荷侦察设备形态。AIS信号接收采用2根1.7m的偶极子天线，通过波束相位叠加形成两个具有指向性独立波束，每个波束对应1个独立的接收机进行处理。
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NORAIS
2010年6月，挪威防御研究组织FEI发送到ISS（国际空间站）上的两个AIS接收机（NORAIS）开始工作，卫星采用单极子天线形式，天线高度46cm，采用bit差分解调技术。NORAIS连续工作了三个月，接收了来自全世界60000多个不同发射机的近3000万条自动识别系统信息。
NORAIS对全球AIS信号检测情况
国内发展情况
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天拓一号
我国于2012年5月10日发射了轨道高度480km的“天拓一号”卫星，“天拓一号”星载AIS载荷采用双极化VHF天线切换侦收，天线长度40cm。“天拓一号”能快速完成大范围海域内船舶位置、航向、航速等信息的侦收，实现对中国现有岸基AIS系统的有效补充。
“天拓一号”对东海海域AIS信号探测情况
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和德一号
“和德一号”系国内首颗AIS商用海事卫星，也是国内首颗采用高度集成设计理念（“精致”卫星平台）研制的卫星。于2017年11月15日在太原卫星发射中心发射。卫星采用“平台虚拟化、功能软件化”创新技术，通过高度集成化、组合化、模块化设计，在技术创新和应用能力上实现了卫星从小型化到微纳化质的飞跃。该卫星配置的先进AIS系统，处于世界领先水平，对船舶高密度和中等密度区域有良好的检测率，平均每天可解码来自不少于6万艘船舶的200万条消息。
全球卫星AIS应用情况
美国AIS卫星应用
美国AIS应用主要需求来自于对民用船舶的监视，另一方面来自9.11恐怖袭击后对来自海上袭击的国土安全防御需求，海岸警卫队成为AIS卫星项目的最大需求来源。
1、Orbcomm公司的AIS运营和第二代卫星计划
Orbcomm公司作为商业AIS卫星提供商，2009年利用AIS信息成功识别出一艘不属于澳大利亚救援合作中心的商船并将其引导至澳大利亚北部海岸，救出两名被困于遇险船只中的乘客。
2、AWT公司利用全球AIS提高船舶监测能力
2011年9月，AWT公司推出全球AIS服务，是第一个利用卫星AIS信号提高船舶监测能力的公司。AWT在原有航线优化系统中融合了基于AIS卫星的船舶航迹数据，利用气象数据和船舶航速算法，精确预测船舶到达码头的时间，根据最新气象或未知数据实时更新，并可通过屏幕显示天气、云层、能见度、海浪、时速等大量信息，从而大量节省燃料、时间和金钱，降低碳排放。
3、NAIS计划
美国海岸警卫队代表国土安全部发起了国家船舶自动识别系统计划，即NAIS计划，该计划通过配合AIS卫星的应用，逐步实现由最初的船载终端-基站模式向立体、多维、多系统的AIS应用体系的转变，建成一个集AIS数据接收、传输和处理与存储中心于一体的集成网络。
挪威AIS卫星应用
目前AISSAT-1主要被挪威海防管理局用于检测挪威海域船舶情况，并分发至联合搜救中心等其他救援系统，如LRIT等，以实现全球搜救行动的协同合作和数据共享。
结语
卫星AIS作为一项正在蓬勃发展的新兴技术，摆脱了距离限制、船东授权限制、通信费限制等因素，是涉及全球范围、陆、海、空、天、水下全领域的全新网络系统。我们见证了岸基AIS的从无到有，见证了AIS给海运带来的便利， 我们有理由相信卫星AIS也将会给海运信息化和可视化带来前所未有的变革。
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■文章来源：东海航海保障中心宁波通信中心，有删节。