前沿 | 海上感知领域的卫星应用与军民协同
卫星通信在海上感知的应用与军民协同
文 | 林竹明（福建省海洋预报台，福建省卫星海洋遥感与通讯工程研究中心）
卫星通信应用能实现用户在非常规环境下和极端气象情况下的通信,比如说在海面船舶上，在天空飞机上和在沙漠中的等。其中在海上感知领域有各种卫星应用，这些应用包括有海洋遥感卫星、船舶AIS系统和卫星移动通信系统等。
海洋遥感卫星通过海面反射的光信号进行探测，能监测到海面的叶绿素浓度、温度和悬浮泥沙，还能通过海上的风云分布识别台风；船舶AIS通过卫星定位系统进行位置定位，再把位置信号广播以防止渔船间的碰撞；通信卫星则作为太空中的基站为卫星电话提供信号的转发。这些卫星应用除了满足民众的日常需要外，在战时还能满足军队的特殊需要，具有非常重要的战略意义。通过总结海上感知方面的多种卫星通信应用，提出了相应的军民协同策略。
卫星通信与常规通信相比具有一些得天独厚的优势，比如覆盖面积广，传输距离远，在海洋、森林和戈壁等人迹罕至的地区不需要基站也可以进行通信。卫星通信不需要铺设电缆和光缆，也不需要微波通信系统中常见的中继设备，更没有短波通信的不确定性，只需要建设一座卫星地球站，就可以在各种环境下进行通信，是一种真正的可靠的长距离通信技术。
卫星在海上感知领域有广泛的应用，比如海洋遥感卫星，船舶避碰AIS系统中使用的GPS定位卫星，卫星移动通信系统中使用的海事卫星“Inmarsat”、“天通一号”和Ka频段宽带卫星等。
海洋卫星通过可见光、红外线和微波等由物体反射的光信号对地球表面进行深度监测，除了能监测叶绿素浓度、海面温度和海面悬浮泥沙监测，还能帮助沿海居民抵御自然灾害，比如监测台风的动向等。
图1卫星遥感原理图
图2是Aqua卫星2009年2月份对福建沿海叶绿素浓度的遥感监测图。
图2 叶绿素浓度图
图3是Aqua卫星2009年2月份对福建省沿海的温度监测图。
图3 福建沿海温度监测图
图4是Aqua卫星2009年2月份对福建省沿海的悬浮泥沙监测图。
图4 福建省沿海的悬浮泥沙监测图
图5是向日葵8号气象卫星2020年6月份ji对台风“鹦鹉”观测的云图，通过云图可以观测台风的位置，从而让沿海居民提前做好抵抗台风的准备，极大地减少了人身和财产的损失。
图5 台风“鹦鹉”卫星云图图片
（来源 | 福建省水利厅）
船舶AIS设备集成了GPS模块，可以获取渔船的位置等数据，同时AIS设备本身携带了船舶的长宽等数据，将这些数据向该船周围广播，能够起到防避碰的作用。
GPS采用的是4星无源定位（GNSS）的技术，根据接收的4颗卫星的位置信息和不同卫星的时间差数据可以在本地计算出GPS设备的位置。
图6 无源定位原理图
北斗卫星从第一代的有源定位发展到第二代的与GPS定位相同的无源定位，迈入了先进导航卫星的行列。
图7 有源定位原理图
图8是“宝船网”上显示的福建省沿海区域的船舶实时定位情况分布图。图中密密麻麻的小圆点就是岸站接收到的船舶AIS设备发送的船舶位置数据。
图8 福建沿海地区船舶定位图图片
（来源 | 宝船网）
海上船舶通常使用短波和超短波这种无中继式的通信方式沟通，但是这些通信方式容易受磁场、天气等影响，在应急的情况下常常不能及时发挥作用，而卫星通信则解决了这个问题。
图9 卫星通信原理图
当前主流的Inmarsat-4（I-4）系列建立起了全球3G移动网络，通过L频段（1-2GHz）提供宽带服务，提供了包括语音业务和较慢的数据服务。但是由于价格昂贵，每分钟接近3元的成本以及双向收费的特性让许多渔民无力承受。
当前已经发射的天通一号是01号星，该星使用S频段（2-4GHz）进行通信，支持的主要是语音业务，传输速率相当于陆地蜂窝移动通信系统中的准3G标准。
天通一号01星覆盖范围涵盖第一岛链内所有区域，相比于Inmarsat具有价格亲民和自主可控等优势。
海事卫星与天通一号只保障了基础的语音通信，要提供更高速的通信服务，宽带卫星不可或缺。Ka波段的频段在20G以上，带宽高，可以提供类似陆地蜂窝移动通信系统4G的速度。但是由于频率高，雨衰较大，船载设备昂贵等原因导致Ka卫星设备的普及率不高。当前的Ka波段卫星数目不多，中星16号是其中一颗。
军事部门需要涉海单位和人员随时将海上特殊目标以照片、视频等直观的方式进行报告，民用的各种海上感知设备在战时都能临时征用为军队提供服务。通过遥感卫星对军事要地进行远程遥感，能及时获取敌军的海上力量分布情况；通过海面上分布密集的船舶搭载的AIS设备可以迅速识别出敌军的船只和舰艇；而通过移动通信卫星搭建的语音通信网和宽带通信网可以将收集到的敌军信息通过高速无线网络迅速地传输到我军指挥阵地；其他的譬如海面大小浮标等海洋环境监测设备也能在战时发挥重要的作用。