小卫星载AIS海洋监视技术研究进展

小卫星载AIS海洋监视技术研究进展 。. 第期 雷达科学与技术 . 年月 :./..?... 小卫星载海洋监视技术研究进展 计科峰。赵和鹏,邢相薇,邹焕新 .国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙; .海装电子部,北京 摘 要:海洋安全是国家安全的基本基础和重要组成部分,海洋监视对维护国家海洋权益,保障国家 海洋安全具有重要意义。自动识别系统是一种重要的海洋监视手段,但是现有的船载和岸基系 统受作用距离的限制,其在大范围甚至全球海洋监视中的重要作用与地位并未得到完全体现。随着航天技 术特别是小卫星系统技术的快速发展,基于小卫星载实现大范围甚至全球海洋监视已成为现实与可 能。在小卫星栽基本原理简介的基础上,了小卫星载的主要关键技术,综述了国外基于小卫 星栽海洋监视技术的研究进展,提出了我国小卫星载发展的技术建议。 关键词:海洋监视;自动识别系统;小卫星;星载自动识别系统 文献标识码: 中图分类号:; 文章编号:?? , ?, ?,. ,; 。 , .,, : ?. , ., . ?, , . ? ,., ., . : ;; ; 和岸基自动识别系统等。其中,作为 一种新型辅助导航系统。,因其信息丰富,定位精 引言 度高和全天候、全天时等特点,除了可用于海上交 海洋安全是国家安全的基本基础和重要组成 通管制、海洋环境保护和船舶 航行安全等民用领 部分,特别是对我国而言,海洋安全在国家安全中 域之外,还可作为其他非 合作海洋监视手段的辅 的战略地位更为重要和突出。海洋监视对维护国 助和补充应用于海洋监视 等军事应用。但是现 有的船载和岸基是一种工作在波段的 家海洋权益,保障国家海洋安全具有重要意义。 陆/海基站系统,受天线高度的限制,其最大作用 目前常用的海洋监视手段主要有岸基舰载 距离通常小于离岸海里以内,从而导致其在大 雷达、声纳、光学、合成孔径雷达以及船载 收稿日期:??;修回日期:?? 基金项目:国家自然科学基金. 万方数据雷达科学与技术 第卷第期 范围甚至全球海洋监视中的重要作用与地位并未 在. 和 得到完全体现。随着航天技术特别是小卫星系统 .两个频道上同时接收信息, 同 技术的快速发展,基于小卫星载实现大范围 时交替地在这两个频道上,在属 于自己的时隙 甚至全球海洋监视已成为现实与可能’。 位置上发送信号。信号是通过高 斯最小频移键控调制方式发送的。根据 本文在小卫星载基本原理简介的基础 ,每个设备单元都预留时隙以 上,分析了小卫星载的主要关键技术,综述了 备以后的信号发射,从而避免与别的单 国外基于小卫星载海洋监视技术的研究进 元发生冲突。在时间分配上采用帧的概念,一 展,提出了我国小卫星载发展的技术建议。 帧为分钟,分为 个时隙,每个时隙为 . ,每个时隙可发送比特码元信息。每 小卫星载的基本原理 一帧开始和结束都与的世界时保持 与传统的船载和岸基系统相比,小卫星 精确同步。系统一个信道能在分钟之内发送至 载系统是具有卫星探测能力的新型海洋监视 少 个船舶报告,可满足交管系统对容量的要 系统,它通过使用一颗或多颗低轨轨道高度 求。图给出了利用协议发送消息 ~ 小卫星构成小卫星星座或小卫星编队 的示意图。图给出了每个时隙发送的 接收船舶发出的信号,并将其转发到地面站 比特码元信息数据包的详细格 式,文献,? 进行分析、处理,从而实现大范围甚至全球海域的 对码元信息数据包中各数 据段的工作方式和 舰船监视。 有详细描述。 目前,已广泛应用于海上交通管制、海洋 . 的基本原理 环境保护和船舶航行等民用领域,据不完全统计, 是国际海事组织强制要求的用于 目前全世界已装载有设备的船舶大概在 海上安全和船舶交通管理的船载以及岸基系统。 艘以上,而且该数字还在不断增长中。另 国际海上人命安全公约将海上 外,作为一种合作的监视手段,由于信息丰 , 船舶分为、两类 。其中, 富,定位精度高和全天候、全天时等特点,因此除 类对应于所有客船和总吨及以上从事国际航 了可用于民用领域外,还可作为其他非合作海洋 运的船舶、总吨及以上不从事国际航运的货 监视手段的辅助和补充应用于海洋监视等军事应 船;类对应于包括渔船在内的其他非的 用。但是,由于现有的船载和岸基系统是一 种工作在波段的陆/海基站系统,受天线高 船舶。、两类中,只有类是强制要求必 度的限制,其最大作用距离通常小于离岸海里 须要安装的,因此本文提到的均针对 以内,因此无法实现大范围甚至全球海洋监视。 类。 航天技术特别是小卫星系统技术的快速发展,为 是一种利用自组织时分多址通信协议 基于小卫星载实现大范围甚至全球海洋监视 发射和接收船舶的静态数据、动态数 提供了现实与可能。 据、航行信息以及安全信息等的自动识别和管理 系统。可实现海上船舶与船舶之间、船舶与 . 海上交通管理中心之间的相互识别。船舶上的 ?臣.?,班鲢 .? 设备定时周期地向岸站、其他装备设备 的船舶自动连续地提供本船的静态信息海上移 动服务编码、船名等、动态信.船位、航速、航向 等、航次信息和安全短消息等,并且可以接收其 他设备发出的信息。可自动地监视和跟 踪周围的船舶,有利于海上船舶的安全航行和海 訇 岸、港湾的船舶管理。 利用’协议发送消息的示意图 万方数据年第期 计科峰:小卫星载海洋监视技术研究进展 其他信息 数据段 位同步码 帧校验序列 缓冲区 /、、 ‘ 。。 一 / //。 ’/\?\\~、 / // ?????????一??????????‘?????????????十??????? 上升沿 开始标志 用户 经度 纬度 结束标志 图 每个时隙发送的比特码元信息数据包的详细格式 界上包括美国、欧空局、加拿大、挪威、日本、德国、 . 小卫星 法国、意大利、中国等已先后发射了一系列小卫星 根据卫星的质量’,一般将:卫星分为大卫星 小卫星星座,,我国也对小卫星 技术进行了相 、中卫星 、微 当多的研究?,并先后发射了一系列试验小卫星。 ? 小卫星 、显微卫星 小卫星系统技术的快速发展,使得基于小卫星平 、纳星 、皮星 、 台接收和转发信号成为现实与可能。 飞秒卫星 等,其中质量小于 .小卫星载 的卫星称为广义的小卫星。表给出了具体的 小卫星载通过使用一颗或多颗低轨轨 根据卫星质量的命名准则。另外,由于目前世界 道高度~小卫星接收船舶信号, 上已发射和正在发展中的小卫星系统的卫星 并将其转发到地面站进行分析、处理,从而实现对 质量基本都在~ 之间参见本文第部 监视区域内船舶信息的监控。小卫星载系统 分,因此,本文“小卫星”若无特殊说明,均指显微 的基本组成如图所示。 卫星或纳星。 表 根据质量的卫星命名准则 卫星质量/ 卫星名称 卫星质量/ 卫星名称大卫星 显微卫星 ~ 中卫星 ~ 纳星 广义小卫星 .~】 皮星 ~ . 微小卫星 飞秒卫星 ? 小卫星是年代末期发展起来的新型空间技 术。与大卫星相比,小卫星具有先进、快速、低廉、 简 可靠的特点。并且卫星重量轻,功能单一,使用小 图小卫星载系统基本组成 型火箭或搭载便可以入轨。利用多颗单功能小卫 星,可以替代目前大型多功能卫星,成本大为降 如图所示,小卫星载系统由船载 低。小卫星通过采用大量先进技术,例如微型计 信号发射器、低轨小卫星和地面站三部分构成。 算机和固态微型器件等,使卫星重量和尺寸大幅 其中船载信号发射器对应于现有船载、岸基 下降。利用前沿技术保证了小卫星运行状态的稳 系统中的船载信号发射器。低轨小卫星 定性和便捷的操作性。 装载有一个或者多个信号接收天线,通过这 小卫星的用途十分广泛。在民用方面,可以 些天线接收监视区域内所有船舶信号,并对 应用于通信、对地观测、空间遥感、气象观测、海洋 其采样、打包形成数据流,然后再将其与 探测、科学研究等各个领域,在军事上小卫星也有 信号的接收时间、接收增益等其他参数进行加密, 重要的作用,因为它能快速研制、快速发射,及时 下传至地面站。最后,地面站再对接收到的数据 流进行解密、解调、解码等处理,最终得到监视区 投入使用,因此能满足战时的特殊要求。目前,世 万方数据雷达科学与技术 第卷第期 快捕,通过采用二阶锁相环实现对多普勒频 域内所有船舶的移动服务编码、船名等静态信息, 船位、航速、航向等动态信息以及航次信息和安全 移的跟踪。这样即可借助片上系统或软件 无线电等平台实现多普勒频偏的补偿。 短消息等。’。 与现有的船载和岸基系统相比,小卫星 小卫星载信号的混叠是由其宽覆盖特性 载通过实现信号的卫星接收,可大大提 引起的。如前所述,系统中,覆盖区域内的船 高系统的覆盖范围,实现大范围甚至全球海 舶实际上是以它本身为中心建立的一个自组织区 洋监视。图给出了典型星基和岸基接 域,又称为单元区域,在该区域内,在 收信息范围的对比 ,由图可见,星基可大 协议的控制下自动选择一帧中未占用 大提高系统的覆盖范围。另外,由于小卫星 的时隙来发送消息。对于船载和岸基系统来说, 载可充分利用现有的船载信号发射器, 由于其覆盖区域较小,因此,协议可有 再加之小卫星快速、低廉的特点,因此,小卫星载 效保证该区域内的信号不会发生混叠。但 已成为一种非常有前途的大范围甚至全球海 是,对小卫星载系统来说,由于 其覆盖范围很 洋监视系统。 大,此时当存在多艘船舶时,接收到的信号就 不可避免地发生混叠。具体有两种情况会引起混 叠,一是当不同单元区域的船舶在协议 控制下发出的信号同时到达卫星时,会发生 信号的混叠;二是如果在卫星覆盖区域内,存在相 距很远的船舶,这时它们可能选择不同的时隙来 发送信号,由于信号的路径不同,信息可能在同一 时间到达卫星,这样同样可能引起混叠。 垡丛 岸基 信号混叠直接影响小卫星载系统对 星基和岸基接收信息范围的对比 信号的识别,并最终影响系统的舰船目标检测 能力。研究表明,小卫星载系统覆盖范围内 小卫星载的主要关键技术 的舰船密度越大,信号混叠就越严重,舰船目 与现有的船载和岸基系统相比,小卫星 标的检测性能就越低。为了提高小卫星载系 载通过实现信号的卫星接收,可大大提 统的舰船目标检测性能,针对信号混叠问题, 高系统的覆盖范围,实现大范围甚至全球海 国内外研究者们提出了一系列改进方法,主要包 洋监视。但与此同时,小卫星载也面临一些 括采用小卫星星座、使用方向性更强的接收 新的技术难题,主要包括多普勒频移的补偿、 天线以及采用先进的混叠信号分离方法等。 混叠信号的分离以及星载接收天线的设计 其中尤以混叠信号分离方法最为直接、有效, 等?’。 比如挪威一小卫星载系统就采用了 小卫星载信号的多普勒频移是由小卫星 基于相关技术的混叠信号分离方法 解决 载系统的运动特性所引起的。由于小卫星相 信号混叠问题。 对海上舰船处于高速运动状态,实际接收的 另外,由于小卫星载的卫星平台 的重量 和尺寸都很小,因此,用于收发的星载 信号会不可避免地产生多普勒效应,使信号的频 天线的设计就显得尤为重要。由于卫星很小,直 率发生漂移,该漂移会直接影响接收机的载波同 步,使其不能正确解调,进而不能正常接收信 接限制了天线本身的大小以及 天线的个数,而天 线性能的好坏又会直接影响通信的质量。天线尺 息。为了消除多普勒频偏的影响,常用的解决方 寸很小会导致天线端口接收到的信噪比变低,另 法是将信号能量检测与帧同步检测进行并行处理 从而获得多普勒频移的快捕算法。具体地,该算 外,由于天线端接收到的信 号本身就比较微弱,因 法对去调制后的信号进行补零、快速傅里叶变换 此,如果信噪比损失太多, 就会严重影响接收性 能。对小卫星来说,常用的反射天线的体积过于 以及频域内插等处理实现对多普勒频移的 万方数据年第期 计科峰:小卫星载海洋监视技术研究进展 这四颗卫星均载有接收机,其数据主要 庞大,因此,必须采用其他方式的天线,比如电偶 极子方式的线状天线等。 提供给加拿大 的公司。另 外,美国海军实验室 项目进一步提出了发展星座 国外小卫星载海洋监视技术的 的 研究现状 。设想中的 鉴于小卫星载在大范围甚至全球海洋监 是一个由个造价低廉的极地轨道纳星构成的星 视中的突出优点,目前国外包括美国、欧空局、加 座,该星座将部署在个高度为 的轨道平 拿大、挪威、日本、德国、法国、意大利等都在积极 面,每个平面上有颗卫星。每颗卫星是一个 发展自己的小卫星载系统,并且部分小卫星 的立方体,重约 。该星座将能够提供地球 载已经发射并投入使用。 上每个位置分钟以内的数据连接,使得任意位 美国是世界上最早开展小卫星载技术研 置的信号能够被连续地接收,包括海上 究的国家之一,早在年?之后,美国海岸 艘以上的船舶每天发送的数据’.。 警卫队就提出了利用低轨卫星检测信 年月,加拿大 公司发射了 号用于全球运动舰船感知的设想。年,美国 第一颗纳星载试验系统,其主要目的是 公司和美国海岸警卫队磋商发射一 验证从空间接收信号的能力。该星由多伦多 颗装载有接收机的概念演示卫星。年 大学宇航研究所空间飞行实验室研制, 月,美国发射了搭载海军研究实验室目 × × 卫星重.,尺寸 ,设计寿 标指示实验载荷的一卫 命个月,截止年月,已在轨运行近年, 星。年,公司发射了装载有 并且还在继续中口。据报道,该星已为加拿大政府 接收机的海岸警卫验证卫星以及颗 提供了大量星载数据服务,特别是为年 装载有接收机的 系列卫星。 温哥华冬奥会安保服务做出了重要贡献。另外, 年,成为全球第一家卫星 空间飞行实验室还为挪威国防研究院 商业服务提供商。年第四季度,最后一颗载, 有接收机的 卫星终于失效。 研制了船舶跟踪一纳星载系统, 为了接替 系列卫星服务,? × × 该星重,尺寸 ,已于 公司先后于年月和年 年月发射。此外, 还为印度的? 月,发射了 和 两颗显 一地球观测卫星研制了载荷口。 微卫星,这两颗卫星均由德国公司的子公司 目前,空间飞行实验室正在为加拿大空间 研制。其中两颗卫星的质量均为 , 公司 ,以及 位于赤道轨道,由印度的极轨卫星运 研制另一颗船舶跟踪显微卫星载系统 载火箭发射, 位于极地轨道, ,该星重约 ,计划年发射。 由我国的长征运载火箭在太原卫星发射中心 在成功运行的基础上, 专门 发射。公司是这两颗卫星数据 成立了星载海洋监视商业化服务与运营的 的唯一授权用户。另外,公司还启动 公司,该公司提出全球卫星系统 了其第二代卫星星座计划,由颗搭 的概念,全球 载的卫星构成,计划年中期发射第一颗 由岸基和星基构成,无需对现有船载设 原型卫星,预计到年建成整个星座 。 备作任何改变,和现有的数据系统完全兼容, 除外,美国公司早 可检测跟踪全球所有的类收发机。? 在年就已部署了在轨的接收机,年 在、一、 数据基础上,进 月发射了显微卫星一和一, 其重量约为 一步购买了一和的数 ,年月发射了显微卫星 , 据,到年月,拥有颗在轨运行的星载 一和一【引,其重量约为 万方数据雷达科学与技术 第卷第期 载荷。根据全球卫星系统规划, ,计划年发射,其主要目的一是对星基 到年,将有超过颗卫星,提供全球覆 系统进行工程化检验,二是通过数据的 ”。 盖,实现“ , 试验应用研究系统的潜力。目前,正在研发 挪威国防研究院早在年就研究评估了由 第二代星载系统,并计划将其搭 载在拟于年发射的 卫星上。 低地球轨道检测信号的可行性,此后对星基 另外,据报道年月印度发射的? 接收的研究兴趣持续增长,先后有许多公众和 ~地球观测卫星也搭载有 设 私人机构与组织启动了一系列研究计划“。。目 计制造的载荷,该星每分钟绕地球一圈, 前,已完成了两个星基研究计划。其中, 每天可提供多万条信息引。 第一个计划的目的是发射一颗载有接收机的 此外,世界上还有其他公司和研究机构也先 纳星至近极地轨道,以验证高纬度星基接收 后发射了一系列至’ ,这些小卫星的 的可行性。该卫星已于年月发 尺寸通常为 ,重量在~ 之间,这里不 射,该接收机可将接收的数据实时传输至挪 再一一列举。总之,目前世界各国已对小星载 威海岸管理部门,该星每天可接收来自约 技术进行了大量研究,小卫星载已成为一种 艘船舶的约 个消息。第二个计划是由欧 重要的大范围甚至全球海洋监视手段。 空局资助的,其目的是在国际空间站 的欧洲哥伦布模块安装接收机,以为欧洲星 基系统的发展进行数据搜集以及在轨评估, 我国小卫星载发展的技术建议 其中共装载有两个接收机,一个是挪威的 由以上国外小卫星载海洋监视技术研究 ,另一个是公司的, 现状的综述可见,小卫星载已成为一种重要 该载荷已于年月开始运行。随着该 的大范围甚至全球海洋监视手段。我国海洋安全 载荷的成功运行,按计划可覆盖全欧洲的 环境复杂,海洋权益面临诸多挑战,因此,加快发 星载接收机也将很快进入试验。 展小卫星载系统,对维护国家海洋权益,保障 德国的公司及其卢森堡分公司? 国家海洋安全具有重要意义。 是世界上著名的星载研制单位之一,除 目前,国内已有部分单位和学者在港口岸基、 了参与公司的星载研制之外, 船载以及机载的基础上,对小卫星载的 先后于年月发射了 一, 相关技术进行了初步的研究与探索,并取得了一 ’。 年月发射了 一,年月发 些成果 ,但总的来说,与国外相比,我国对小射了 包括.即 卫星载技术还缺乏系统深人的研究与分析评 及一.系列星载试验载荷。其中? 估。参照国外小卫星载系统的研发经验,结 搭载在德国军用合成孔径雷达侦察卫星 合我国现有的研究基础,针对我国小卫星载 ? 上,具有明确的军事应用背景, 系统发展,本文提出以下技术建议供参考: 一、 以及一.的重量均为 加快深化小卫星载关键技术包括多 。此外,公司还将为德国以及 普勒频移的补偿、混叠信号分离以及星载接收 合作的卫星,拉脱维亚 天线设计等的研究,开展高保真的小卫星载 的 显微卫星重量 ,意大利德国 系统仿真技术研究,开发小卫星载信号仿 联合的 显微卫星重量 , 真器。 俄罗斯的显微卫星重量 ,比利时的 进行港口岸基、船载、机载、其他卫星搭载 以及科威特的 等卫星 以及小卫星载演示验证试验,验证信号 提供星基载荷。 接收、存储、转发、下传以及地面系统信号处理 日本的演示验证卫星 能力。 的 发展实用性小卫星/小卫星星座系 一显微卫星 ,卫星重量 统,形成大范围甚至全球海洋监视的业务能力。 万方数据年第期 计科峰:小卫星载海洋监视技术研究进展 ??. 研究小卫星载信息与机载、星载 .一 ,可见光、红外、高光谱等图像侦察信息、电子侦 ‖ 察信息以及岸基、船载雷达及港口岸基、船载以及机,..:..,:. 载信息等多源信息综合处理技术,开发构建面 “”. 向海洋监视应用的多源信息综合处理系统。 /. ??. ../? 结束语 //?????? 小卫星载已成为一种重要的大范围甚至 ??..???? 全球海洋监视手段。本文在小卫星载基本原 ???. 理简介的基础上,分析了小卫星载的主要关 , ? , . 键技术,综述了国外基于小卫星载海洋监视 技术的研究进展,提出了我国小卫星载发展// , 的技术建议。 ,:..,:. 陈志明,刘海颖,王惠南,等.绳系微小卫星的旋转编 参考文献: 队飞行.中国空间科学技术,:?.? 罗欢,陈建文,赵志国,等.基于信号阻塞矩阵检测. ? 舰船目标.雷达科学与技术,,:一. ? .:, .?,. ?, ,. “”.. ? ,:?. , /.??.:‖. . .?: ./// ??????.?????? . /. .? ?一. ?哪?../?//.: //.??一. ,. , , ,.. ?. /.??. .? ,,:?. ??./%% , , , . %. 郝盛,陈涤非.星载收发机的关键技术初探. ? ‖ 航空电子技术,,:. ,“.., 谢永锋,刘鹏,佟力,等.一种基于的系 :?. 统同步.电讯技术,,:?. ? . . 、? ?.:/.,. ??.:嘲咐../? ://?/. ? . . 一 ? ? 一 /.?:‖ /.?.:‖ 下转第页 .../// 万方数据雷达科学与技术 第卷第期 反映了其对于靶场多目标、群目标测量的可行性, 同时也为测量小目标的弹道轨迹、防空武器脱靶 量和弹丸动态爆破毁伤参数等任务提供了一种新 的技术思路。此外,高分辨多目标成像测量雷达 可以经改造加装垂直大阵列,进一步获得目标俯 仰维的高分辨,从而实现目标“距离一方位一仰角”三 维微波成像,具有广阔的应用前景。 图 模拟子母弹的动态测量布阵示意图 参考文献: 马明.多目标测量雷达在常规靶场中的应用与发展 .无线电工程,,:. 刘平,刘继宗,井淑华.多目标测量雷达的发展水平及 应用.无线电工程,,:?. 刘晓峰,杨万麟.基于无线电摄像机的目标成像自动 识别.电子科技大学学报,,:?. 张华生.靶场微波成像雷达.现代雷达,, :. 刘永坦.雷达成像技术.哈尔滨:哈尔滨工业大学 出版社,. 郦能敬.对空情报雷达的测量精度分析.雷达科 学与技术,,:. 图模拟子母弹动态测量结果 . . 横坐标为目标偏离宽波束中心线的角度,单位为度; 纵坐标为距离,单位为米 ,,:. 作者简介 可见,高分辨多目标成像测量雷达系统能够 胡振平男,年生,陕西韩城人, 在短时间内完成多次测量,且距离和角分辨率可 工程师,主要研究方向为雷达总体。 以满足试验要求。 : .. 结束语 高分辨多目标成像测量雷达是一种新体制雷 达。文中通过多种技术手段对雷达的性能包括威 谭博男,年生,四射洪人, 工程师,主要研 究方向为雷达总体。 力、测距精度、测角精度等作了充分的考核验证, 上接第页 ..//???? 作者简介 ??. 计科峰男,年生,陕西长武人,.’ 博士,国防科学技术大学副教授、硕士 /.??. 生导师,主要研究方向为雷达目标特 ://..// 一// 性分析、图像处理、判读解译与目 . 标识别。. :../.??. 赵和鹏男,年生,山东人,硕士,工程师,海装电 ://../?/? ?? 子部参谋,主要研究方向为电子信息系统集成与卫星应用。 万方数据