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卫星AIS自动识别系统发展现状

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1AIS自动识别系统发展历史

AIS自动识别系统是一种基于射频的无线电通信系统,使用电磁波发送和接收信号。海事监管部门和海上人员可通过AIS自动识别系统定位跟踪航海船只,获得附近船只的静动态信息,包括位置、船速、航线规划、船上货物等,以保障海上航海安全,减少船与船之间碰撞事故的发生,对于海事监管部门而言AIS自动识别系统是海上交通管制的重要工具。

自动识别系统最初提出于上世纪90年代。海事行业的成员认为有必要以一种通用的方式来交换有关船舶的关键信息(如船舶身份、位置、时间、航向和船与岸之间的速度)。1997年,海事专家和主管部门同意了一项技术提案,提出了通用自动识别系统(u-AIS),发展为现在的AIS自动识别技术。

在911事件以后,各国海事监管机构开始要求船舶使用AIS技术,以预防恐怖袭击。2002年国际海事组织(IMO)修改了海上人命安全公约(SOLAS),要求2002年以后建造的所有新船必须包括AIS系统,在此之前建造的船舶必须在2008年之前AIS技术整合到现有系统中,且重量超过300吨的大型船舶和载有乘客的船只必须安装AAIS收发器。

AIS系统主要工作于甚高频(VHF),根据国际无线电相关规则,161.975MHz和162.025MHz两个频率在水上遇险和安全通信中专门用于AIS搜索和救援发射机。在此基础上,国际电联于2013年年底通过决议,决定自2019年起另外添加161.950MHz和162MHz两个AIS信道,以缓解原有信道甚高频数据链路拥堵的问题。

2、卫星AIS自动识别系统

AIS的实施创建了一个船舶和海岸站之间交换信息的有效网络,但岸基AIS系统的局限性在于信号辐射范围只有30-50海里,主要原因是电磁波信号的直线传播特性。因此,利用岸基AIS网络,相关从业者可以掌握一定范围内的海上交通情况,但无法掌握离海岸距离较远的远洋情况。

而卫星AIS技术恰好突破了岸基系统的地理限制,成为从船上系统接收甚高频信号的一种方法,船舶可以通过卫星网络传输关键数据,而不受船只与海岸线之间的距离限制,从而能够绘制全球海上交通数据。卫星AIS技术通过将卫星接收器网络与现有地面AIS平台整合在一起,使得AIS数据通过卫星在全球范围内传输,下图1为示意图。

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3、卫星AIS自动识别系统发展现状

如下图2所示,卫星AIS自动识别系统主要由卫星、船上转发器设备、卫星地面站、数据处理与分发系统组成。

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根据不完全统计,目前在轨卫星中载有AIS接收器的卫星约有250颗左右。根据卫星运营方的性质,可分为三类:第一类是以科学研究和技术试验为目的的试验载荷卫星;第二类是由各国政府机构和相关部门主导的民用或军用卫星;第三类是由商业公司运营的商业卫星。

表1列出了AIS试验载荷卫星,主要由各高校师生自主研制,星上载有各种科学试验载荷,主要用于AIS技术试验和其他科学研究。

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2列出了由各国航天局、国防部和政府相关部门主导研制的载有AIS接收器的卫星,主要用于保障各国海域国防安全,并确保海上交通管制部门掌握海上船只动态。包括美国、加拿大、欧洲各国、澳大利亚、俄罗斯、日本、印度、中国在内的各国政府都拥有自己国家的AIS自动识别卫星系统,以确保本国海域的国防安全和船只、人员的安全。此外欧空局也与加拿大exactEarth公司合作,计划在年内发射ESAIL卫星。

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在商业航天领域,AIS数据国际市场主要有两家卫星运营公司提供船只跟踪和海域感知解决方案,分别为加拿大的exactView公司和美国的Orbcomm公司,主要面向的客户群体为政府部门和船舶公司等。这两家公司都属于较早进入卫星AIS市场的竞争者,于本世纪初发射技术验证卫星,开始部署AIS卫星系统。其中exactView公司的AIS星上载荷大部分是以搭载的方式安装在其他卫星运营公司的卫星平台上,而Orbcomm公司拥有两颗专属的AIS自动识别系统卫星。此外也有一些遥感卫星运营商也在自己的卫星上搭载AIS接收器,包括美国的Spire公司, 美国Hawkeye公司等,提供附带的AIS数据服务。

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除了已有的市场竞争者以外,也有几家刚起步的创业公司发布了卫星发射计划,包括卢森堡创企KLEOS、法国Kineis公司、加拿大UrtheCast公司,将以二级载荷的方式在卫星上安装AIS载荷,提供船只跟踪和海上交通监控服务。

虽然卫星AIS技术很大程度上弥补了岸基AIS系统的缺陷,扩大了获取船只信息的范围,但也存在船只上的AIS收发器由于故障或人为原因关闭的情景。针对这一类问题,芬兰的SAR卫星运营商Iceye公司在今年年初推出了可以探测此类船只的产品,利用雷达卫星图像定位跟踪关闭AIS收发器的船只。

4AIS数据的痛点

(1)缺乏有效的AIS数据处理方法

尽管相关方可以通过不同的AIS数据提供者获得他们所需的信息,但是在组织和分析收集的数据时仍然存在问题。海事研究人员称海事研究领域尚未形成统一标准化的AIS数据库,给研究人员和从业人员带来了极大的不便,收集可用数据集往往花费大量时间和精力。研究人员和主管部门必须具有解释AIS数据的权限,需要一款精确的数据可视化产品。

(2)网络安全问题

AIS系统有可能遭受黑客的攻击,恶意篡改数据。例如,对某一船只发送虚假的潜在碰撞预警或发出虚假的求救信息,使其改变航线,诱导该船只进入特定海域,然后对船只进行攻击。这些网络安全问题将对海上安全造成重大威胁。

5、未来发展

虽然卫星AIS系统目前只是作为岸基AIS系统的补充,但在远洋海域安全中发挥着不可或缺的作用。随着全球化的发展进程,国家之间的联系越来越紧密,海上交通日益发达,AIS系统的整体市场呈现较大的发展潜力。因此,卫星AIS应用将不断吸引新的市场竞争者进入,从现有AIS系统的痛点出发,研发出更符合消费者需求的产品。

(本文部分内容摘自Spire公司发布的文章《An Introduction to Automatic  Identification Systems》)

 


 

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