海洋智能无人系统技术：微小卫星监测系统

在广袤的海洋水域巡逻具有非常多的困难因素。通用舰载自动识别系统（automatic identification system，AIS）是一种应答器系统，以自组织的方式将船舶的动态、静态和航行相关报告广播到所有其他设施。AIS基站的沿海网络可以加强岸边船舶交通服务（vessel traffic services，VTS）的应用。通过天基卫星可以将AIS拓展到公海，但在交通密度高的区域仍存在部分困难。

图3.4　NTS卫星

2008年，重量为6.5 kg的微型卫星NTS（如图3.4所示）发射升空，这一卫星将测试是否可以在低轨道接收到AIS系统发出的信号。NTS最终完成了它的任务目标，图3.5为NTS探测到的全球船只信息，为一颗称为海洋监测和信息微卫星（maritime monitoring and messaging microsatellite，M3MSat）的可操作微卫星的研究提供了宝贵的前期经验。M3MSat是由COMDEV和UTIAS太空飞行实验室合作开发的，COMDEV是主承包商。除了基于为NTS开发的创新AIS接收机技术，M3MSat还将整合增强的数据收集和处理能力。该任务还需要及时探测和消除AIS信号的碰撞，为商业客户和加拿大政府提供反应灵敏的船舶跟踪能力。M3MSat基于高度灵活的COMDEVAIM多任务总线平台，大小为0.6 m×0.6 m×0.8 m，质量为85 kg。

图3.5　NTS探测到的全球船只信息(www.xing528.com)

海岸雷达、飞机和船只是传统上海域监测的主要手段，但对所有海域的持续监测几乎是不可能完成的任务，沿海雷达覆盖了海岸线上的区域，而飞机和船只可以在偏远海域巡逻，但覆盖的区域有限。在恶劣的天气条件和黑暗中，传统监测手段遇到了巨大的困难，海面上的云和雾可能非常密集，并可能伴随着风暴，同时夜间和黑暗条件下的监测也是一大挑战。

根据国际海上人命安全公约（international convention for safety of life at sea，SOLAS）的强制要求，所有长度超过45 m的船舶都必须配备X波段导航雷达。通过极地低地球轨道微型卫星对X波段导航雷达进行被动探测，可以对船只进行监测、定位，并对船舶周边的单位和地面站进行广播。搭载的无源雷达探测传感器由采用贴片天线技术的相控阵天线、具有相应模数转换器的多通道接收机和数字信号处理单元组成。接收机将被设计用于测量雷达脉冲参数和到达角（angle-of-arrival，AoA），而处理器运行用于发射器地理定位的算法。

印度尼西亚尝试在微小卫星上使用SpaceCam相机，作为对AIS信号的补充。他们使用SpaceCam C4000，一款专为太空应用中的科学成像而设计的高分辨率12位摄像系统，具有小尺寸5.5μm×5.5μm的正方形光敏面和400万像素的高图像分辨率，适合空间成像，特别是高地面分辨率地球观测。这款相机拥有1 000 mm焦距镜头和2 048×2 048像素的传感器，可产生5 m的地面分辨率和7.5 km的扫描带，这种典型特征足以从卫星观察海洋上的大型船只。从卫星下载观测图像信息后，计算机将处理RAW数据以实现一些辐射校正和增强，最后同AIS接收机的信号做对比后可以得出具体的船只位置与其图像。

目前微小卫星监测主要是通过其低轨道特性，近距离接收船只的AIS信息及被动探测X波段雷达信号，但其低轨道特性使其天然具备了海天耦合联合监测中转站及信息增强站点的优势，必将在未来的海洋监测体系中发挥重要的作用。