衛星通信在海上感知的應用與軍民融合

+林竹明（福建省海洋預報臺 福建省衛星海洋遙感與通訊工程研究中心）

1.前言

衛星通信與常規通信相比具有一些得天獨厚的優勢，比如覆蓋面積廣，傳輸距離遠，在海洋、森林和戈壁等人跡罕至的地區不需要基站也可以進行通信。衛星通信不需要鋪設電纜

和光纜，也不需要微波通信系統中常見的中繼設備，更沒有短波通信的不確定性，只需要建設一座衛星地球站，就可以在各種環境下進行通信，是一種真正的可靠的長距離通信技術[1]。

通信衛星在海上感知領域有廣泛的應用，比如海洋遙感衛星，船舶避碰AIS系統中使用的GPS定位衛星，衛星移動通信系統中使用的海事衛星“Inmarsat”、“天通一號”和Ka頻段寬帶衛星等。

2.海洋遙感衛星

圖1 衛星遙感原理圖

海洋衛星通過可見光、紅外線和微波等由物體反射的光信號對地球表面進行深度監測，除了能監測葉綠素濃度、海面溫度和海面懸浮泥沙監測，還能幫助沿海居民抵御自然災害，比如監測臺風的動向等。

2.1 葉綠素濃度監測

圖2是Aqua衛星2009年2月份對福建沿海葉綠素濃度的遙感監測圖。

2.2 海面溫度監測

圖3是Aqua衛星2009年2月份對福建省沿海的溫度監測圖。

2.3 海面懸浮泥沙監測

圖4是Aqua衛星2009年2月份對福建省沿海的懸浮泥沙監測圖。

2.4 臺風監測

圖5是向日葵8號氣象衛星2020年6月份ji對臺風“鸚鵡”觀測的云圖，通過云圖可以觀測臺風的位置，從而讓沿海居民提前做好抵抗臺風的準備，極大地減少了人身和財產的損失。

3.船舶AIS系統

船舶AIS設備集成了GPS模塊，可以獲取漁船的位置等數據，同時AIS設備本身攜帶了船舶的長寬等數據，將這些數據向該船周圍廣播，能夠起到防避碰的作用。

3.1 全球定位系統GPS

GPS采用的是4星無源定位（GNSS）的技術，根據接收的4顆衛星的位置信息和不同衛星的時間差數據可以在本地計算出GPS設備的位置。

3.2 中國北斗衛星導航系統BDS

北斗衛星從第一代的有源定位發展到第二代的與GPS定位相同的無源定位，邁入了先進導航衛星的行列。

3.3 AIS應用

圖2 葉綠素濃度圖

圖3 福建沿海溫度監測圖

圖4 福建省沿海的懸浮泥沙監測圖

圖8是“寶船網”上顯示的福建省沿海區域的船舶實時定位情況分布圖。圖中密密麻麻的小圓點就是岸站接收到的船舶AIS設備發送的船舶位置數據。

4.衛星移動通信系統

海上船舶通常使用短波和超短波這種無中繼式的通信方式溝通，但是這些通信方式容易受磁場、天氣等影響，在應急的情況下常常不能及時發揮作用，而衛星通信則解決了這個問題。

4.1 海事衛星Inmarsat系統

當前主流的Inmarsat-4（I-4）系列建立起了全球3G移動網絡，通過L頻段（1-2GHz）提供寬帶服務，提供了包括語音業務和較慢的數據服務。但是由于價格昂貴，每分鐘接近3元的成本以及雙向收費的特性讓許多漁民無力承受。

4.2 天通一號衛星

當前已經發射的天通一號是01號星，該星使用S頻段（2-4GHz）進行通信，支持的主要是語音業務，傳輸速率相當于陸地蜂窩移動通信系統中的準3G標準。

天通一號01星覆蓋范圍涵蓋第一島鏈內所有區域，相比于Inmarsat具有價格親民和自主可控等優勢。

4.3 Ka寬帶衛星

海事衛星與天通一號只保障了基礎的語音通信，要提供更高速的通信服務，寬帶衛星不可或缺。Ka波段的頻段在20G以上，帶寬高，可以提供類似陸地蜂窩移動通信系統4G的速度。但是由于頻率高，雨衰較大，船載設備昂貴等原因導致Ka衛星設備的普及率不高。當前的Ka波段衛星數目不多，中星16號是其中一顆。

5.海洋感知與軍民融合

圖5 臺風“鸚鵡”衛星云圖 圖片來源：福建省水利廳

圖6 無源定位原理圖

圖7 有源定位原理圖

軍事部門需要涉海單位和人員隨時將海上特殊目標以照片、視頻等直觀的方式進行報告，民用的各種海上感知設備在戰時都能臨時征用為軍隊提供服務。通過遙感衛星對軍事要地進行遠程遙感，能及時獲取敵軍的海上力量分布情況；通過海面上分布密集的船舶搭載的AIS設備可以迅速識別出敵軍的船只和艦艇；而通過移動通信衛星搭建的語音通信網和寬帶通信網可以將收集到的敵軍信息通過高速無線網絡迅速地傳輸到我軍指揮陣地；其他的譬如海面大小浮標等海洋環境監測設備也能在戰時發揮重要的作用。

圖8 福建沿海地區船舶定位圖 圖片來源：寶船網

圖9 衛星通信原理圖