《天基全球海事监视，第一部分：卫星技术》

海上态势感知（MSA）被定义为 "一种使能能力，旨在提供海洋环境中所需的信息优势，以实现对海上态势的共同理解，从而提高行动规划和实施的有效性"（2008 年 1 月 14 日，军事委员会批准了北约的 MSA 概念）。

MSA 的一个关键组成部分是海上监视 (MS)，它对搜救行动、渔业监测、污染控制、执法、移民监测和国家安全政策等至关重要。最近在 MS 领域取得的技术进步可以实时提供沿海地区和海洋的无缝广域业务图像。事实上，现在有多种异构传感器和信息源可用于 MS，它们都有各自的优势和局限性。自动识别系统（AIS）是与商船交通有关的一个主要信息来源，其目的是利用地面站网络识别和跟踪总吨位（GT）为 300 或以上的船舶以及所有客船（无论其大小）。然而，由于并非所有船舶都共享其位置和运动信息，因此仅靠 AIS 并不适合提供无缝 MS。此外，在偏远海域，通过地面或附近船只进行 AIS 数据中继几乎是不可能的。作为对自动识别系统的补充，沿海岸线安装的地面雷达是另一个重要的信息来源。然而，它们的覆盖范围受到视线传播的限制[2]，而且由于辐射功率大，它们的普遍使用可能会引起环境问题。

因此，需要辅助传感器和技术来克服上述限制，并在地球偏远地区提供 MS 功能。在这种情况下，天基传感器技术可在全球范围内对海域和船舶交通进行持续监测。目前，天基遥感数据涉及一系列技术和模式，包括卫星自动识别系统（Sat-AIS）、合成孔径雷达（SAR）、多光谱（MSP）和高光谱（HSP）光学传感器、全球导航卫星系统反射测量（GNSS-R），其特点包括分辨率、视角、频率、采集模式、极化等。安装在卫星上的对地观测（EO）天基传感器可以在相对较短的延迟时间内收集全球大面积和偏远地区的图像，因此与 MS 高度相关。最近，国家和国际空间机构提出了许多倡议，鼓励利用遥感技术，向终端用户免费提供数据。美国国家航空航天局（NASA）/美国地质调查局（USGS）联合推出的大地遥感卫星系列、意大利航天局（ASI）委托的地中海盆地观测卫星星座（COSMOSkyMed）[3]-[7]、欧洲联盟（EU）-欧洲航天局（ESA）联合推出的哥白尼计划以及用于 EO 和监测的哨兵多传感器星座、 美国国家航空航天局（NASA）的 CYGNSS 任务利用全球导航卫星系统的机会信号进行飓风预报和海洋表面分析，这些只是免费提供卫星数据的空间计划和任务的部分清单。卫星技术促成的主要海事应用包括但不限于港口动态监视、实时船舶监视和探测/跟踪/分类、海上交通监测、安全威胁和非法活动探测以及海洋生态系统管理/保护。

由于天基传感器技术的部署和普及，先进的数据处理范例，如大数据分析、机器学习、人工智能和数据融合技术，现在可以实现前所未有的性能，并受益于超大数据集的可用性。特别是，未来 MS 系统的开发将多种传感器（陆基和空基）与其他信息源结合在一起，需要专门的算法来处理卫星图像，尤其是船舶检测和分类、异常和环境威胁检测以及卫星和 AIS 数据融合（见图 1）。这些算法可通过处理和组织日益增多的异构信息为 MS 提供支持。从中提取的数据和易于理解的信息将帮助政府当局、国防部队、海岸警卫队和警察等最终用户检测异常情况以及漏油、海盗和人口贩运等威胁，并及时采取行动防止事故和悲剧的发生。本文分为两部分：第一部分概述了现有的主要天基传感器技术，即 Sat-AIS、SAR、MSP 和 HSP 光学传感器以及 GNSS-R，并介绍了每种技术在 MS 范围内的优势和局限性。这项工作的第二部分[8]侧重于人工智能和数据融合技术，以便从原始卫星数据中提取信息并融合这些信息，为最终用户和决策者提取有价值和可操作的知识

图 1. 利用最先进的人工智能和数据融合技术对天基传感器获取的图像和 AIS 数据进行处理，可提取有关当前海事状况的信息，如探测到的船舶及其类别（如油轮、渔船、客轮）、海上交通路线、漏油、异常情况（如转运）和船舶轨迹。提取的信息尤其有助于发现和预防海盗行为、人口贩运和石油泄漏等环境威胁。

用于海上监视的卫星技术

天基传感器通常安装在卫星上，可用于不同的目的。它们可用于 EO，如合成孔径雷达和光学传感器；用于电信服务，如意大利安全通信和警报系统（SICRAL）、欧洲国家盟军-法国意大利两用卫星（ATHENA-FIDUS）和铱卫星星座；用于导航，如伽利略、全球定位系统和全球轨道导航卫星系统。在这项工作中，重点将放在 MS 范围内用于 EO 的天基传感器上。大多数装有 EO 传感器的卫星都位于低地球轨道（LEO）上，其特点是高度在 160 至 2,000 公里之间。极地轨道是一种特殊的低地轨道，在这种轨道上，卫星每转一圈都在地球两极上空或几乎在地球两极上空经过。天基传感器沿轨道移动时看到的地球表面部分称为其扫描范围。低地轨道卫星的典型扫描范围从几十公里到几百公里不等，因此每次只能对地球上有限的区域进行观测和通信。这意味着需要卫星群来提供连续的覆盖范围，并保证较低的重访时间，即传感器连续两次观测同一区域的时间间隔。安装在由至少四颗极轨道卫星组成的星群上的传感器，如 COSMO-SkyMed 卫星，能够每天多次照亮极地上空的同一目标区域，每天至少两次照亮赤道上空的同一目标区域。低地轨道较低区域的卫星轨道衰减较快，需要定期重启以保持稳定的轨道，或者在旧卫星重新进入轨道时发射替代卫星。用于 EO 的天基传感器要求在图像进入其视场（FOV）后立即将获取的图像传输到特定的地面站。因此，地面站的密度和地理分布直接影响到终端用户获取图像的延迟时间。为了减少与地面站的通信延迟，可以利用相互连接的卫星群作为战术资产，将卫星获取的信息几乎实时地传输到地面站。在这方面，欧洲数据中继系统（EDRS）是欧空局在电信系统高级研究（ARTES）计划内的一个项目，利用两颗地球静止数据中继卫星提供与低地球轨道卫星的链接，从而实现航天器与地面站之间的实时通信。

在接下来的章节中，将全面介绍目前可用于 MS 的主要天基传感器技术。对于每种技术，都会介绍其在 MS 范围内使用时的主要优势和局限性。