艦船衛(wèi)星探測實驗中利用AIS獲取現(xiàn)場同步數(shù)據(jù)的可行性分析

張 婷, 張 杰, 張 晰, 孟俊敏

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

艦船監(jiān)視監(jiān)測是世界各沿海國家的傳統(tǒng)任務(wù)。艦船監(jiān)視在海上交通運輸、漁業(yè)管理、打擊偷渡走私犯罪、非法移民等航運管制，及發(fā)展國防事業(yè)、保衛(wèi)領(lǐng)海等軍事領(lǐng)域均起著重要的作用。當(dāng)前我國海洋維權(quán)形勢非常嚴(yán)峻，周邊部分國家的非法船舶不斷到我國管轄海域進(jìn)行測量，如美國不顧我國政府反對，不斷派其軍事測量船到我管轄海域進(jìn)行頻繁的水文、地質(zhì)等資料的收集，并進(jìn)行水下監(jiān)視、監(jiān)聽設(shè)備布設(shè)等戰(zhàn)場準(zhǔn)備活動，無視我國主權(quán)，極大地侵害了我國的海洋權(quán)益，對我國海上安全構(gòu)成了威脅。因此，急需加強(qiáng)對我國管轄海域內(nèi)艦船目標(biāo)的監(jiān)視監(jiān)測。

傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測主要是通過飛機(jī)和船舶開展監(jiān)測，其中船舶監(jiān)測存在費用高、反應(yīng)慢、活動區(qū)域受限等問題；飛機(jī)雖然具有機(jī)動靈活的優(yōu)點，但數(shù)量較少，航時有限，難以實現(xiàn)惡劣環(huán)境條件下的大面積實時監(jiān)測。星載SAR具有空間分辨率高、覆蓋面積大、全天時、全天候、節(jié)省投資等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)艦船目標(biāo)的精確定位，是海上艦船目標(biāo)監(jiān)測的重要手段。國內(nèi)外學(xué)者對此也十分關(guān)注，先后提出了一系列有針對性的SAR圖像艦船檢測算法[1-2]，但算法的準(zhǔn)確性需要有現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來驗證。為了驗證算法的準(zhǔn)確性，需開展與衛(wèi)星同步的艦船目標(biāo)探測實驗，用獲取的現(xiàn)場同步數(shù)據(jù)來檢驗SAR艦船檢測算法的性能。

在開展的多手段聯(lián)合探測艦船目標(biāo)實驗中，發(fā)現(xiàn)如何獲得現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來驗證SAR探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，是實驗最重要的環(huán)節(jié)之一。若租用工作船，在衛(wèi)星過境前后時間內(nèi)，于港口錨地搜尋艦船，利用攜帶的DGPS接收機(jī)來獲取艦船的地理位置，并記錄艦船的有關(guān)信息，這樣不僅工作量大，而且數(shù)據(jù)時效性差，更重要的是無法采集運動船舶的信息。所以，可利用AIS信息開展多手段聯(lián)合探測艦船目標(biāo)實驗。

AIS(船舶自動識別系統(tǒng))是一種船舶導(dǎo)航設(shè)備，是工作在VHF海上頻段的岸基和船載廣播式自動識別應(yīng)答器系統(tǒng)，《SOLAS公約》規(guī)定所有≥300 t的國際航行船舶和不論大小的客輪都應(yīng)裝配AIS[3]。AIS采用船舶全球唯一編碼MMSI碼作為識別手段，按照固定的時間段發(fā)送報文并接收周圍船舶AIS發(fā)來的報文。這些報文的信息包括MMSI碼、船名、呼號、IMO 號、船舶類型、吃水深度、船舶大小、GPS 天線方位、定位裝置等船舶資料和航行狀態(tài)、航速、航向、目的港及貨物種類等動態(tài)數(shù)據(jù)[3]，因此，利用AIS提供的數(shù)據(jù)，可以得到所測范圍內(nèi)船舶的數(shù)量和位置信息，能夠作為實測數(shù)據(jù)為SAR檢測算法提供驗證依據(jù)。

20世紀(jì)90年代，星載AIS出現(xiàn)，星載AIS在一顆或者多顆低軌道的衛(wèi)星(衛(wèi)星軌道高度600～1000 km)上搭載AIS收發(fā)機(jī)來接收和解碼AIS報文，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的地球站。星載AIS屬于非實時通信系統(tǒng)，系統(tǒng)對船舶位置的覆蓋不是一直持續(xù)的。在衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)，用戶可以實時地進(jìn)行通信并下載數(shù)據(jù)。星載AIS作為跟蹤系統(tǒng)具有以下特點：1)對用戶限制少：星載AIS不是點對點系統(tǒng)，用戶不需要支付任何電信費用。2)覆蓋面廣：系統(tǒng)可以達(dá)到全球覆蓋，包括極地區(qū)域，可用于船舶的全球跟蹤，便于船隊管理[4]。

通過現(xiàn)場試驗收集的AIS數(shù)據(jù)與SAR圖像進(jìn)行匹配，發(fā)現(xiàn)直接利用AIS匹配運動目標(biāo)會存在一定的偏差，這個偏差是由多普勒頻移和時間誤差造成的。分析多普勒頻移和時間誤差造成的距離偏差，對匹配結(jié)果進(jìn)行修正，使AIS與SAR的探測結(jié)果更好的實現(xiàn)了匹配。

1 數(shù)據(jù)偏差分析

圖1為2010-11-05T06∶51渤海海峽的Radarsat-2影像，極化方式為VV極化，分辨率為8 m。圖2為SAR與AIS聯(lián)合探測艦船實驗的匹配結(jié)果圖，圖中的亮點為SAR檢測到的艦船目標(biāo)，綠色點為AIS探測到的艦船目標(biāo)。通過時空匹配的SAR圖像和AIS數(shù)據(jù)比較，可以發(fā)現(xiàn)2種手段探測到的靜止的艦船目標(biāo)可以精確的匹配(圖2(a))，但是運動的艦船目標(biāo)存在一定的誤差(圖2(b))，當(dāng)多艘運動艦船目標(biāo)距離較近時，往往無法分辨AIS探測到的目標(biāo)與SAR圖像上的哪艘艦船匹配，因此這個偏差必須經(jīng)過校正以后才能使用。

圖1 2010-11-05T06∶51渤海海峽Radarsat-2影像Fig.1 Radarsat-2 images of the Bohai Strait obtained at 2010-11-05T06∶51

圖2 Radarsat-2影像與AIS數(shù)據(jù)匹配結(jié)果Fig.2 The results matched between the Radarsat-2 images and the AIS data

衛(wèi)星飛行路徑在地面上的投影(地面軌跡)方向稱為方位向，而與其垂直的方向稱為距離向[5]。艦船運動引起的偏差可以分解為距離向偏差和方位向偏差。距離向偏差是由AIS時間誤差引起的。在聯(lián)合探測實驗中，AIS探測的時間與SAR的探測時間并不是同一個時間源，且AIS并不是實時發(fā)送信號的，它按照固定的時間段(10 s，20 s或更長時間)來發(fā)送信號，當(dāng)船的運動速度很快時，10 s的時間誤差可以引起很大的距離偏差。假設(shè)船的速度為u，AIS時間誤差為t，θ為航向與距離向的夾角，則由時間誤差引起的距離向和方位向的偏移分別為：utcosθ和utsinθ。

方位向的偏差主要是由多普勒頻移造成的。當(dāng)發(fā)射源與接收體之間存在相對運動時，接收體接收的發(fā)射源發(fā)射信息的頻率與發(fā)射源發(fā)射信息頻率不相同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，接收頻率與發(fā)射頻率之差稱為多普勒頻移[6]。用SAR圖像進(jìn)行艦船檢測時，當(dāng)艦船目標(biāo)在距離向存在速度時，多普勒頻移會造成目標(biāo)在方位向上的偏移。

方位偏移(D)表示為：

(1)

式中，R為衛(wèi)星到目標(biāo)的距離；V為衛(wèi)星速度；u為艦船的速度；θ為航向與距離向的夾角[7-8]。

則AIS探測到的艦船位置與SAR探測到的艦船位置的偏差L：

(2)

對于一景特定的SAR圖像來說，R、V為固定值，影響L的參數(shù)為u、t、θ。為了便于分析各參數(shù)對L的影響情況，將公式寫為：

(3)

(4)

由式(3)可知，偏移量L與艦船的速度u呈線性關(guān)系，L隨u的增加而增加，如圖3。

圖3 L隨u的變化曲線Fig.3 The changes of L with u

圖4 L隨θ的變化曲線Fig.4 The changes of L with θ

由此可以看出，當(dāng)運動艦船目標(biāo)的速度一定時，艦船的航向是影響匹配結(jié)果偏差的主要因素，不同的航向造成的距離偏差可達(dá)幾百米。

圖5 L隨t的變化曲線Fig.5 The changes of L with t

所以，對于同一運動的艦船目標(biāo)，只要它的航速和航向不變，造成偏移的主要因素就是時間誤差。因此在聯(lián)合探測實驗中，應(yīng)盡可能使AIS的時間與衛(wèi)星時間精確一致，時間誤差在30 s內(nèi)為佳。

2 偏差修正

知道了L隨u、t、θ的變化特性后，在聯(lián)合探測實驗后期處理數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)u、t、θ將L計算出來并對數(shù)據(jù)加以修正，使AIS數(shù)據(jù)與SAR圖像更好的匹配。以圖2(b)中選中的艦船目標(biāo)為例，該時刻AIS探測到的該船信息：船號為249697000；速度為14.6 n mile/h ，航向為289°；船長190 m，寬32 m(圖6)。圖中黃色圓圈為AIS探測到的該船位置。

圖6 Radarsat-2 2010-11-05T06∶51渤海海峽Fig.6 A Radarsat-2 image of the Bohai Sea obtained at 2010-11-05T06∶51

根據(jù)這景Radarsat-2影像的斜距時間計算出衛(wèi)星到艦船目標(biāo)的距離R≈1 006 km，衛(wèi)星速度V≈7 547.5 m/s，由此可根據(jù)式(2)計算出由多普勒頻移造成的方位向偏移為D≈969.3 m。由圖6可知目標(biāo)與SAR圖像上的1號艦船目標(biāo)位置最為接近，將1號艦船目標(biāo)按照計算出的多普勒偏移在方位向修正后，艦船目標(biāo)(方框中的亮點)在AIS探測到的該艦船的航向上；從SAR圖像中可以測得距離向的偏差約為1 030 m，由此計算出當(dāng)時的AIS時間誤差為142 s。時間誤差大的原因除了AIS的信息發(fā)送時間有一定的時間間隔外，主要原因是AIS與SAR不是同一個時間源，AIS信息中保存的時間是AIS終端系統(tǒng)的時間，這個時間與SAR的系統(tǒng)時間可能存在一定的誤差。根據(jù)船速計算出AIS時間誤差造成的方位向偏差為90.35 m，則該艦船目標(biāo)在方位向的總偏差為1 059.65 m。AIS探測到的艦船目標(biāo)的航向與SAR探測到的艦船目標(biāo)的航向并不完全一致，有一定的夾角(圖6)。這是因為AIS探測到的航向是艦船的設(shè)定航向，但艦船在實際航行過程中由于受到海流及風(fēng)的影響會在某一段時間略微偏離設(shè)定航向，而SAR探測到的航向為該時刻艦船目標(biāo)的真實航向，兩個航向之間會存在一定的夾角，這與該時刻的海流、風(fēng)速等海況條件有關(guān)。

因此經(jīng)偏差修正后可以將該艦船目標(biāo)與SAR圖像中的探測到的1號艦船目標(biāo)精確匹配，而不會匹配到該點附近SAR探測到的其他艦船目標(biāo)上。從而實現(xiàn)艦船目標(biāo)的準(zhǔn)確定位。

3 結(jié) 論

通過開展SAR與AIS聯(lián)合探測艦船目標(biāo)實驗，發(fā)現(xiàn)運動艦船目標(biāo)的匹配結(jié)果存在一定的偏差。經(jīng)分析，這個偏差與艦船目標(biāo)的航速、航向及AIS與SAR的探測時間誤差有關(guān)，主要結(jié)論如下：

1)距離偏差L與船速u呈線性關(guān)系變化，L隨u的增加線性增加。

由此可見，AIS獲取現(xiàn)場同步數(shù)據(jù)的可靠性與船的航速、航向及AIS的時間誤差有關(guān)。實驗時，應(yīng)使AIS終端的系統(tǒng)時間與SAR衛(wèi)星時間盡可能的精確匹配；實驗后期處理數(shù)據(jù)時，可以根據(jù)船的航速、航向和AIS的時間誤差這3個參數(shù)將距離誤差計算出來并加以修正，使AIS與SAR的探測結(jié)果更好的匹配。

致謝:感謝錢文振、許樂達(dá)接收AIS數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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