AIS與雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究孫文杰

孫浩然

摘 要：AIS與雷達(dá)都是船舶導(dǎo)航的關(guān)鍵設(shè)備，但有著各自的優(yōu)勢(shì)和不足，將兩者綜合應(yīng)用具有重要意義。但AIS與雷達(dá)數(shù)據(jù)既有冗余又有互補(bǔ)，因此需要一定的數(shù)據(jù)融合算法才能達(dá)到較好的應(yīng)用效果。文章從AIS和雷達(dá)在船舶導(dǎo)航的應(yīng)用背景出發(fā)，介紹了雷達(dá)和AIS系統(tǒng)的基本工作原理，并詳細(xì)分析了其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，論述了兩種技術(shù)相結(jié)合的必要性。最后對(duì)AIS與雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行了深入研究，給出了一個(gè)典型的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，為船舶航行安全提供了保障。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)；AIS；數(shù)據(jù)融合；船舶導(dǎo)航

中圖分類號(hào)：U675.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）01-0065-02

Abstract： Both AIS and radar are the key equipment of ship navigation， but they have their own advantages and disadvantages， so it is of great significance to apply them in a comprehensive way. However， AIS and radar data are redundant and complementary， so a certain data fusion algorithm is needed to achieve good results. Based on the application background of AIS and radar in ship navigation， this paper introduces the basic working principle of radar and AIS system， analyzes their respective advantages and disadvantages in detail， and discusses the necessity of combining the two technologies. Finally， the technology of data fusion between AIS and radar is deeply studied， and a typical data fusion system is presented， which provides a guarantee for the safety of ship navigation.

Keywords： radar； AIS； data fusion； ship navigation

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海運(yùn)和內(nèi)河航運(yùn)走進(jìn)了一個(gè)新的階段，船舶數(shù)量不斷增加，港口和航道的船只密度越來(lái)越高，船舶碰撞事件時(shí)有發(fā)生。雷達(dá)的應(yīng)用在一定程度上解決了船舶定位和碰撞問(wèn)題，但雷達(dá)易受雨雪和海浪等因素的影響，而且在圖像顯示和航跡預(yù)測(cè)方面還有很大的不足，因此未能完全滿足船舶航行安全的要求。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System， AIS）技術(shù)的產(chǎn)生很大程度上彌補(bǔ)了雷達(dá)的缺陷，使船只信息交換更加準(zhǔn)確快捷。因此，在雷達(dá)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝AIS系統(tǒng)，將兩者綜合起來(lái)形成一個(gè)新的系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 雷達(dá)及AIS基本原理

2.1 雷達(dá)導(dǎo)航原理

雷達(dá)是通過(guò)電磁波的反射原理來(lái)對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行測(cè)量的。首先雷達(dá)天線會(huì)對(duì)外發(fā)射射頻信號(hào)，若目標(biāo)存在，則會(huì)將部分信號(hào)反射回來(lái)，雷達(dá)天線接收到反射信號(hào)后，根據(jù)其強(qiáng)度和角度等信息即可計(jì)算出目標(biāo)所在的位置。通過(guò)不停地發(fā)射與接收，即可測(cè)量出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。雷達(dá)可以區(qū)分出固定的物體和運(yùn)動(dòng)物體，甚至可以識(shí)別目標(biāo)的形狀和尺寸等更具體的細(xì)節(jié)信息。

船用雷達(dá)是水上導(dǎo)航的主要設(shè)備，它可以對(duì)船舶進(jìn)行精確定位，回避碰撞，保證水上航行安全。最初的船舶航跡探測(cè)都是由雷達(dá)完成的。雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)在于，它觀測(cè)距離遠(yuǎn)，分辨率高，且測(cè)量精度不受天氣和黑夜的影響，在軍事和民用領(lǐng)域都有大量的應(yīng)用[1]。但雷達(dá)不能繞過(guò)障礙物進(jìn)行測(cè)量，信號(hào)容易受到波浪和雨雪等背景干擾，而且在航跡預(yù)測(cè)方面也有很大的局限性。

2.2 船用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS

AIS是一種現(xiàn)代化船舶導(dǎo)航定位技術(shù)，它可以提供與船舶航行有關(guān)的各種關(guān)鍵信息，包括航速、航向、航跡等，并以可視化的形式在屏幕上顯示出來(lái)。AIS的應(yīng)用有利于水域交通的動(dòng)態(tài)指引，及時(shí)獲取船舶警告、發(fā)布和管制內(nèi)容，還能對(duì)氣象、水文、航標(biāo)等外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。使得全局管理能力大大增加，航跡預(yù)測(cè)水平明顯提高，水上交通管理和海上導(dǎo)航變得十分方便。

但是，與雷達(dá)系統(tǒng)相比，AIS還有很多局限性，中小型船只往往不具備AIS系統(tǒng)，因此安裝了AIS系統(tǒng)的船只無(wú)法單方面完全保證航行安全。另外，AIS系統(tǒng)的GPS數(shù)據(jù)也存在電離層延時(shí)、多徑干擾等問(wèn)題[2]。因此，AIS雖然功能強(qiáng)大，但仍然無(wú)法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)。

2.3 雷達(dá)和AIS結(jié)合的必要性

雷達(dá)和AIS作為船舶導(dǎo)航領(lǐng)域的兩大關(guān)鍵設(shè)備，將其綜合起來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是未來(lái)船舶導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。兩者結(jié)合之后的新系統(tǒng)具有更優(yōu)越的性能，在穩(wěn)定性、精度和實(shí)時(shí)性方面都有很大的提升。例如，當(dāng)雨雪天氣或海浪較大時(shí)，可通過(guò)AIS系統(tǒng)來(lái)獲取船舶的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息，彌補(bǔ)雷達(dá)精度的不足。當(dāng)某些未安裝AIS系統(tǒng)的中小型船只靠近時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)出警告信息，避免碰撞。實(shí)際上，雷達(dá)系統(tǒng)的跟蹤性能十分強(qiáng)大，而AIS的定位功能僅僅是被動(dòng)接收位置信息而已，因此雷達(dá)定位的可靠性比AIS系統(tǒng)高得多[3]。但雷達(dá)系統(tǒng)的顯示功能和動(dòng)態(tài)靜態(tài)信息的預(yù)測(cè)又無(wú)法與AIS系統(tǒng)相比擬。綜上所述，雷達(dá)和AIS結(jié)合應(yīng)用是十分必要的。endprint

3 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合是一種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，它綜合了信號(hào)處理、數(shù)量統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)模型、自動(dòng)檢測(cè)等多個(gè)學(xué)科的核心內(nèi)容。數(shù)據(jù)融合通常是把多個(gè)傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，例如濾波、相關(guān)、組合等，從而更準(zhǔn)確地估計(jì)待測(cè)參數(shù)。由于不同的信息源的數(shù)據(jù)有空間上的冗余，有時(shí)空上的互補(bǔ)，只要組合的算法得當(dāng)，融合后的數(shù)據(jù)往往比任意單個(gè)傳感器的測(cè)量精度要高。當(dāng)多傳感器數(shù)據(jù)中某些局部數(shù)據(jù)存在不確定性或多變性時(shí)，信息源之間的互補(bǔ)特性就顯得尤為關(guān)鍵了，這也正是數(shù)據(jù)融合能提高系統(tǒng)精度的關(guān)鍵之所在。

4 雷達(dá)與AIS數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前已敘及，AIS技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，從目前的技術(shù)水平而言，單獨(dú)采用任何一種方案都很難保證高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。因此，本文將兩者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，根據(jù)航標(biāo)的具體要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)分布式數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、點(diǎn)跡合并等功能。

4.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)采用了目前較先進(jìn)的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該類結(jié)構(gòu)具有數(shù)據(jù)處理速度快、系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低、航跡計(jì)算可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

在上述系統(tǒng)中，航跡數(shù)據(jù)融合的方式是傳感器到系統(tǒng)的融合。由于一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)能夠同時(shí)探測(cè)若干目標(biāo)，同理，一個(gè)AIS系統(tǒng)也同時(shí)探測(cè)多個(gè)目標(biāo)，并且兩種系統(tǒng)所輸出的信息類型是完全不同的。因此，數(shù)據(jù)融合的第一步就是要把雷達(dá)獲取的距離和方位信息與AIS獲取的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為相同的數(shù)據(jù)格式，把兩者都變換到同一個(gè)直角參考系統(tǒng)中，這是數(shù)據(jù)融合的前提。坐標(biāo)變換又稱為空間配準(zhǔn)，除此之外，還需要進(jìn)一步對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間上的對(duì)齊，方可保證AIS和雷達(dá)的各數(shù)據(jù)點(diǎn)處于同一時(shí)空維度。配準(zhǔn)之后的數(shù)據(jù)則對(duì)其進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以判斷兩者之間的相關(guān)度。完成配準(zhǔn)和關(guān)聯(lián)之后的數(shù)據(jù)才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

4.2 時(shí)空配準(zhǔn)

AIS和雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)往往有著不同的時(shí)間長(zhǎng)度，本文采用最小二乘法將時(shí)間較短的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到時(shí)間較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)上。由于雷達(dá)數(shù)據(jù)位于極坐標(biāo)中，而AIS數(shù)據(jù)位于球坐標(biāo)中，因此，空間配準(zhǔn)實(shí)際上是一個(gè)坐標(biāo)變換的過(guò)程，為了方便計(jì)算，本文通過(guò)高斯—克呂格投影法將AIS的經(jīng)緯度信息統(tǒng)一變換到直角坐標(biāo)系中，坐標(biāo)原點(diǎn)定義為航跡的實(shí)時(shí)位置。

4.3 航跡相關(guān)

航跡相關(guān)的目的是判斷不同的數(shù)據(jù)是否來(lái)源于同一探測(cè)目標(biāo)。首先，AIS和雷達(dá)系統(tǒng)獲取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，立即計(jì)算出各自的局部航跡，然后同時(shí)作為參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)融合過(guò)程中采用了Hough變換將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為參數(shù)空間，然后通過(guò)聚類分析計(jì)算兩路航跡的相關(guān)性。

4.4 點(diǎn)跡合并

無(wú)論是雷達(dá)數(shù)據(jù)還是AIS數(shù)據(jù)，都存在一定程度的測(cè)量誤差，如果綜合考慮兩者的信息，通過(guò)一定的算法使兩種數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，就可以得到更加精確的目標(biāo)位置。通過(guò)航跡相關(guān)的判斷，一旦確認(rèn)兩路航跡來(lái)源于同一探測(cè)目標(biāo)，即可對(duì)兩者進(jìn)行融合。由于兩路航跡的精度各不相同，本文對(duì)其采用了加權(quán)融合，權(quán)值的計(jì)算依據(jù)是雷達(dá)系統(tǒng)和AIS自身的精度。融合后的數(shù)據(jù)還進(jìn)行了一次穩(wěn)態(tài)卡爾曼濾波，進(jìn)一步消除了噪聲和算法引進(jìn)的誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)船舶導(dǎo)航雷達(dá)和AIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合進(jìn)行了研究，根據(jù)雷達(dá)和AIS數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)典型的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，使兩者的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了最大程度上的互補(bǔ)，提高了導(dǎo)航精度。雷達(dá)和AIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)研究無(wú)論在軍用還是民用領(lǐng)域都有著重要的戰(zhàn)略意義，是未來(lái)船舶導(dǎo)航的新方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]付德剛.論雷達(dá)和AIS在航海中的綜合運(yùn)用[J].河南科技，2015（22）：98.

[2]王晨熙，王曉博，朱靖，等.雷達(dá)與AIS信息融合綜述[J].指揮控制與仿真，2009，31（02）：1-4.

[3]劉曄華，陸悅銘.船舶引航中AIS、雷達(dá)/ARPA和VHF的綜合運(yùn)用[J].中國(guó)港口，2014（08）：42-43.

[4]賀豐收，繆禮鋒，陶飛翔，等.基于AIS的對(duì)海雷達(dá)多目標(biāo)融合跟蹤方法[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2017，15（02）：153-158.

[5]苑靖國(guó)，張海奉.船用導(dǎo)航雷達(dá)和AIS綜合應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與局限[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（02）：12.endprint