關(guān)于AIS與雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究

康雋永 孫文杰

摘 要 雷達(dá)技術(shù)與AIS技術(shù)是船只航行中的重要導(dǎo)航技術(shù)，二者之間具有一定的差異性，在數(shù)據(jù)采集上也各有側(cè)重。本文先是簡(jiǎn)單介紹了雷達(dá)與AIS技術(shù)，接下來(lái)分析了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，最后簡(jiǎn)單闡述了雷達(dá)與AIS數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞 雷達(dá);AIS數(shù)據(jù);融合技術(shù)

前言

對(duì)著生活水平的不斷提高，船只在我們生活中的作用也越來(lái)越明顯，雷達(dá)與AIS技術(shù)是船只航行的重要導(dǎo)航方式，二者各有優(yōu)勢(shì)也皆有不足，在一定程度上這兩種技術(shù)是互補(bǔ)的，所有為了提高船只探測(cè)數(shù)據(jù)的精確性，提高航行的安全性，將這兩種技術(shù)進(jìn)行融合，是一種非常有效的手段。

1雷達(dá)與AIS

1.1 雷達(dá)導(dǎo)航原理

雷達(dá)是水上導(dǎo)航的重要設(shè)備，船只通過(guò)雷達(dá)可以有效定位水下的障礙物，區(qū)分水下的運(yùn)動(dòng)物體以及固定物體，掌握障礙物的形狀以及大小，對(duì)障礙物進(jìn)行精準(zhǔn)的定位以及躲避，保證水上航行的安全。雷達(dá)定位的主要方式就是通過(guò)電磁波，使用天線對(duì)外發(fā)射電磁波，當(dāng)前方存在障礙物時(shí)會(huì)將電磁波反射回來(lái)，這些反射回來(lái)的電磁波會(huì)被天線接收到，通過(guò)對(duì)發(fā)出接收到電磁波的時(shí)間，反射回來(lái)的角度等信息進(jìn)行分析計(jì)算，就可以探測(cè)到前方障礙物的位置，當(dāng)不間斷的發(fā)射與接收電磁波時(shí)就可以有效的探測(cè)船只航線，了解目標(biāo)的形狀以及尺寸等信息。雷達(dá)在船只海上航行時(shí)測(cè)量的距離非常遠(yuǎn)，且使用時(shí)基本不受天氣的影響，在船只上使用的十分廣泛，但是雷達(dá)也有其缺陷，首先雷達(dá)在使用時(shí)不能繞過(guò)障礙物測(cè)量，同時(shí)電磁波信號(hào)很容易受到磁場(chǎng)以及雷電等特殊天氣的影響，具有一定的局限性[1]。

1.2 船用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS

AIS是船只自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，可以給船只提供導(dǎo)航定位，在航行中提供航速、航向以及與船舶航行有關(guān)的各種信息，這種技術(shù)更適合交通水域的動(dòng)態(tài)指引，可以在屏幕上及時(shí)的現(xiàn)時(shí)各種信息，及時(shí)獲取其他船只的信息，也可以有效的監(jiān)控氣象以及水文等外部環(huán)境信息，這對(duì)于船只航行時(shí)的全局掌握力有著很大的提高，也可以有效地對(duì)船只的軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)以及安排，是形成更加順利。但是與雷達(dá)系統(tǒng)相比，AIS的局限性是顯而易見(jiàn)的，首先小型船只是不具備AIS系統(tǒng)的，這就給船只的航行帶來(lái)了一些隱患，同時(shí)這種技術(shù)的信號(hào)傳播具有一定的延遲性，也很容易受到各種意外因素的干擾，所以AIS技術(shù)雖然對(duì)船只的幫助更大，雷達(dá)系統(tǒng)也不不可取代的。

1.3 雷達(dá)和AIS結(jié)合的必要性

雷達(dá)和AIS是船只航行中兩種最重要的輔助裝備，二者之間的功能各有側(cè)重，而且功能之間也可以進(jìn)行互補(bǔ)，將二者進(jìn)行結(jié)合可以讓船只具有更強(qiáng)的探測(cè)能力，更穩(wěn)定的航行性能以及更大的測(cè)量精度，可以說(shuō)將二者進(jìn)行結(jié)合可以使船只的探測(cè)性能有一個(gè)飛躍式的提升。像在雨雪天氣或者是海浪較大對(duì)于雷達(dá)造成影響時(shí)，就可以使用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，而當(dāng)未安裝AIS的小型船只靠近時(shí)，雷達(dá)也可以做出有效的警告。實(shí)際上雷達(dá)的數(shù)據(jù)探測(cè)性能十分強(qiáng)大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被動(dòng)接收信息的AIS系統(tǒng)，但是其顯示功能與動(dòng)靜態(tài)信息預(yù)測(cè)功能又遠(yuǎn)遜于AIS系統(tǒng)，所以將二者進(jìn)行結(jié)合是十分必要的。

2數(shù)據(jù)融合技術(shù)

數(shù)據(jù)融合不是單純地將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，這是一種非常復(fù)雜的技術(shù)，綜合了信號(hào)處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)建模等多種技術(shù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)首先需要把多個(gè)傳感器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選以及整合，更加準(zhǔn)確的計(jì)算出待處理的參數(shù)。對(duì)于不同數(shù)據(jù)接收器來(lái)說(shuō)，接收到的數(shù)據(jù)是存在差異的，在進(jìn)行不同源的數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要先處理數(shù)據(jù)空間上的冗余，采用組合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可以有效提高數(shù)據(jù)的精度，特別是不同數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)互補(bǔ)時(shí)在精度上的提升是十分明顯的[2]。

3雷達(dá)與AIS數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AIS技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)決定著二者之間的數(shù)據(jù)是可以互補(bǔ)的，在單一技術(shù)很難保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，將二者結(jié)合就是提高數(shù)據(jù)精度的有效方式。

3.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雷達(dá)與AIS技術(shù)都是能夠獲取多個(gè)方位數(shù)據(jù)信息的技術(shù)，二者采用的獲取信息的方式還具有差異性，所以為了將二者探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，首先就需要將二者獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相同的格式，即將二者獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系上進(jìn)行整合，這也是將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的前提。同時(shí)也要將二者獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間上的整合，保證接收到的數(shù)據(jù)是兩個(gè)系統(tǒng)在同一時(shí)間獲取的，這樣在進(jìn)行數(shù)據(jù)整合處理時(shí)才能夠有效的提升數(shù)據(jù)的精確性，提升船只獲取數(shù)據(jù)的整體性能。

3.2 時(shí)空配準(zhǔn)

為了保證將雷達(dá)與AIS技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)在進(jìn)行有效整合，保證二者獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間在一個(gè)點(diǎn)上是非常重要的，而二者獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度是不同的，這就需要采用一定的方式將二者的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一時(shí)間長(zhǎng)度上，可以采用最小二乘法的方式將二者的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)一。同時(shí)在保證時(shí)間統(tǒng)一的同時(shí)，也要保證二者接收的數(shù)據(jù)能夠在同一個(gè)數(shù)學(xué)坐標(biāo)系上進(jìn)行處理，可以使用高斯—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。

3.3 航跡相關(guān)

雷達(dá)與AIS技術(shù)在測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的數(shù)據(jù)追蹤上也是存在差異的，為了判斷二者測(cè)量的數(shù)據(jù)是否為同一個(gè)目標(biāo)，判斷二者測(cè)量航跡的性慣性是一種有效的方式。所以在二者獲得一個(gè)物體的數(shù)據(jù)后，需要分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析得到探測(cè)到的目標(biāo)軌跡，將這兩個(gè)測(cè)算出的數(shù)據(jù)整合到一個(gè)坐標(biāo)系中計(jì)算器相關(guān)性，確定是否為同一目標(biāo)。

3.4 點(diǎn)跡合并

無(wú)論是雷達(dá)數(shù)據(jù)還是AIS數(shù)據(jù)都是存在誤差的，所以在整合兩種數(shù)據(jù)時(shí)才能夠提高數(shù)據(jù)的精度，所以在確定二者探測(cè)的數(shù)據(jù)是同一目標(biāo)時(shí)就可以對(duì)兩者測(cè)算的軌跡進(jìn)行合并，提高數(shù)據(jù)的精度。當(dāng)然，在進(jìn)行點(diǎn)跡合并時(shí)也需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)二者之間的差異性給予不同的加權(quán)值，再使用穩(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，提高數(shù)據(jù)的精確性。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，將雷達(dá)與AIS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合是可行的，在數(shù)據(jù)整合時(shí)對(duì)于船只數(shù)據(jù)采集的精度是有著較大提升的，對(duì)于數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性也是有幫助的，這對(duì)于船舶的發(fā)展是有著很大的幫助的，也是未來(lái)船舶導(dǎo)航的新方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 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（2）：12.

[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（2）：1-4.