無人傳感技術(shù)在海洋態(tài)勢感知的應(yīng)用研究

徐云云，李迎霞，郝自勉，錢雪微

湖北城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430205

0 引言

縱觀人類歷史的歷程，海洋對于人類生存和發(fā)展具有重要意義，海洋的發(fā)展對社會的興衰有重要影響，海洋的和平安寧關(guān)乎國家的安危和利益。我國既是一個(gè)陸地大國，又是一個(gè)海洋大國，有18 000多公里海岸線，6 500 多個(gè)沿海島嶼，近300 萬平方公里的海洋面積，擁有廣闊的海洋活動空間和豐富的海洋資源，將海洋優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為發(fā)展優(yōu)勢的潛力巨大。黨的十八大提出“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略，黨的十九大報(bào)告強(qiáng)調(diào)，“堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國”，黨的二十大報(bào)告指出，“加快建設(shè)海洋強(qiáng)國”[1]。

海洋態(tài)勢感知（Maritime Domain Awareness，MDA）是海洋信息獲取的一個(gè)重要組成。“國際海事組織”（IMO）將海洋態(tài)勢感知定義為：對任何與海域相關(guān)的、可能影響安全、經(jīng)濟(jì)或環(huán)境的事務(wù)的有效理解，而海域是海、洋或其他可航行水道的任何領(lǐng)域和事務(wù)，無論在其上、其下、相關(guān)、毗鄰或接壤，包括所有與海事相關(guān)的活動、基礎(chǔ)設(shè)施、人員、船貨、船只和其他海上運(yùn)輸[2]。由此可見，做好海洋態(tài)勢感知可以更好地實(shí)現(xiàn)“認(rèn)識海洋、經(jīng)略海洋、管控海洋”，從而推動海洋信息化發(fā)展。

1 態(tài)勢感知概述

態(tài)勢感知（Situation Awareness，SA）的概念最早由ENDSLEY M R[3]于1988 年定義，具體說明了態(tài)勢感知是指“在一定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，感知各種環(huán)境要素，理解各個(gè)要素的意義，并預(yù)測它們在不久的將來的狀態(tài)和發(fā)展趨勢，以實(shí)現(xiàn)決策優(yōu)勢”，并提出了著名的三級態(tài)勢感知模型（如圖1 所示），包括態(tài)勢覺察、態(tài)勢理解和態(tài)勢預(yù)測，可以實(shí)現(xiàn)信息獲取、處理、分析和預(yù)測等。態(tài)勢感知技術(shù)目前從軍事領(lǐng)域慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槎囝I(lǐng)域應(yīng)用，具體如表1 所示。

表1 態(tài)勢感知應(yīng)用領(lǐng)域

2 無人傳感技術(shù)在海洋態(tài)勢感知領(lǐng)域的應(yīng)用

海洋態(tài)勢感知的核心內(nèi)容是對海上船只及其貨物、乘員及乘客的監(jiān)視，并快速生成目標(biāo)船只的地理位置信息[4]。海洋態(tài)勢感知的實(shí)現(xiàn)過程如圖2 所示，首先需要借助無人傳感技術(shù)集成的各項(xiàng)設(shè)備獲取海洋各項(xiàng)活動信息；然后借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理；再通過數(shù)據(jù)分析等技術(shù)預(yù)測海洋態(tài)勢走向；最后實(shí)現(xiàn)海上船只交通安全、海上戰(zhàn)場部署等應(yīng)用目標(biāo)。

不難看出，海洋態(tài)勢感知過程中，借助無人傳感設(shè)備利用傳感器技術(shù)獲取海洋各類信息是最基本的環(huán)節(jié)。下面就此類無人傳感技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

2.1 合成孔徑雷達(dá)技術(shù)

2.1.1 技術(shù)原理

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）技術(shù)是利用合成孔徑原理、脈沖壓縮技術(shù)和信號處理方法、雷達(dá)波的時(shí)間差和位移差來繪制地表及地下結(jié)構(gòu)的雷達(dá)圖像技術(shù)，其工作原理如圖3 所示。SAR 搭載設(shè)備首先在SAR1 的位置發(fā)射和接收一個(gè)固定射程角度和脈沖寬度的信號到搜索目標(biāo)區(qū)域，當(dāng)其移動到SAR2 位置再發(fā)射和接收另一個(gè)特定角度的信號，通過信號接收的延遲和位移信息中提取數(shù)據(jù)，得出最終的成像結(jié)果。

2.1.2 技術(shù)優(yōu)勢和不足

SAR 可集成為無人微波成像傳感器，主要用于非接觸式主動實(shí)時(shí)的目標(biāo)探測，可以在能見度極低的氣象條件下得到類似光學(xué)照相的高分辨雷達(dá)圖像，具有全天候、全天時(shí)和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)[5]。

SAR 實(shí)現(xiàn)的微波遙感傳感器工作采用的是微波波段，波長范圍為1 mm ～1 m，能主動發(fā)射微波，并接收目標(biāo)反射的回波。相比可見光和紅外遙感，其采用的波長較長，足以繞過云層的粒子結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳播，因而受大氣散射的影響較小，可以穿透薄霧、云層、雨和塵埃等。因此，無論白天還是黑夜，亦或是在惡劣天氣和環(huán)境條件下，SAR 都能進(jìn)行目標(biāo)探測和成像。

但同時(shí)，SAR 也具有一定的缺點(diǎn)，比如對搭載設(shè)備的航行精度要求較高，需要投入較高的成本；對一個(gè)區(qū)域需要多時(shí)間、多位置的發(fā)射接收信號，使得其成像時(shí)間長。

2.1.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

SAR 多用于地形檢測等領(lǐng)域，其中在海洋態(tài)勢感知領(lǐng)域中，SAR 技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛。海洋環(huán)境復(fù)雜多變，經(jīng)常被云霧覆蓋，常規(guī)光學(xué)遙感手段難以有效對其觀測，SAR 具有一定的穿透能力，能識別偽裝，對于全面觀測海洋交通、偵察海洋軍事動態(tài)等有重要的意義。

2.1.4 發(fā)展趨勢

近年來，由于超大規(guī)模數(shù)字集成電路的發(fā)展、高速數(shù)字芯片的出現(xiàn)，以及先進(jìn)的數(shù)字信號處理算法的發(fā)展，使SAR 實(shí)時(shí)處理信號的能力不斷增強(qiáng)。SAR 最初主要是搭載飛機(jī)、星載平臺，隨著無人機(jī)等小型飛行設(shè)備的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了無人機(jī)SAR 等多種形式平臺搭載的合成孔徑雷達(dá)，廣泛用于軍事、經(jīng)濟(jì)和科技等眾多領(lǐng)域。

2.2 高頻地波雷達(dá)技術(shù)

2.2.1 技術(shù)原理

高頻地波雷達(dá)（HF Surface Wave Radar，HFSWR）利用垂直極化高頻短波（3 ～30 MHz）在沿海洋表面繞射傳播衰減小的特點(diǎn)，利用地波超視距傳播特性進(jìn)行探測。其應(yīng)用模式如圖4 所示，設(shè)置在海岸的HFSWR 利用海洋表面對高頻短波的繞射傳播機(jī)制，從雷達(dá)回波中提取海洋環(huán)境實(shí)況、艦船、飛機(jī)等信息，實(shí)現(xiàn)對海洋環(huán)境和移動目標(biāo)高精度、大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2.2.2 技術(shù)優(yōu)勢和不足

HFSWR 利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機(jī)制，可以從雷達(dá)回波中提取海洋環(huán)境、船只航行等海況信息，能超視距探測海平面視線以下出現(xiàn)的艦船、飛機(jī)、冰山和導(dǎo)彈等運(yùn)動目標(biāo)，作用距離可達(dá)400 km 以上，HFSWR 具有探測面廣、反隱身、全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)[6]。

但是，地波雷達(dá)的短波段也是日常通信、廣播等大氣、天電噪聲等比較集中的頻段，此類電離層干擾會影響地波雷達(dá)探測的精確度，需要不斷精進(jìn)技術(shù)來抗電離層干擾。

2.2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

HFSWR 作為目標(biāo)探測的有效方法，是實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境檢測、船只監(jiān)視等海洋態(tài)勢感知的重要手段，目前被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。HFSWR 對于海洋范圍內(nèi)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)進(jìn)行檢測、預(yù)警，對于軍事戰(zhàn)略分析和海洋戰(zhàn)略部署有較強(qiáng)的輔助功能。

2.2.4 發(fā)展趨勢

與SAR 多搭載飛行設(shè)備不同，HFSWR 多設(shè)置在海岸，通常采用大規(guī)模天線陣列，需要占用海岸資源，所以，目前HFSWR 的小型化發(fā)展是一個(gè)重點(diǎn)研究方向。目前，緊湊型HFSWR 已經(jīng)取得了一定的成就，可以實(shí)現(xiàn)在巡航船艦、海島上部署，拓展了雷達(dá)探測面積和靈活性。

2.3 船舶自動識別系統(tǒng)

2.3.1 技術(shù)原理

船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS）是指一種廣泛應(yīng)用于船和岸、船和船之間的海事交通安全與通信的新型助航系統(tǒng)。AIS 系統(tǒng)主要由GPS 或北斗、VHF 收發(fā)機(jī)、AIS 信息處理器等各類傳感器組成。其工作過程是首先由GPS、北斗等定位系統(tǒng)提供船舶定位功能，獲取船舶的經(jīng)緯度；再由船載傳感器，如陀螺儀等獲取船舶航行動態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)，根據(jù)船舶全球的唯一編碼—MMSI 碼獲取船名等靜態(tài)數(shù)據(jù)；然后，將船舶的動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由VHF收發(fā)機(jī)向AIS 信息處理器傳遞；最終各項(xiàng)數(shù)據(jù)由電子海圖和信息系統(tǒng)（ECDIS）顯示。

2.3.2 技術(shù)優(yōu)勢和不足

AIS 能自動上報(bào)和交換航速、船名、航向、呼號等重要信息，從而實(shí)現(xiàn)即使不使用雷達(dá)探測也能獲得船舶信息，特別是在能見度低、夜間航行的水域，可以有效減少船舶碰撞事故。但是，由于存在船只責(zé)任人不遵守法規(guī)隨意拆卸、開關(guān)AIS 的情況，導(dǎo)致設(shè)備不能持續(xù)發(fā)揮作用。

2.3.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，世界范圍內(nèi)均出臺法律法規(guī)要求船只配備AIS，其中，《中華人民共和國海事局關(guān)于印發(fā)國內(nèi)航行船舶船載電子海圖系統(tǒng)和自動識別系統(tǒng)設(shè)備管理規(guī)定》規(guī)定：300 總噸至500 總噸沿海航行船舶、參與沿海水上水下施工作業(yè)的自航船舶應(yīng)配備AIS。200 總噸至300 總噸沿海航行船舶；所有港作拖船；航行于內(nèi)河長江干線、珠江干線、京杭運(yùn)河及黃浦江的100總噸及以上的所有船舶，以及100 總噸以下的液貨船和集裝箱船應(yīng)配備AIS 設(shè)備[7]。目前，AIS 已成為水務(wù)監(jiān)管、水上事故調(diào)查、通航評估的主要技術(shù)手段，已經(jīng)在水上船舶導(dǎo)航、交通管理等方面有較為廣泛的應(yīng)用，可為海洋態(tài)勢感知提供穩(wěn)健的技術(shù)支持。

2.3.4 發(fā)展趨勢

AIS 不是單一的技術(shù)，而是融合了現(xiàn)代通信、計(jì)算機(jī)、傳感器等技術(shù)的數(shù)字助航系統(tǒng)，為智能船舶的發(fā)展提供了強(qiáng)力支持。目前，AIS 的基本普及已經(jīng)完成，可以實(shí)現(xiàn)船和岸、船和船之間互聯(lián)互通、系統(tǒng)整合。下一步的發(fā)展目標(biāo)是遠(yuǎn)程控制和自主操作，對船舶執(zhí)行系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性都有很高的要求。

3 總結(jié)與展望

隨著國際交流日漸頻繁，國際化貿(mào)易的飛速發(fā)展，海上船只數(shù)量極速增長，海上交通情況不斷復(fù)雜化，這對海洋態(tài)勢感知提出了更高的挑戰(zhàn)。無人傳感技術(shù)在充分考慮海洋環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，集成各種傳感器，為海洋態(tài)勢感知提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。未來，無人傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)融合發(fā)展是一個(gè)大的趨勢。無人傳感技術(shù)不僅靈敏度、精確性不斷提高，還向著微型化、泛用型、集成化發(fā)展，伴隨著現(xiàn)代通信技術(shù)快速更迭，計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等飛速提高，可以不斷提高海洋檢測能力，為海洋監(jiān)管人員提供精確高效的海洋數(shù)據(jù)，從而不斷提高海洋態(tài)勢感知的準(zhǔn)確度和智能化。