申其兵

(中國(guó)船級(jí)社 溫州辦事處，浙江 溫州 325000)

維修理論

船舶導(dǎo)航系統(tǒng)中雷達(dá)與AIS信息融合系統(tǒng)分析

申其兵

(中國(guó)船級(jí)社 溫州辦事處，浙江 溫州 325000)

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)是集船舶導(dǎo)航、避碰、海事監(jiān)管于一體的無(wú)線電系統(tǒng)，在水上交通運(yùn)輸領(lǐng)域里發(fā)揮著重要作用。而雷達(dá)同樣是海上交通獲取船舶目標(biāo)信息的重要設(shè)備。二者目標(biāo)信息在內(nèi)容信息和數(shù)據(jù)精度上存在差異性，且具有互補(bǔ)性。為了獲得船舶目標(biāo)更精確和更可靠的信息，將其目標(biāo)信息進(jìn)行融合。文章提出了一種雷達(dá)與AIS信息融合的實(shí)現(xiàn)方法，并描述了將其實(shí)現(xiàn)的具體過(guò)程。

雷達(dá)；船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)；信息融合

目前，獲取海上船舶信息通常有2種手段，一種是導(dǎo)航雷達(dá)，一種是船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)。導(dǎo)航雷達(dá)，是一種主動(dòng)探測(cè)設(shè)備，能夠自主搜索和跟蹤多批海上目標(biāo)。雷達(dá)的缺點(diǎn)是搜索威力小(探測(cè)目標(biāo)的距離小)，探測(cè)精度低，并且目前的導(dǎo)航雷達(dá)基本上只能提供目標(biāo)的距離、方位等信息，無(wú)法做到準(zhǔn)確的目標(biāo)識(shí)別。優(yōu)點(diǎn)是不需要在每艘船舶上加裝設(shè)備。而AIS是一種新型的輔助導(dǎo)航設(shè)備，由岸基設(shè)備和船載設(shè)備組成。岸基設(shè)備被動(dòng)接收各個(gè)船舶上的船載設(shè)備發(fā)送的信息。安裝有AIS設(shè)備的船舶，能夠?qū)崟r(shí)向外廣播船舶的位置信息、當(dāng)前航向、航行的速度等動(dòng)態(tài)信息，并能夠播發(fā)船舶的識(shí)別碼、名稱(chēng)等靜態(tài)信息。位置信息是基于船舶上的衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航設(shè)備的，因此精度高。但沒(méi)有安裝船載AIS設(shè)備的小型船舶，岸基AIS無(wú)法接收到船舶的信息。由此可見(jiàn)，AIS和導(dǎo)航雷達(dá)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在當(dāng)前的情況下無(wú)法做到相互替代。因此，如何實(shí)現(xiàn)AIS和導(dǎo)航雷達(dá)的信息進(jìn)行融合，以發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，顯得越來(lái)越重要。

本文根據(jù)導(dǎo)航雷達(dá)提供的目標(biāo)信息，以及AIS提供的目標(biāo)動(dòng)態(tài)信息和靜態(tài)信息，提出了一種信息融合的工程實(shí)現(xiàn)方法。該方法主要包括：時(shí)空統(tǒng)一(坐標(biāo)變換、時(shí)間統(tǒng)一)、航跡關(guān)聯(lián)和航跡融合。經(jīng)過(guò)信息融合，能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別，提高探測(cè)能力，提高目標(biāo)探測(cè)的連續(xù)性。

1 雷達(dá)與AIS信息融合結(jié)構(gòu)

根據(jù)信息融合處理方式的不同,主要有集中式和分布式2種信息融合結(jié)構(gòu)。

1.1 集中式信息融合

集中式信息融合，首先是各個(gè)傳感器獨(dú)立地接收信息，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后送到融合中心。融合中心對(duì)各個(gè)傳感器經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換、數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)(時(shí)空統(tǒng)一)，然后進(jìn)行點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)，如圖1所示。集中式信息融合利用了各個(gè)傳感器的所有數(shù)據(jù)信息，因此信息損失小，融合后精度較高。但由于利用了全部的信息，使得融合中心的計(jì)算量很大，對(duì)硬件的處理速度要求較高，因而造成可靠性相對(duì)較差。

圖1 集中式信息融合結(jié)構(gòu)

1.2 分布式信息融合

分布式信息融合，每個(gè)傳感器首先采集信息，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，形成獨(dú)立的航跡信息。每個(gè)傳感器將處理之后的航跡信息分別送到融合中心。融合中心首先進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)，然后進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)，將屬于同一批目標(biāo)的各個(gè)傳感器的航跡信息進(jìn)行航跡融合，最后輸出融合的航跡信息，如圖2所示。

圖2 分布式信息融合結(jié)構(gòu)

分布式信息融合的優(yōu)點(diǎn):系統(tǒng)中的各個(gè)傳感器都有獨(dú)立的目標(biāo)處理能力,融合中心的負(fù)擔(dān)小，計(jì)算量小，僅對(duì)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)和融合；系統(tǒng)可靠性高。

結(jié)合雷達(dá)和AIS的系統(tǒng)特點(diǎn)，選用分布式信息融合結(jié)構(gòu)。

2 時(shí)空統(tǒng)一

2.1 坐標(biāo)系

AIS提供的目標(biāo)位置信息為WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)度、緯度和海拔高度，即為地心大地坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。在本方法中，主要使用以下幾種坐標(biāo)系：雷達(dá)站心球坐標(biāo)、雷達(dá)站心空間直角坐標(biāo)、地心空間直角坐標(biāo)、地心大地坐標(biāo)。各個(gè)坐標(biāo)系定義如下[1]。

雷達(dá)站心球坐標(biāo)系定義為：以XRORZR平面為基準(zhǔn)，以O(shè)R為圓點(diǎn)，以XR軸為極軸。目標(biāo)TT的坐標(biāo)表示為(RT,αT,βT)，其中RT為目標(biāo)TT與站心OR的距離。αT為目標(biāo)TT在站心球坐標(biāo)系的方位角，βT為目標(biāo)點(diǎn)TT在站心球坐標(biāo)系的俯仰角。雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)得到的信息一般為站心球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

站心空間直角坐標(biāo)系的定義為：雷達(dá)站點(diǎn)T0為坐標(biāo)系的原點(diǎn)OR，ZR軸與OR(T0)的橢球法線重合，XR軸垂直于ZR軸，指向橢球的短軸，而YR軸垂直于XRORZR平面，構(gòu)成左手坐標(biāo)系，目標(biāo)TT的坐標(biāo)表示為(XT,YT,ZT)，如圖3所示。

圖3 站心空間直角坐標(biāo)系

地心空間直角坐標(biāo)系的定義為：原點(diǎn)O重合于地球質(zhì)心，Z軸指向地球的北極，X軸指向子午面與地球赤道交點(diǎn)，Y軸垂直于XOZ平面，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

地心大地坐標(biāo)系的定義為：地球橢球中心重合于地球質(zhì)心，橢球的短軸與地球的自轉(zhuǎn)軸吻合，緯度φ為過(guò)地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面夾角，經(jīng)度J為過(guò)地面點(diǎn)的橢球子午面格林尼治大地子午面之間的夾角，高程H為地面點(diǎn)沿橢球法線到橢球面的高度，如圖4所示。

圖4 地心空間坐標(biāo)系和地心大地坐標(biāo)系

2.2 空間統(tǒng)一

AIS提供的目標(biāo)位置信息是基于WGS-84坐標(biāo)系的，用經(jīng)度、緯度、高程表示，是絕對(duì)位置信息。而雷達(dá)提供的目標(biāo)位置信息是基于雷達(dá)坐標(biāo)系的，用距離、方位、俯仰表示，是一種相對(duì)位置信息。因此，需要將二者的位置信息進(jìn)行空間統(tǒng)一。

將AIS的位置信息轉(zhuǎn)換到雷達(dá)坐標(biāo)系中，完成空間統(tǒng)一，假設(shè)條件如下。

1) 雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)信息為T(mén)T(RT,αT,βT)，雷達(dá)站心位置T0(φ0,J0,H0)

2) AIS記錄的目標(biāo)信息為T(mén)D(φD,JD,HD)。

AIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到雷達(dá)坐標(biāo)系需經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)過(guò)程。

1) 地心大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到地心空間直角坐標(biāo)系。AIS的目標(biāo)數(shù)據(jù)TD(φD,JD,HD)為經(jīng)度、緯度和海拔高。將地心大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地心空間直角坐標(biāo)系，具體變換如公式(1)所示。

(1)

其中RN為橢球卯西圈曲率半徑，并且

(2)

其中r為地球長(zhǎng)半徑，r=6 378 137 m；e為橢球第一偏心率，e2=0.006 694 379 990 13。

2)地心空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到雷達(dá)站心空間直角坐標(biāo)系。首先利用公式(1),將雷達(dá)站心位置T0(φ0,J0,H0)，轉(zhuǎn)換到地心空間直角坐標(biāo)系中(X0,Y0,Z0)；其次，利用公式(3)，將AIS地心空間直角坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到雷達(dá)站心空間直角坐標(biāo)系。

(3)

3)雷達(dá)站心空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到雷達(dá)站心球坐標(biāo)系。利用公式(4)將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到球坐標(biāo)系。

(4)

經(jīng)過(guò)以上步驟，將AIS的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到雷達(dá)站心所在的球坐標(biāo)系中，完成了AIS與雷達(dá)數(shù)據(jù)空間的統(tǒng)一。

2.3 時(shí)間統(tǒng)一

AIS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到與雷達(dá)同一個(gè)坐標(biāo)系，完成了空間的統(tǒng)一，為了進(jìn)行融合處理，還需要時(shí)間統(tǒng)一。由于搜索雷達(dá)轉(zhuǎn)速一般是2 s或以上，除非操作手手動(dòng)更改轉(zhuǎn)速，否則整個(gè)工作過(guò)程是恒轉(zhuǎn)速的。而AIS的數(shù)據(jù)更新間隔不是固定的，取決于船速和航向的變化率，更新率在2 s到10 min。所以，為了簡(jiǎn)化處理，將AIS的數(shù)據(jù)按照時(shí)間外推到雷達(dá)所探測(cè)目標(biāo)的時(shí)刻上。在實(shí)際中，我們假設(shè)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)時(shí)間為t，AIS采樣間隔為T(mén)，假設(shè)AIS第nT和第(n+1)T個(gè)時(shí)刻雷達(dá)有探測(cè)值，且nT

(5)

通過(guò)公式(5)，將AIS的數(shù)據(jù)外推到雷達(dá)的探測(cè)時(shí)刻t上，完成了時(shí)間的對(duì)齊。由于船舶的機(jī)動(dòng)比較平緩，采用兩點(diǎn)外推能夠滿足精度要求。

3 航跡關(guān)聯(lián)

假設(shè)AIS目標(biāo)數(shù)據(jù)在Ti(1≤i≤m,m為AIS目標(biāo)的點(diǎn)跡數(shù))的NED坐標(biāo)為(XA,Ti,YA,Ti,ZA,Ti)，時(shí)空對(duì)準(zhǔn)后雷達(dá)目標(biāo)j(1≤j≤n,n為雷達(dá)目標(biāo)數(shù))在時(shí)刻Ti的NED坐標(biāo)為(XR,Ti,YR,Ti,ZR,Ti)，則在時(shí)刻Ti雷達(dá)目標(biāo)j與AIS目標(biāo)的空間距離為：

R,Ti=

閾值為R0，粗關(guān)聯(lián)閾值的選取一般根據(jù)導(dǎo)航雷達(dá)、AIS的測(cè)量誤差，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。根據(jù)下面2個(gè)步驟確定導(dǎo)航雷達(dá)與AIS信息粗關(guān)聯(lián)的判斷準(zhǔn)則。

1)如果R,Ti≤R0，則時(shí)刻Ti的雷達(dá)目標(biāo)j與AIS的目標(biāo)相關(guān)聯(lián)。

2)否則，時(shí)刻Ti的雷達(dá)目標(biāo)j與AIS的目標(biāo)為不關(guān)聯(lián)。

確定了空間粗關(guān)聯(lián)后，進(jìn)行AIS信息和導(dǎo)航雷達(dá)的航跡關(guān)聯(lián)。我們采用邏輯航跡關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)規(guī)則如下所示。

將連續(xù)S(1≤S≤m)個(gè)時(shí)刻的AIS目標(biāo)航跡分別與導(dǎo)航雷達(dá)的目標(biāo)航跡進(jìn)行粗關(guān)聯(lián)。如果雷達(dá)目標(biāo)f(1≤f≤n)在T(T≤S)個(gè)時(shí)刻的空間粗關(guān)聯(lián)中都與 AIS目標(biāo)關(guān)聯(lián)，則AIS目標(biāo)與雷達(dá)目標(biāo)f構(gòu)成邏輯航跡關(guān)聯(lián)。S和T的選取一般根據(jù)導(dǎo)航雷達(dá)、AIS的測(cè)量誤差，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。

4 信息的航跡融合

當(dāng)前航跡融合的方法主要有：簡(jiǎn)單航跡融合、協(xié)方差航跡融合、自適應(yīng)航跡融合3種。由于雷達(dá)數(shù)據(jù)的更新率與AIS相差比較大，并且結(jié)合工程應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理速度，采用自適應(yīng)航跡融合算法，如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)航跡融合算法

經(jīng)過(guò)航跡關(guān)聯(lián)后，根據(jù)各傳感器的航跡估計(jì)計(jì)算出第1個(gè)距離測(cè)度D1，并與門(mén)限T1進(jìn)行比較。如果D1小于T1，則采用本地航跡估計(jì)作為最終的全局航跡估計(jì)；否則進(jìn)行下一步，計(jì)算距離測(cè)度D2，如果D2小于門(mén)限值T2，則采用簡(jiǎn)單融合算法；否則進(jìn)行最后一步，采用協(xié)方差加權(quán)融合算法。其中，門(mén)限值T1和T2根據(jù)系統(tǒng)可用資源對(duì)融合算法的影響和系統(tǒng)對(duì)融合航跡質(zhì)量要求進(jìn)行選取。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)雷達(dá)和AIS各自的優(yōu)勢(shì)，提出了將雷達(dá)和AIS的信息進(jìn)行相互融合，以提高船舶導(dǎo)航的精度和可靠性。采用分布式融合結(jié)構(gòu)，通過(guò)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)、空間對(duì)準(zhǔn)、航跡關(guān)聯(lián)及融合，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)和AIS的信息融合。通過(guò)綜合的系統(tǒng)分析，該方法可在船舶導(dǎo)航中推廣應(yīng)用。

[1] 李維運(yùn). VTS 中雷達(dá)和 AIS 信息融合算法探討[J]．中國(guó)水運(yùn)，2006(7)：116-118.

Automatic Identification System(AIS)is a radio system integrated with vessel navigation，collision avoidance and maritime supervision，which plays an important role in the field of water transportation. Radar is also a kind of important equipment to obtain targets information in marine traffic. The content and accuracy of the both are different, but with complement for each other in a certain sense. To obtain more reliable and precise targets information,information fusion is necessary. An information fusion method of Radar and AIS is proposed，and the implementation process is described concretely.

radar;Automatic Identification System;information fusion

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.06.013

申其兵(1981-)，男，湖南常德人，工程師，大學(xué)本科，主要從事船用產(chǎn)品檢驗(yàn)工作。

2017-08-01

興船報(bào)國(guó)創(chuàng)新超越
打造精品做強(qiáng)主業(yè)