孫浩然

摘 要：AIS與雷達都是船舶導(dǎo)航的關(guān)鍵設(shè)備，但有著各自的優(yōu)勢和不足，將兩者綜合應(yīng)用具有重要意義。但AIS與雷達數(shù)據(jù)既有冗余又有互補，因此需要一定的數(shù)據(jù)融合算法才能達到較好的應(yīng)用效果。文章從AIS和雷達在船舶導(dǎo)航的應(yīng)用背景出發(fā)，介紹了雷達和AIS系統(tǒng)的基本工作原理，并詳細分析了其各自的優(yōu)缺點，論述了兩種技術(shù)相結(jié)合的必要性。最后對AIS與雷達數(shù)據(jù)融合技術(shù)進行了深入研究，給出了一個典型的數(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；AIS；數(shù)據(jù)融合；船舶導(dǎo)航

中圖分類號：U675.7 文獻標志碼：A 文章編號：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)濟的發(fā)展，海運和內(nèi)河航運走進了一個新的階段，船舶數(shù)量不斷增加，港口和航道的船只密度越來越高，船舶碰撞事件時有發(fā)生。雷達的應(yīng)用在一定程度上解決了船舶定位和碰撞問題，但雷達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。船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System， AIS）技術(shù)的產(chǎn)生很大程度上彌補了雷達的缺陷，使船只信息交換更加準確快捷。因此，在雷達系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝AIS系統(tǒng)，將兩者綜合起來形成一個新的系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 雷達及AIS基本原理

2.1 雷達導(dǎo)航原理

雷達是通過電磁波的反射原理來對目標位置進行測量的。首先雷達天線會對外發(fā)射射頻信號，若目標存在，則會將部分信號反射回來，雷達天線接收到反射信號后，根據(jù)其強度和角度等信息即可計算出目標所在的位置。通過不停地發(fā)射與接收，即可測量出目標的運動軌跡。雷達可以區(qū)分出固定的物體和運動物體，甚至可以識別目標的形狀和尺寸等更具體的細節(jié)信息。

船用雷達是水上導(dǎo)航的主要設(shè)備，它可以對船舶進行精確定位，回避碰撞，保證水上航行安全。最初的船舶航跡探測都是由雷達完成的。雷達的優(yōu)點在于，它觀測距離遠，分辨率高，且測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]。但雷達不能繞過障礙物進行測量，信號容易受到波浪和雨雪等背景干擾，而且在航跡預(yù)測方面也有很大的局限性。

2.2 船用自動識別系統(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。AIS的應(yīng)用有利于水域交通的動態(tài)指引，及時獲取船舶警告、發(fā)布和管制內(nèi)容，還能對氣象、水文、航標等外部環(huán)境進行實時監(jiān)測。使得全局管理能力大大增加，航跡預(yù)測水平明顯提高，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、多徑干擾等問題[2]。因此，AIS雖然功能強大，但仍然無法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雷達系統(tǒng)。

2.3 雷達和AIS結(jié)合的必要性

雷達和AIS作為船舶導(dǎo)航領(lǐng)域的兩大關(guān)鍵設(shè)備，將其綜合起來實現(xiàn)優(yōu)勢互補，是未來船舶導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。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、精度和實時性方面都有很大的提升。例如，當雨雪天氣或海浪較大時，可通過AIS系統(tǒng)來獲取船舶的動態(tài)和靜態(tài)信息，彌補雷達精度的不足。當某些未安裝AIS系統(tǒng)的中小型船只靠近時，雷達系統(tǒng)可及時發(fā)出警告信息，避免碰撞。實際上，雷達系統(tǒng)的跟蹤性能十分強大，而AIS的定位功能僅僅是被動接收位置信息而已，因此雷達定位的可靠性比AIS系統(tǒng)高得多[3]。但雷達系統(tǒng)的顯示功能和動態(tài)靜態(tài)信息的預(yù)測又無法與AIS系統(tǒng)相比擬。綜上所述，雷達和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)處理過程，它綜合了信號處理、數(shù)量統(tǒng)計、數(shù)學(xué)模型、自動檢測等多個學(xué)科的核心內(nèi)容。數(shù)據(jù)融合通常是把多個傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進行加工處理，例如濾波、相關(guān)、組合等，從而更準確地估計待測參數(shù)。由于不同的信息源的數(shù)據(jù)有空間上的冗余，有時空上的互補，只要組合的算法得當，融合后的數(shù)據(jù)往往比任意單個傳感器的測量精度要高。當多傳感器數(shù)據(jù)中某些局部數(shù)據(jù)存在不確定性或多變性時，信息源之間的互補特性就顯得尤為關(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 雷達與AIS數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)設(shè)計

前已敘及，AIS技術(shù)和雷達技術(shù)都有其優(yōu)缺點，從目前的技術(shù)水平而言，單獨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)合起來進行研究，根據(jù)航標的具體要求，設(shè)計了一個分布式數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)配準、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、點跡合并等功能。

4.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)采用了目前較先進的分布式系統(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)計成本低、航跡計算可靠性高等優(yōu)點。

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。由于一個雷達系統(tǒng)能夠同時探測若干目標，同理，一個AIS系統(tǒng)也同時探測多個目標，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直角參考系統(tǒng)中，這是數(shù)據(jù)融合的前提。坐標變換又稱為空間配準，除此之外，還需要進一步對兩種數(shù)據(jù)進行時間上的對齊，方可保證AIS和雷達的各數(shù)據(jù)點處于同一時空維度。配準之后的數(shù)據(jù)則對其進行關(guān)聯(lián)，以判斷兩者之間的相關(guān)度。完成配準和關(guān)聯(lián)之后的數(shù)據(jù)才可以進行數(shù)據(jù)融合。

4.2 時空配準

AIS和雷達獲取的數(shù)據(jù)往往有著不同的時間長度，本文采用最小二乘法將時間較短的數(shù)據(jù)配準到時間較長的數(shù)據(jù)上。由于雷達數(shù)據(jù)位于極坐標中，而AIS數(shù)據(jù)位于球坐標中，因此，空間配準實際上是一個坐標變換的過程，為了方便計算，本文通過高斯—克呂格投影法將AIS的經(jīng)緯度信息統(tǒng)一變換到直角坐標系中，坐標原點定義為航跡的實時位置。

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)是否來源于同一探測目標。首先，AIS和雷達系統(tǒng)獲取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，立即計算出各自的局部航跡，然后同時作為參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)融合過程中采用了Hough變換將直角坐標系轉(zhuǎn)化為參數(shù)空間，然后通過聚類分析計算兩路航跡的相關(guān)性。

4.4 點跡合并

無論是雷達數(shù)據(jù)還是AIS數(shù)據(jù)，都存在一定程度的測量誤差，如果綜合考慮兩者的信息，通過一定的算法使兩種數(shù)據(jù)結(jié)合起來，就可以得到更加精確的目標位置。通過航跡相關(guān)的判斷，一旦確認兩路航跡來源于同一探測目標，即可對兩者進行融合。由于兩路航跡的精度各不相同，本文對其采用了加權(quán)融合，權(quán)值的計算依據(jù)是雷達系統(tǒng)和AIS自身的精度。融合后的數(shù)據(jù)還進行了一次穩(wěn)態(tài)卡爾曼濾波，進一步消除了噪聲和算法引進的誤差。

5 結(jié)束語

本文對船舶導(dǎo)航雷達和AIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合進行了研究，根據(jù)雷達和AIS數(shù)據(jù)的特點，設(shè)計了一個典型的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，使兩者的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了最大程度上的互補，提高了導(dǎo)航精度。雷達和AIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)研究無論在軍用還是民用領(lǐng)域都有著重要的戰(zhàn)略意義，是未來船舶導(dǎo)航的新方向。

參考文獻：

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