袁富春

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050)

隨著航海業(yè)的發(fā)展，船舶導(dǎo)航設(shè)備朝著更加先進(jìn)和綜合性發(fā)展，但是目前SOLAS公約要求配備的船載導(dǎo)航ARPA雷達(dá)和AIS設(shè)備，在船舶導(dǎo)航功能上雖然各具優(yōu)勢，某些方面可以互補(bǔ)，卻又不能完全替代，造成操作人員在設(shè)備操作上增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤判斷，甚至導(dǎo)致海上事故的發(fā)生。如果能把ARPA雷達(dá)和AIS數(shù)據(jù)融合，達(dá)到性能綜合優(yōu)化，應(yīng)該是船載導(dǎo)航設(shè)備發(fā)展的將來趨勢。

1 當(dāng)前船用雷達(dá)和船載AIS設(shè)備的功能

目前安裝在船上的導(dǎo)航雷達(dá)和AIS設(shè)備，都是按國際相關(guān)公約規(guī)范安裝的重要導(dǎo)航設(shè)備，操作人員通過利用這些設(shè)備提供的數(shù)據(jù)，可以判斷自己船舶所在位置，分析本船與目標(biāo)之間的態(tài)勢，運(yùn)用良好船藝提前合理規(guī)避緊迫局面發(fā)生，確保船舶水上交通安全與航行環(huán)境安全。

1.1 船用雷達(dá)功能

國際海上人命安全公約要求：所有客船和300GT及以上船舶必須安裝X波段雷達(dá)，所有1萬GT及以上的船舶，應(yīng)安裝兩臺(tái)雷達(dá)(其中至少有一臺(tái)為X波段)，并且要求其中至少一臺(tái)雷達(dá)必須具備目標(biāo)自動(dòng)標(biāo)繪(ARPA-automatic radar plotting aid)功能，還應(yīng)具有試操船功能，可自動(dòng)標(biāo)繪至少20個(gè)目標(biāo)能力，用于船舶導(dǎo)航行動(dòng)。

船用雷達(dá)是航海人員用來進(jìn)行獲得本船位置和引導(dǎo)航行、避免船舶發(fā)生碰撞的重要航海設(shè)備。雷達(dá)波經(jīng)雷達(dá)天線輻射窗口向外輻射，遇到目標(biāo)反射回來，這種反射回來的雷達(dá)波在雷達(dá)屏上形成視頻回波信號(hào)，只能獲得目標(biāo)回波的方位和距離數(shù)據(jù)。外接GNSS設(shè)備的ARPA雷達(dá)，以公共參考點(diǎn)CCRP(Consistent common reference point)作為計(jì)算參考點(diǎn)，將目標(biāo)的方位和距離轉(zhuǎn)化成平面顯示的數(shù)字化經(jīng)緯度位置信息，供雷達(dá)操作人員讀取和對(duì)態(tài)勢分析判斷。被捕獲和穩(wěn)定跟蹤的目標(biāo)，經(jīng)由雷達(dá)CPU運(yùn)算后，還能在雷達(dá)屏上顯示該目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)(包括矢量方向和大小)。船舶駕駛員即可通過對(duì)目標(biāo)的數(shù)據(jù)分析、判斷，果斷采取相應(yīng)的船舶操作行為。

1.2 船載AIS的功能

對(duì)于所有客船和300GT及以上的貨船(從事國際航線航行)，都應(yīng)嚴(yán)格遵守國際公約強(qiáng)制規(guī)定，船上必須安裝AIS(Automatic Information System)設(shè)備，公約并且要求從事國內(nèi)航行500GT及以上的貨船也不得晚于2008年7月1日強(qiáng)制安裝AIS設(shè)備。

操作人員可以通過本船AIS設(shè)備讀取目標(biāo)船(安裝有AIS設(shè)備)的靜態(tài)信息數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)和航次相關(guān)數(shù)據(jù)，直接獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢。如果AIS與ARPA雷達(dá)通過端口數(shù)據(jù)連接，操作人員還可以直接在ARPA雷達(dá)數(shù)據(jù)窗中讀取AIS數(shù)據(jù)信息，通過目標(biāo)船的AIS數(shù)據(jù)信息分析目標(biāo)船的態(tài)勢，決定該采取何種避讓行動(dòng)。

2 ARPA雷達(dá)與AIS數(shù)據(jù)融合的意義

2.1 目前兩種船載導(dǎo)航設(shè)備的局限性

船載ARPA雷達(dá)目標(biāo)數(shù)據(jù)是雷達(dá)波所探測到的目標(biāo)的反射回波信號(hào)，天線向外輻射的雷達(dá)波受到外界干擾導(dǎo)致功率衰減或者信號(hào)被遮擋時(shí)，例如海浪干擾、雨雪天氣或者雷達(dá)盲區(qū)，雷達(dá)將無法獲得目標(biāo)回波信號(hào)，雷達(dá)回波信號(hào)具有一定寬度；經(jīng)由ARPA雷達(dá)捕捉目標(biāo)，計(jì)算出目標(biāo)的軌跡和運(yùn)動(dòng)態(tài)勢，然后在雷達(dá)屏上顯示出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)矢量，所捕捉目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)矢量的始點(diǎn)往往在目標(biāo)反射面最強(qiáng)處，如目標(biāo)船的上層建筑比較密集的生活區(qū)部分， 矢量大小和方向表示目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向(包括相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者真運(yùn)動(dòng))。這種軌跡捕獲計(jì)算出的數(shù)據(jù)和目標(biāo)真實(shí)運(yùn)動(dòng)之間有一定的延時(shí)性，尤其目標(biāo)快速轉(zhuǎn)向時(shí)，雷達(dá)無法及時(shí)顯示。并且，當(dāng)接近同方位(通常認(rèn)為在方位夾角在5度以內(nèi)時(shí))的兩個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)距離太近，雷達(dá)回波將對(duì)這種目標(biāo)無法分辨開來。

AIS數(shù)據(jù)是通過目標(biāo)安裝的AIS設(shè)備主動(dòng)發(fā)送無線電波傳輸過來的，包括船舶技術(shù)資料靜態(tài)數(shù)據(jù)、本航次相關(guān)數(shù)據(jù)和船舶當(dāng)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)。船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)由與目標(biāo)船AIS設(shè)備連接的傳感器提供，例如GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))提供位置和速度數(shù)據(jù)、電陀螺羅經(jīng)提供航向數(shù)據(jù)、船用計(jì)程儀提供速度信息、傳感器向AIS提供旋回速率動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等。所顯示的目標(biāo)船矢量始點(diǎn)在目標(biāo)船AIS設(shè)備天線安裝的位置，目標(biāo)顯示只是一個(gè)點(diǎn)，為了方便觀測，以這個(gè)目標(biāo)點(diǎn)為中心，外切一個(gè)等腰銳角三角形。AIS信號(hào)因?yàn)橥ㄟ^無線電波傳輸，不受氣象和盲區(qū)影響，只要對(duì)方安裝AIS設(shè)備并且在正常工作狀態(tài)，本船都能收到對(duì)方的AIS信號(hào)。但是AIS信號(hào)是通過VHF(甚高頻波段)傳輸，會(huì)受到作用距離的限制，通常是30海里左右，同時(shí)，目標(biāo)船的狀態(tài)決定AIS信息播發(fā)的時(shí)間間隔，見表1。

表1 A類AIS信息更新間隔

2.2 AIS與ARPA數(shù)據(jù)融合的必要性

ARPA雷達(dá)天線掃目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)回波最強(qiáng)處為ARPA雷達(dá)目標(biāo)的矢量始點(diǎn)，而AIS數(shù)據(jù)顯示的矢量始點(diǎn)在目標(biāo)船AIS設(shè)備天線安裝的位置，在同一個(gè)顯示屏上，同一個(gè)目標(biāo)矢量始點(diǎn)顯示的位置有時(shí)候會(huì)不重疊。這種同一個(gè)目標(biāo)矢量始點(diǎn)不一致的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)兩個(gè)矢量始點(diǎn)，兩個(gè)矢量線，兩個(gè)矢量方向，使操作人視覺上混淆成兩個(gè)目標(biāo)，甚至?xí)斐慑e(cuò)誤判斷，給船舶安全操縱帶來危險(xiǎn)。如圖1所示。深色圓圈是ARPA雷達(dá)捕捉目標(biāo)矢量始點(diǎn)，深色箭頭為目標(biāo)矢量方向和運(yùn)動(dòng)速度大??；淺色為AIS矢量始點(diǎn)，淺色箭頭是目標(biāo)矢量方向和運(yùn)動(dòng)速度大小。

圖1 雷達(dá)-AIS目標(biāo)圖

3 建立AIS-ARPA系統(tǒng)的意義和可行性

AIS-ARPA系統(tǒng)是本文提出的一套新的導(dǎo)航系統(tǒng)，將AIS數(shù)據(jù)與ARPA雷達(dá)數(shù)據(jù)通過電氣化的有機(jī)融合，獨(dú)立輸出顯示的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)。新系統(tǒng)結(jié)合了AIS與ARPA雷達(dá)的各自優(yōu)勢，在穩(wěn)定度、精準(zhǔn)度、實(shí)用性方面的優(yōu)越性能大大提高，可以減輕船舶駕駛員的工作強(qiáng)度，增強(qiáng)工作效率和改善導(dǎo)航數(shù)據(jù)的精確性。

3.1 數(shù)據(jù)融合技術(shù)的可行性

數(shù)據(jù)融合技術(shù)就是把多種傳感器如陀螺羅經(jīng)、GNSS(如GPS、北斗等)、船用計(jì)程儀、雷達(dá)和自動(dòng)信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)等傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、關(guān)聯(lián)、估計(jì)與融合的集成處理，從而獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。因?yàn)閬碜圆煌瑐鞲衅?，信息?shù)據(jù)源會(huì)有冗余，但也會(huì)有互補(bǔ)，通過數(shù)據(jù)的合理融合后，得到的信息數(shù)據(jù)會(huì)比單一傳感器的數(shù)據(jù)精度高。雖然多傳感器數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)局部數(shù)據(jù)的不確定性，或者有時(shí)也存在局部數(shù)據(jù)多變性，但是各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)源之間的互補(bǔ)性，可使得各個(gè)傳感器在數(shù)據(jù)融合后，能大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)測定的精確度。

數(shù)據(jù)融合方法一般采用加權(quán)平均、貝葉斯估計(jì)、多貝葉斯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卡爾曼濾波、模糊邏輯法等方法。目前，連接了GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))和電陀螺羅經(jīng)的ARPA雷達(dá)和AIS設(shè)備都具有經(jīng)緯度數(shù)字輸出功能，本文采用最簡單的GNSS數(shù)據(jù)加權(quán)平均法解決目標(biāo)船的公共參考點(diǎn)、航跡融合和信息輸出問題。

圖2 AIS-ARPA系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)模型

3.2 參考點(diǎn)融合技術(shù)

目前商船上ARPA雷達(dá)天線旋轉(zhuǎn)速度在20-40 RPM,每分鐘至少有20次掃描到同一個(gè)目標(biāo)，即可獲取20次同一目標(biāo)的GNSS數(shù)據(jù)(φr，λr)，按表1中規(guī)范的AIS性能技術(shù)指標(biāo)，目標(biāo)船AIS最長每3分鐘傳輸一次GNSS數(shù)據(jù)(φa，λa)，AIS-ARPA系統(tǒng)將ARPA雷達(dá)捕獲目標(biāo)的GNSS數(shù)據(jù)和目標(biāo)船傳來的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)預(yù)處理，兩組數(shù)據(jù)在3分鐘內(nèi)發(fā)生的坐標(biāo)距離變化不超過50米，即可認(rèn)定為同一目標(biāo)，將兩組數(shù)據(jù)按每分鐘加權(quán)平均處理得出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)矢量位于WGS-84(適用于GPS)的坐標(biāo)系上參考點(diǎn)(φo，λo)。

采用時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的方法[1]：ARPA雷達(dá)采樣時(shí)刻N(yùn)個(gè)序列T個(gè)：TRj=tRj1, tRj2, ...tRjT(j= 1,2, ...,N) ,AIS采樣時(shí)刻M個(gè)序列F個(gè)：TAi=tAi1, tAi2, ...tAiF (i= 1,2, ...,M),選取|tRi-tRi-1|與|tAi-tAi-1|(i=1,2,...,n)這里的基準(zhǔn)采樣時(shí)刻，應(yīng)該以最小的那個(gè)傳感器的各采樣時(shí)刻為準(zhǔn)。

3.3 航跡融合技術(shù)

對(duì)ARPA雷達(dá)和AIS傳感器輸入目標(biāo)信息數(shù)據(jù)加權(quán)平均處理，φo1=((φrt1+φrt2+...+φrtn)+(φat1+φat2+...+φatm))/(n+m),λo1=((λrt1+λrt2+...λrtn)+(λat1+λat2+...+λatm))/(n+m),航跡融合(φo1，λo1)。其中2sec≦t≦180sec,t=2sec作為倍增基數(shù)，m

根據(jù)表1，ARPA雷達(dá)獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)更新比AIS數(shù)據(jù)更新快且快得多，實(shí)際情況需要結(jié)合工程應(yīng)用和數(shù)據(jù)的處理速度,也可以綜合采用自適應(yīng)航跡融合算法[2]。傳感器數(shù)據(jù)融合后還需要穩(wěn)態(tài)卡爾曼濾波，繼續(xù)消除因?yàn)樵肼暫退惴ㄒ鸬恼`差[3]。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)船用ARPA雷達(dá)和AIS設(shè)備在航海中實(shí)際使用的重要性，提出解決數(shù)據(jù)融合的方法，設(shè)計(jì)出一個(gè)數(shù)據(jù)融合的AIS-ARPA導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備優(yōu)勢互補(bǔ)，提高導(dǎo)航精度，減輕操作強(qiáng)度，提高工作效率，為航海操作人員作出精確判斷提供有效幫助，對(duì)確保船舶和水上環(huán)境的安全有著極其重要的意義。