楊云志

(中電科航空電子有限公司，成都 611731)

0 引 言

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)已在船舶航行及管理中得到廣泛應(yīng)用，加裝了AIS設(shè)備的船舶將實(shí)時(shí)地連續(xù)廣播本船的海上移動(dòng)通信業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)(Maritime Mobile Service Identity，MMSI)船號(hào)、船舶概況(如類型、船長(zhǎng)、船寬、吃水等)、船位、航速、航向、航行狀態(tài)、出發(fā)地、目的地等信息，同時(shí)也接收其他船舶發(fā)出的AIS信號(hào)。然而，船站AIS設(shè)備或岸站船舶交通服務(wù)(Vessel Traffic Service，VTS)設(shè)備由于受天線架設(shè)高度限制，其接收AIS信號(hào)的距離較短(視距)，感知附近船舶信息范圍較窄[1]。為提高接收AIS信號(hào)的距離范圍，提升AIS信息的應(yīng)用效能，擴(kuò)大監(jiān)控范圍和效果，可采用在無人機(jī)上集成AIS設(shè)備，開展大范圍海洋巡察作業(yè)任務(wù)。無人機(jī)在幾百米甚至上千米的高空中動(dòng)態(tài)接收巡察海域船舶的AIS信號(hào)，能極大提高巡航海域船舶AIS信號(hào)的接收范圍，有效提高對(duì)巡察海域內(nèi)船舶的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)跟蹤、識(shí)別及取證等能力，從而能更有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)巡察海域船舶實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)視與管控。

我國(guó)海域廣闊，特別是近年國(guó)家一帶一路的快速推進(jìn)和海洋經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)海上交通安全的監(jiān)管越來越重要。為保障我國(guó)領(lǐng)海的安全和海上交通的順暢，促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展，維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益，急需加強(qiáng)對(duì)所轄海域的全覆蓋監(jiān)管，海洋監(jiān)管手段需要不斷提升和改進(jìn)。

當(dāng)前，傳統(tǒng)的VTS、AIS岸基海洋監(jiān)管手段將無法對(duì)所轄海域?qū)崿F(xiàn)全方位覆蓋、全天候監(jiān)控以及對(duì)突發(fā)事件的快速響應(yīng)，需要大范圍、長(zhǎng)航時(shí)、快速的海上監(jiān)管手段實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍海域?qū)嵤┘皶r(shí)有效的監(jiān)管。文獻(xiàn)[2]介紹了挪威、美國(guó)、荷蘭以及德國(guó)等國(guó)基于衛(wèi)星平臺(tái)的AIS應(yīng)用以及我國(guó)當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀，基于衛(wèi)星平臺(tái)的AIS應(yīng)用具有覆蓋面廣、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，但在局部海域長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控、可疑目標(biāo)持續(xù)跟蹤監(jiān)視以及系統(tǒng)使用成本等方面具有較大的局限性，這方面采用無人機(jī)平臺(tái)集成AIS進(jìn)行海域監(jiān)視是衛(wèi)星AIS應(yīng)用的很好補(bǔ)充。文獻(xiàn)[3]介紹的大型無人機(jī)用于海洋監(jiān)管，由于受到大型無人機(jī)平臺(tái)使用復(fù)雜、成本高昂等限制，在日常海域監(jiān)管中的使用率不高，應(yīng)用效率低，故很少用于常態(tài)化的日常作業(yè)應(yīng)用。隨著無人機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，中小型無人機(jī)在飛行距離、續(xù)航時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸、任務(wù)載荷以及飛行操控等方面的性能都得到了顯著提升[4-5]。

本文介紹的基于中小型低成本無人機(jī)平臺(tái)的AIS偵收系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大范圍、長(zhǎng)航時(shí)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成偵察海域動(dòng)態(tài)信息，具備功能性能齊全、風(fēng)險(xiǎn)低、性價(jià)比高、使用維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，在海岸海域監(jiān)管、海島監(jiān)管、海域船舶識(shí)別以及海洋污染監(jiān)管等海洋資源管理方面將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

1 AIS基本性能及特點(diǎn)

1.1 AIS基本性能

根據(jù)國(guó)際海事組織(International Maritime Organization，IMO)2002年12月召開的SOLAS(International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS)公約締約國(guó)海上保安外交大會(huì)通過的SOLAS公約修正案要求，安裝AIS設(shè)備的船舶在海洋、河流、湖泊等寬闊水面航行時(shí)，能有效地感知和預(yù)報(bào)船舶的航行信息，從而提升航行水域的安全性，防止航行水域船舶間的碰撞，有效避免船舶航行事故的發(fā)生[6-7]。

AIS基本功能及性能參數(shù)如下：

(1)實(shí)現(xiàn)船-船、船-岸間進(jìn)行安全相關(guān)信息的交換與識(shí)別；

(2)自動(dòng)播發(fā)和接收靜態(tài)信息、動(dòng)態(tài)信息、航行相關(guān)信息以及安全相關(guān)信息；

(3)岸站與船舶間進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)航行水域的監(jiān)督與管理；

(4)在強(qiáng)制報(bào)告區(qū)和自愿報(bào)告區(qū)自動(dòng)報(bào)告；

(5)工作頻道：AIS1、AIS2；

(6)信道帶寬：25 kHz、12.5 kHz；

(7)工作模式：自主連續(xù)、指配、輪詢或受控等工作模式。

1.2 AIS的主要應(yīng)用特點(diǎn)

AIS在船舶中的主要應(yīng)用特點(diǎn)如下：

(1)在航行區(qū)域內(nèi)，能自主、連續(xù)工作，連續(xù)自動(dòng)播放船舶信息；

(2)定位精度和分辨力高，能實(shí)現(xiàn)船舶的高精度的定位與跟蹤；

(3)能夠自動(dòng)、快捷、全面地提供有助于船舶航行和避碰的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、識(shí)別碼以及船舶避撞措施等信息，為船舶的安全航行提供保障；

(4)為船舶航行提供安全保障條件，可改善海(水)域安全航行環(huán)境的監(jiān)控力度，提高海事部門對(duì)船舶遇險(xiǎn)救助的指揮和決策能力；

(5)能及時(shí)追蹤和監(jiān)控肇事逃逸船舶，維護(hù)海域的環(huán)境安全等。

1.3 無人機(jī)載AIS系統(tǒng)在海洋巡察中的作用

采用無人機(jī)執(zhí)行海(水)域巡察作業(yè)任務(wù)時(shí)，通過在無人機(jī)平臺(tái)上集成AIS接收設(shè)備，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)偵收巡察海域范圍船舶發(fā)出的AIS信號(hào)，可快速、準(zhǔn)確地對(duì)巡察海域船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)管，能有效提升海域的監(jiān)管能力和效率。

無人機(jī)搭載AIS接收設(shè)備執(zhí)行海域巡察作業(yè)的主要作用如下：

(1)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)大范圍采集巡察海(水)域范圍內(nèi)船舶的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息；

(2)實(shí)時(shí)有效準(zhǔn)確識(shí)別和定位巡察區(qū)域內(nèi)的船舶，提高對(duì)海域態(tài)勢(shì)監(jiān)視的準(zhǔn)確性和完整性；

(3)與無人機(jī)平臺(tái)上其他傳感器(如光電傳感器)探測(cè)的目標(biāo)信息進(jìn)行融合，能更準(zhǔn)確、直觀地辨別和識(shí)別船舶的個(gè)體特征和屬性；

(4)偵收的船舶AIS信息通過無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳到岸站VTS中心，有利于VTS中心對(duì)所管轄海(水)域船舶活動(dòng)情況的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管，并能擴(kuò)大VTS中心監(jiān)管的有效范圍和能力。

2 中小型無人機(jī)AIS偵察系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 中小型無人機(jī)AIS偵察系統(tǒng)偵收范圍分析

由于船載或岸基AIS設(shè)備天線架設(shè)高度受限，且信號(hào)傳輸距離受地球曲率影響，通常只有幾十公里的視距范圍，故AIS信號(hào)被船載或岸基設(shè)備接收的距離較短。

電波傳播的常規(guī)公式如下：

(1)

式中：R的單位為km。

(1)岸基與船舶間AIS信號(hào)傳播距離

假設(shè)h1為VTS中心站AIS設(shè)備天線架設(shè)高度(30 m)，h2為船舶AIS設(shè)備天線架設(shè)高度(10 m)，由公式(1)計(jì)算得，VTS中心站與船舶之間的信息有效傳輸距離約為35.6 km。

若AIS設(shè)備安裝在無人機(jī)平臺(tái)上，由于機(jī)載AIS設(shè)備天線比地面(VTS中心站或船舶)架設(shè)的天線要高出很多，通常無人機(jī)的飛行高度在幾百米甚至上千米高度。

(2)無人機(jī)與船舶間AIS信號(hào)傳播距離

假設(shè)h1為無人機(jī)載AIS設(shè)備天線架設(shè)高度(無人機(jī)飛行高度)(1 000 m)，h2為船舶AIS設(shè)備天線架設(shè)高度(10 m)，由式(1)計(jì)算得，無人機(jī)與船舶之間的信息有效傳輸距離約為143.3 km。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究，在實(shí)際海洋環(huán)境條件下，AIS的傳播距離要比理論計(jì)算的結(jié)果要大，即無人機(jī)在1 000 m高度接收AIS信號(hào)的距離將達(dá)到200 km的范圍。

由上面AIS信號(hào)傳輸距離計(jì)算結(jié)果可知，AIS設(shè)備安裝在無人機(jī)平臺(tái)上，對(duì)AIS信號(hào)偵收的距離將大大提高(大約是VTS中心接收船舶AIS信號(hào)距離的4倍以上)，從而AIS信號(hào)的偵收范圍也將極大地增大，故無人機(jī)載AIS接收設(shè)備將能接收比陸地或船載AIS設(shè)備接收更大區(qū)域范圍AIS設(shè)備發(fā)出的信號(hào)，極大提升接收船舶AIS信號(hào)的偵收范圍，有效擴(kuò)大對(duì)海域的監(jiān)管區(qū)域和能力，從而確保海域船舶航行的安全、可靠。

岸站/船載與無人機(jī)載AIS信號(hào)偵收區(qū)域示意如圖1所示。

圖1 無人機(jī)載AIS信號(hào)偵收區(qū)域示意圖

2.2 系統(tǒng)功能及主要性能參數(shù)

中小型無人機(jī)AIS偵察系統(tǒng)的主要功能如下：

(1)動(dòng)態(tài)接收無人機(jī)巡航海域范圍船舶AIS設(shè)備發(fā)出的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)以及安全相關(guān)等信息；

(2)將接收的AIS信號(hào)通過無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)傳回地面站或岸站監(jiān)控中心；

(3)將無人機(jī)搭載的光電傳感器及其他傳感器探測(cè)的信息與偵收的AIS信息進(jìn)行融合，可生成更加準(zhǔn)確、有效、直觀地巡察海域態(tài)勢(shì)信息；

(4)與無人機(jī)上的光電傳感器信息相結(jié)合，可對(duì)肇事船舶進(jìn)行精準(zhǔn)的拍攝、定位、識(shí)別和取證，并可實(shí)時(shí)追蹤肇事船舶；

(5)能極大提升對(duì)巡察海域的監(jiān)視與管控能力，并有效避免船舶的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，提升海域安全航行等。

中小型無人機(jī)AIS偵察系統(tǒng)的典型性能參數(shù)如下：

(1)平臺(tái)類型：中小型復(fù)合翼無人機(jī)；

(2)巡航高度：100～2 000 m；

(3)起飛質(zhì)量：10～80 kg；

(4)巡航半徑：優(yōu)于150 km；

(5)巡航速度：90～150 km/h；

(6)續(xù)航時(shí)間：6 h以上；

(7)典型任務(wù)載荷：AIS接收設(shè)備、光電吊艙、SAR等；

(8)AIS接收設(shè)備典型參數(shù)：工作頻點(diǎn)為161.975 MHz、162.025 MHz，接收靈敏度優(yōu)于-110 dBm，接收動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于100 dB，數(shù)據(jù)報(bào)文處理優(yōu)于3 500 packet/min，偵收半徑優(yōu)于100 km@1 000 m(飛行高度)；

(9)光電吊艙：可見光、紅外成像。

2.3 系統(tǒng)組成及工作原理

中小型無人機(jī)AIS偵察系統(tǒng)主要由無人機(jī)平臺(tái)、任務(wù)載荷、數(shù)據(jù)鏈以及地面站等部分組成，其中，無人機(jī)平臺(tái)為中小型復(fù)合翼無人，任務(wù)載荷包括機(jī)載AIS接收設(shè)備和光電吊艙，數(shù)據(jù)鏈由數(shù)據(jù)鏈機(jī)載端機(jī)和數(shù)據(jù)鏈地面端機(jī)組成，地面站由無人機(jī)操控設(shè)備和信息處理端機(jī)組成。

系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)組成圖

圖3 系統(tǒng)原理框圖

由圖3可知，AIS接收設(shè)備在無人機(jī)對(duì)所轄海域進(jìn)行巡航時(shí)，實(shí)時(shí)偵收巡航海域內(nèi)船舶發(fā)出的AIS信號(hào)，對(duì)偵收的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與解析，獲得船舶的具體信息(如MMSI船號(hào)、位置信息、船速、航行狀態(tài)、船舶及載貨類型等)，解析的信息通過數(shù)據(jù)鏈下傳到地面站；地面站同步接收光電吊艙拍攝的巡航海域內(nèi)圖像信息，并在信息處理端機(jī)將目標(biāo)AIS信息與光電信息進(jìn)行融合處理，得到直觀且詳細(xì)的巡察海域內(nèi)偵察到的船舶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，根據(jù)需要可將生成的巡察海域目標(biāo)動(dòng)態(tài)信息推送給VTS中心。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.4.1 無人機(jī)巡航過程中AIS信號(hào)動(dòng)態(tài)接收技術(shù)

岸站和船載AIS信號(hào)的接收都是在固定或船舶低速航行狀態(tài)下進(jìn)行的，AIS接收設(shè)備集成在無人機(jī)上后，將在無人機(jī)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下接收海面船舶發(fā)出的AIS信號(hào)，無人機(jī)飛行范圍寬、速度快，在巡航過程中，動(dòng)態(tài)接收巡航區(qū)域船舶發(fā)出的AIS信號(hào)。由于受飛行速度、飛行姿態(tài)、海雜波、多路信號(hào)等因素影響，在信號(hào)采集、處理和信息提取中將會(huì)存在信號(hào)重疊、混疊、竄擾、海雜波干擾以及多普勒效應(yīng)等現(xiàn)象，故在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)需采取抗混疊濾波、快速多普勒濾波以及幅度自適應(yīng)匹配濾波等處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)AIS信號(hào)的動(dòng)態(tài)接收和快速處理。

2.4.2 AIS信息與光電圖像匹配與融合技術(shù)

無人機(jī)上加裝的光電傳感設(shè)備可獲取船舶的實(shí)時(shí)圖像信息，但要準(zhǔn)確識(shí)別或判別船舶屬性或類型時(shí)，就需借助于如AIS設(shè)備偵收的信息一起進(jìn)行信息融合處理。利用無人機(jī)載AIS設(shè)備偵收的信息與同平臺(tái)光電傳感器拍攝的船舶圖像信息，通過采用時(shí)空坐標(biāo)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換與配準(zhǔn)、視場(chǎng)快速切換與目標(biāo)動(dòng)態(tài)跟隨、AIS解析信息與光電圖像信息自適應(yīng)匹配等技術(shù)，進(jìn)行AIS偵收信息與光電圖像信息的融合處理，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)目標(biāo)的精準(zhǔn)識(shí)別。

2.4.3 適配于中小型無人機(jī)平臺(tái)的AIS設(shè)備小型化技術(shù)

AIS設(shè)備是船舶常規(guī)電子設(shè)備，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、安裝、環(huán)境適應(yīng)性等都基于船舶應(yīng)用考慮的，若將AIS設(shè)備應(yīng)用于無人機(jī)上，將能較好地?cái)U(kuò)展AIS的應(yīng)用范圍和使用方式。中小型無人機(jī)因其設(shè)計(jì)和使用限制，對(duì)集成于平臺(tái)上的電子(任務(wù))設(shè)備的體積、重量和功耗等裝機(jī)要求都比較高甚至苛刻，故在中小型無人機(jī)上集成AIS設(shè)備時(shí)，無人機(jī)載AIS設(shè)備必須要充分考慮和兼顧無人機(jī)平臺(tái)的安裝空間、設(shè)備(天線)布局、供電以及重量等基本要求，采取小型化、輕量化、低功耗等設(shè)計(jì)技術(shù)，從而滿足無人機(jī)平臺(tái)的總體要求；同時(shí)，無人機(jī)載AIS設(shè)備天線的設(shè)計(jì)和安裝也要充分結(jié)合無人機(jī)機(jī)體特性，采用雙天線或共形天線，既要避免機(jī)體對(duì)接收信號(hào)的遮擋又不能影響平臺(tái)的氣動(dòng)特性，確保飛行安全。

3 系統(tǒng)應(yīng)用及工作流程

3.1 系統(tǒng)工作流程

中小型無人機(jī)AIS偵察系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

由圖4可知，在需要執(zhí)行海域巡察任務(wù)作業(yè)時(shí)，首先需要作業(yè)任務(wù)要求，開展無人機(jī)作業(yè)任務(wù)的準(zhǔn)備工作；根據(jù)巡察任務(wù)要求，在地面站規(guī)劃無人機(jī)的飛行航線、巡航高度、巡航速度、巡航區(qū)域以及AIS設(shè)備和光電設(shè)備配置數(shù)據(jù)等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)鏈上傳到飛機(jī)平臺(tái)飛控計(jì)算機(jī)，并檢查無人機(jī)飛前工作狀態(tài)；無人機(jī)起飛后，按照航線自動(dòng)飛行到巡察海域，抵達(dá)目的地，自動(dòng)切換到偵察巡航航線開展作業(yè)任務(wù)，將巡航過程中偵收的船舶AIS信息和光電傳感器拍攝的圖像信息實(shí)時(shí)傳回地面站并進(jìn)行綜合處理；任務(wù)執(zhí)行完成后，無人機(jī)按規(guī)劃航線返航、降落，同時(shí)將機(jī)載存儲(chǔ)的原始數(shù)據(jù)和圖像下載進(jìn)行精處理及分析。在進(jìn)行巡察任務(wù)過程中，若接收到臨時(shí)性或緊急新任務(wù)時(shí)，無人機(jī)將根據(jù)新任務(wù)要求臨時(shí)更改任務(wù)參數(shù)(如航線、航速、飛行高度以及其他參數(shù)等)，并按照新的任務(wù)航線開展巡察任務(wù)和執(zhí)行后續(xù)飛行直至任務(wù)結(jié)束。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

中小型無人機(jī)AIS偵察系統(tǒng)開展海域巡察作業(yè)任務(wù)，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取巡察海域及其船舶的狀態(tài)信息。偵察系統(tǒng)按照作業(yè)任務(wù)的巡察區(qū)域、巡察時(shí)間、飛行速度以及作業(yè)高度等要求，規(guī)劃無人機(jī)的飛行航線、巡航高度、巡航速度、AIS設(shè)備工作參數(shù)以及光電吊艙拍攝視場(chǎng)角等任務(wù)工作模式，開展海域巡察任務(wù)。

執(zhí)行巡察任務(wù)過程時(shí)，巡察范圍內(nèi)偵收到的船舶AIS信息和光電圖像信息通過無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)同步傳回地面站；地面站對(duì)傳回的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)綜合處理，在信息處理端機(jī)對(duì)AIS信息與光電圖像信息進(jìn)行融合處理。采用異構(gòu)多源數(shù)據(jù)融合，通過模式特征提取、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)決策、多模特征加權(quán)評(píng)分以及機(jī)器學(xué)習(xí)等步驟，實(shí)現(xiàn)AIS與光電的異構(gòu)信息的目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別以及信息融合，從而生成巡察海域的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)影像綜合態(tài)勢(shì)圖，如圖5所示。綜合態(tài)勢(shì)圖可有效且直觀地實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)控巡察海域船舶情況，對(duì)監(jiān)控海域船舶進(jìn)行指揮、調(diào)度和預(yù)警，且能有效避免如船舶發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語

本文通過分析AIS和中小型無人機(jī)的作用和特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了基于中小型無人機(jī)平臺(tái)集成AIS傳感器構(gòu)建的中小型無人機(jī)AIS偵察系統(tǒng)的功能性能、系統(tǒng)組成、工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，分析了中小型無人機(jī)AIS偵察系統(tǒng)開展海域巡察的作用和益處。文中結(jié)合工程應(yīng)用，介紹了系統(tǒng)的工作流程和應(yīng)用模式。采用中小型無人機(jī)集成AIS設(shè)備和光電吊艙等任務(wù)載荷執(zhí)行海域巡察任務(wù)，能極大地提高海域巡察范圍和效率，同時(shí)也將是海事巡邏和應(yīng)急救援領(lǐng)域的一種新手段和新方法。