雷達(dá)與AIS技術(shù)在船舶融合上的應(yīng)用

劉 勇

摘 要：隨著海運(yùn)的快速發(fā)展，人們對(duì)船舶的安全監(jiān)管提出了更高的要求。雷達(dá)和船載AIS技術(shù)是船舶航行的基本保障手段，雷達(dá)與AIS技術(shù)聯(lián)合已經(jīng)得到廣泛的運(yùn)用。因此，本文研究了有關(guān)數(shù)學(xué)模型。該模型在現(xiàn)實(shí)中易于實(shí)現(xiàn)，效率高，精度可以滿足需求，它已在港口自動(dòng)化管理中得到充分的應(yīng)用和驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：AIS;雷達(dá);關(guān)聯(lián);融合

中圖分類號(hào)：TN957.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）35-0021-03

Application of Radar and AIS Technology in Ship Fusion

LIU Yong

（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： With the rapid development of maritime transport， people have put forward higher requirements for the safety supervision of ships. Radar and shipborne AIS technology are the basic means of guarantee for ship navigation. The combination of radar and AIS technology has been widely used. Therefore， this paper studied the relevant mathematical models. This model is easy to implement in reality， has high efficiency， and the accuracy can meet the requirements， which has been fully applied and verified in port automation management.

Keywords： AIS;radar;correlation;fusion

隨著海外貿(mào)易量的不斷增長，我國航海運(yùn)輸事業(yè)快速發(fā)展，這對(duì)航運(yùn)監(jiān)管﹑船舶安全提出了新的挑戰(zhàn)。雷達(dá)和船載AIS技術(shù)是保障船舶航行的基本技術(shù)手段，雷達(dá)能夠捕捉船舶的實(shí)時(shí)航跡，包括船舶航向﹑徑向速度﹑坐標(biāo)方位角等信息，但是由于受周邊空氣濕度﹑密度以及雷達(dá)實(shí)際架設(shè)情況等因素的影響，雷達(dá)的方位精度、距離精度以及目標(biāo)分辨力都弱于船載AIS設(shè)備。受雷達(dá)實(shí)際架設(shè)位置影響，某些船舶目標(biāo)難免被遮擋，而AIS設(shè)備是船只與船只﹑船只與岸邊基站的自動(dòng)通信，可以有效識(shí)別船只信息，AIS信息包括船舶的船名﹑呼號(hào)﹑GPS位置﹑航速﹑目的港的動(dòng)態(tài)信息以及港口﹑天氣﹑洋流等導(dǎo)航信息[1]，基本上不考慮遮擋因素。總的來說，雷達(dá)數(shù)據(jù)更新快但易漏失目標(biāo)，AIS數(shù)據(jù)全但更新慢，如果將兩者的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，就能優(yōu)勢互補(bǔ)，從而快速有效地保障船舶航行安全，為船舶進(jìn)出港口的自動(dòng)化智能監(jiān)督管理提供數(shù)據(jù)。因此，兩者的數(shù)據(jù)融合是十分必要的，其融合流程如圖1所示。

1 AIS與雷達(dá)數(shù)據(jù)的時(shí)間對(duì)齊

AIS的數(shù)據(jù)時(shí)刻是GPS授時(shí)所得，雷達(dá)的數(shù)據(jù)時(shí)刻則不一定用GPS授時(shí)，所以，為了保證時(shí)間基準(zhǔn)相同和時(shí)間精準(zhǔn)，雷達(dá)設(shè)備需要添加一個(gè)GPS授時(shí)設(shè)備。另外，AIS數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間間隔長，而且根據(jù)船舶的狀態(tài)不同，AIS廣播的船舶動(dòng)態(tài)信息的周期不一致[2]，如表1所示。雷達(dá)數(shù)據(jù)上報(bào)周期相對(duì)穩(wěn)定，2～3s傳送一批次目標(biāo)數(shù)據(jù)，因此需要AIS設(shè)備和雷達(dá)設(shè)備數(shù)據(jù)上報(bào)的時(shí)間基準(zhǔn)一致和時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)。

圖1 數(shù)據(jù)融合流程

在同一段時(shí)間內(nèi)，假設(shè)雷達(dá)和AIS的采樣時(shí)刻分別如下。

雷達(dá)采樣時(shí)刻序列為：

[Trj=tr1，tr2，tr3，........，trm j=1，2，......，m][]? ? ? （1）

AIS采樣時(shí)刻序列為：

[TAi=tA1，tA2，tA3，......，tAn i=1，2，3，.....，n]? ? ? ?（2）

表1 AIS狀態(tài)參數(shù)

這里取[trj-trj-1]與[tAi-tAi-1]中時(shí)間間隔最短設(shè)備的采樣時(shí)刻為基準(zhǔn)采樣時(shí)刻。本文以雷達(dá)設(shè)備的采樣時(shí)刻為系統(tǒng)的采樣基準(zhǔn)時(shí)刻。AIS信息時(shí)間間隔隨船舶狀態(tài)的不同而改變，但在極短的時(shí)間內(nèi)，人們可以認(rèn)為船舶沿一定方向直線運(yùn)行，所以可以用插值法計(jì)算出AIS某一時(shí)刻的位置信息。

當(dāng)需要[T]時(shí)刻的AIS信息時(shí)，令[T1]<[T]<[T2]，而[T1]時(shí)刻采集AIS的位置信息為[（φ1，λ1）]，[T2]時(shí)刻采集的AIS位置信息為[（φ2，λ2）]，[T]時(shí)刻采集AIS位置信息為[（φT，λT）]，利用插值法得[3]：

[φT=φ1?T2-TT2-T1+φ2?T-T1T2-T1]? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

[λT=λ1?T2-TT2-T1+λ2?T-T1T2-T1]? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

2.1 AIS數(shù)據(jù)的預(yù)處理

船載AIS信息提供的船舶定位信息是由GPS提供的，電子海圖中的坐標(biāo)需要把大地坐標(biāo)經(jīng)緯度通過墨卡投影轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)。墨卡托投影轉(zhuǎn)換公式為：

[x=r0?λy=r0?q]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

其中，參數(shù)[r0]、[q]用公式表示為：

[r0=N0cosφ0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

[q=lntan（π4+φ2）-e2ln1+esinφ1-esinφ]? ? ? ? ?（7）

參數(shù)[N0]用公式表示為：

[N0=a1-e2sin2φ0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

式中，[r0]為基準(zhǔn)維度圈半徑;[q]為等量維度;[N0]為基準(zhǔn)維度處橢球圈曲率半徑;[φ0]為墨卡托投影變換的基準(zhǔn)維度;[e]為橢球的第一偏心率;[a]為地球長半徑;[（x，y）]為墨卡托平面直角坐標(biāo);[（φ，λ）]為WGS-84坐標(biāo)系的經(jīng)緯度。

2.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

有些雷達(dá)采用極坐標(biāo)模式[（R，θ）]表示，把它們轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)表示，[（xr，yr）]為雷達(dá)數(shù)據(jù)的平面直角坐標(biāo)表示。

[xr=R·sinθyr=R·cosθ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

式中，[R]為雷達(dá)測量目標(biāo)船舶與雷達(dá)之間的距離;[θ]為目標(biāo)船舶與雷達(dá)北向方位之間的夾角。

當(dāng)前，很多雷達(dá)同時(shí)擁有這兩種數(shù)據(jù)模式，有些雷達(dá)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以省去這一過程。

3 船舶航跡關(guān)聯(lián)

現(xiàn)實(shí)中，雷達(dá)和AIS發(fā)現(xiàn)并傳送的目標(biāo)船舶很多，每個(gè)都需要進(jìn)行有效的甄別和篩選，才能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和AIS數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)并融合的目的。

3.1 航跡粗相關(guān)

建立AIS數(shù)據(jù)集合[A]，對(duì)于任意元素[?a?A]，有

[a=ida，Tc，ρa(bǔ)，θa]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

式中，[ida]為目標(biāo)批次號(hào);[Tc]為AIS采集數(shù)據(jù)的時(shí)間戳;[ρa(bǔ)]和[θa]分別為AIS轉(zhuǎn)換坐標(biāo)后的目標(biāo)距離和方位角測量值。

建立雷達(dá)數(shù)據(jù)集合[η]，對(duì)于任意元素[?r?η]，有

[r=idr，Tr，ρr，θr]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（11）

式中，[Tr]為雷達(dá)采集數(shù)據(jù)時(shí)間戳;[idr]為雷達(dá)目標(biāo)批次號(hào);[ρr]和[θr]分別為雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的距離和方位角的測量值。

由于AIS目標(biāo)數(shù)據(jù)的精度較雷達(dá)高，這里選擇以AIS目標(biāo)測量值為基準(zhǔn)值。當(dāng)[Ta=Tc]時(shí)，以[ρa(bǔ)-μ1Δρa(bǔ)+Δρr，ρa(bǔ)+μ1Δρa(bǔ)+Δρr]﹑[θa-μ2Δθr+Δθa，θa+μ2Δθr+Δθa]為區(qū)間，找出與此AIS數(shù)據(jù)粗相關(guān)的雷達(dá)數(shù)據(jù)。其中，[μ1]和[μ2]是關(guān)聯(lián)系數(shù)，[Δρa(bǔ)]和[Δρr]分別為AIS設(shè)備和雷達(dá)設(shè)備的距離精度，[Δθa]和[Δθr]分別為AIS設(shè)備和雷達(dá)設(shè)備的方位精度。通過修正關(guān)聯(lián)系數(shù)[μ1]和[μ2]，縮小區(qū)間范圍篩選合適雷達(dá)目標(biāo)。粗相關(guān)主要是為了減少后期相關(guān)數(shù)據(jù)的處理量，優(yōu)化算法，提高效率。

3.2 航跡的融合處理

在粗相關(guān)處理過程中，更多時(shí)候得到的并不是一對(duì)一的數(shù)據(jù)，往往是一對(duì)多的數(shù)據(jù)，在區(qū)域內(nèi)能夠滿足[（ρt，θt）]因素的目標(biāo)并不是唯一的，這里采用柯西型隸屬度函數(shù)進(jìn)行模糊關(guān)聯(lián)來解決[4]?？挛餍碗`屬度函數(shù)為：

[ξηk=1πλk1+η2kλ2k]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（12）

式中，[ξηk]為模糊因素中第[K]（[K]=1，2，3，4，分別表示距離﹑方位﹑航向﹑速度）個(gè)因素的柯西隸屬度函數(shù);[λk]和[ηk]分別是模糊因素中的展度和歐氏距離。

參數(shù)[ηki]用公式可以表示為：

[ηki=ψR(shí)ki-ψAki]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

式中，[ψR(shí)ki]為第[i]時(shí)刻雷達(dá)探測到的因素值;[ψAki]為第[i]時(shí)刻AIS設(shè)備探測到的因素值。

展度和系統(tǒng)誤差有關(guān)，二者的關(guān)系可以用式（14）表示。

[λk=i=1nηkin]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（14）

最后用加權(quán)法求得綜合相似度，即[δ=k=14Ckξηk]的最大值來確定航跡的相關(guān)性。

由于目標(biāo)可能被遮擋，或者目標(biāo)周圍復(fù)雜環(huán)境造成的二次反射和多次反射等其他因素引起的探測值異常，會(huì)使航跡棱角分明、毛刺較多，人們需要通過設(shè)定閾值過濾異常值達(dá)到優(yōu)化效果。

經(jīng)過相關(guān)計(jì)算可得，雷達(dá)探測值和AIS探測值的差值序列為[δARtΔρARt，ΔθARt][5]。

[ΔρARmin=ΔρAR-4-α?ΔρAR-]? ? ? ? ? ? ? （15）

[ΔρARmax=3ΔρAR-4+α?ΔρAR-]? ? ? ? ? ? ? ?（16）

式中，[ΔρARmin]為最小差值;[ΔρARmax]為最大差值;[α]為加權(quán)系數(shù)，它是一個(gè)常數(shù);[ΔρAR-]為平均差值。

同理，方位差值也需要相同的處理，滿足[δARt∈ΔρARmin，ΔρARmax]及[∈ΔθARmin，ΔθARmax]的數(shù)據(jù)保留，剔除探測異常值后[6]，濾波建立航跡：

[?RL=ρAL2ρAL2+ρRL2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（17）

[?AL=ρRL2ρAL2+ρRL2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （18）

式中，[?RL]和[?AL]分別為雷達(dá)和AIS對(duì)應(yīng)因素L的的加權(quán)因子;[ρAL]和[ρRL]分別為雷達(dá)和AIS的對(duì)應(yīng)因素L的精度。其中，[?AL+?RL=1]，融合[L=?RL?ρR+?AL?ρA]。

4 結(jié)語

上述雷達(dá)與AIS結(jié)合應(yīng)用技術(shù)在實(shí)踐中得到了檢驗(yàn)，整個(gè)系統(tǒng)精度高于雷達(dá)單獨(dú)使用的精度，船舶航跡的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性也得到了驗(yàn)證。隨著近年來科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶的體積越來越大，船舶類型也愈發(fā)多樣化，進(jìn)出港口的船舶的安全性要求愈發(fā)提升。引航員運(yùn)用雷達(dá)與AIS融合技術(shù)，使港口引航更加安全可靠。另外，AIS基站可以接收各個(gè)船舶的識(shí)別碼，能夠?qū)γ織l船舶進(jìn)行識(shí)別，自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)庫，更有利于港口部門的智能規(guī)范管理和監(jiān)督。

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