基于誤差分析的莆田港區(qū)預(yù)警研究*

江衍煊,江書(shū)洋

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福建 福州 350007; 2.上海交通大學(xué),上海 200434)

引言

海運(yùn)與河運(yùn)是當(dāng)前世界上最廉價(jià)的運(yùn)輸方式，目前全球超80%的貨物運(yùn)輸都依靠船舶進(jìn)行運(yùn)輸，船運(yùn)對(duì)其效率、安全和最優(yōu)化是海運(yùn)與河運(yùn)的工作重點(diǎn).衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與船舶通信導(dǎo)航的綜合應(yīng)用有效地保證了航行安全.船舶安全航行所需的避碰六要素中船舶航向與航速既可以通過(guò)雷達(dá)標(biāo)繪獲取，也可以通過(guò)衛(wèi)星確定，最近會(huì)遇距離CPA與到達(dá)最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間TCPA是避碰的重要參數(shù).衛(wèi)星定位信息通過(guò)AIS傳遞，若AIS沒(méi)有正常傳輸相關(guān)信息[1]，船舶之間的安全航行的預(yù)判將受到破壞，有發(fā)生碰撞的危險(xiǎn).若AIS出現(xiàn)以下任意故障都有可能引發(fā)船舶事故：靜態(tài)數(shù)據(jù)設(shè)置錯(cuò)誤、惡意關(guān)閉設(shè)備發(fā)射模塊、天線(xiàn)問(wèn)題、設(shè)備死機(jī)、設(shè)備老化故障、超功率發(fā)射，本文研究的預(yù)警系統(tǒng)可以避免以上故障的發(fā)生，研究成果以期為船舶的正常運(yùn)行提供參考.

1 VTS的功能

船舶交通管理系統(tǒng)VTS(Vessel Traffic Service)集中了衛(wèi)星、雷達(dá)、AIS、CCTV、通訊等共同組成對(duì)港灣以及進(jìn)出港口的船舶實(shí)施監(jiān)控、協(xié)調(diào)，并為港區(qū)船舶提供安全信息[2].如圖1是莆田興化灣VTS海圖，所有進(jìn)入該管轄范圍的船舶在其規(guī)定的報(bào)告線(xiàn)內(nèi)都在其監(jiān)控之中.VTS增進(jìn)了船舶交通安全、提高了船舶通航效率，由于港區(qū)船舶通航密度大，航行狀況復(fù)雜，因此要求所有的船舶根據(jù)可靠的避碰參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)航操縱才能保證安全航行.

圖1 莆田VTS監(jiān)管區(qū)

傳統(tǒng)的VTS通過(guò)雷達(dá)采集船舶數(shù)據(jù)并跟蹤，通過(guò)VHF話(huà)音通信確認(rèn)船舶的信息.衛(wèi)星定位信息通過(guò)AIS進(jìn)行播發(fā)之后，VTS的船舶數(shù)據(jù)采集與跟蹤服務(wù)自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)識(shí)別信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)的船舶，收集更齊全的船舶數(shù)據(jù)，依據(jù)衛(wèi)星AIS可擴(kuò)展跟蹤范圍并改善跟蹤性能.

2 雷達(dá)定位

2.1 雷達(dá)定位原理

雷達(dá)波在空間以等速直線(xiàn)進(jìn)行傳播，遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射.航海雷達(dá)的定位是利用固定周期向四周發(fā)射微波脈沖，按照同一方向上反射回來(lái)電磁波的時(shí)間差計(jì)算出微波所探測(cè)到物體的距離和方向.其中物標(biāo)的距離S根據(jù)雷達(dá)波離開(kāi)天線(xiàn)的時(shí)間t1和遇到物標(biāo)反射回來(lái)的時(shí)間t2得出.

(1)

式(1)中，C為電磁波的空間傳播速度，C=3×108m/s=300 m/us;Δt為電磁波往返的時(shí)間差.

2.2 雷達(dá)位置信息

一般情況航海雷達(dá)的掃描周期為每分鐘24轉(zhuǎn)，因此其定位周期為2.5 s.航海雷達(dá)每2.5 s獲得一次物標(biāo)信息，按照時(shí)間差計(jì)算物標(biāo)與天線(xiàn)之間的距離，天線(xiàn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，天線(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度用極坐標(biāo)方式表示物標(biāo)的方位.雷達(dá)與其他儀器之間傳送的數(shù)據(jù)系列根據(jù)NMEA0813協(xié)議格式，如表1中第10位和第11位所示，航向精度0.1°，距離精度0.001海里.

表1 雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)

具有ARPA功能的雷達(dá)在跟蹤目標(biāo)船時(shí)，根據(jù)NMEA0183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式如表2，第9位和第10位為目標(biāo)船與本船舶之間的CPA和TCPA值，作用是判斷是否處于緊迫局面.

表2 雷達(dá)跟蹤目標(biāo)數(shù)據(jù)

3 衛(wèi)星定位

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用于高精度測(cè)量、地理數(shù)據(jù)采集、地面車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度和導(dǎo)航、航海、航空、航天、軍用、授時(shí)等服務(wù).北斗導(dǎo)航系統(tǒng)采用三種軌道類(lèi)型，分別是GEO衛(wèi)星定點(diǎn)在赤道上空的同步軌道中、MEO中軌道衛(wèi)星定位、IGSO衛(wèi)星運(yùn)行軌道在地面投影呈南北對(duì)稱(chēng)的8字形.

3.1 北斗衛(wèi)星的定位原理

北斗衛(wèi)星的定位原理與傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位基本上是一致，包括與4星偽距交于一點(diǎn)的三球交會(huì)方式確定三維位置，或者與3星偽距計(jì)算二維位置，此外北斗增加了具有自身特色的雙星定位.北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在投入使用之際考慮到需要與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容，按照世界地理坐標(biāo)系(WGS-84)為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，Z軸指向國(guó)際時(shí)間服務(wù)定義(BIH)的協(xié)議地球極(CPT)方向，X軸指向BIH的零子午面和地球極CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與X軸和Z軸共同構(gòu)成右手系[3].

3.2 衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)的編碼

北斗衛(wèi)星的定位信號(hào)通過(guò)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS(Automatic Identification System)在甚高頻(VHF)發(fā)射，AIS是集計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通訊、電子信息顯示等技術(shù)為一體的數(shù)字助航系統(tǒng).AIS物標(biāo)位置按自組織時(shí)分多路(SOTDMA)方式運(yùn)行，將船舶各種導(dǎo)航傳感器信號(hào)向周?chē)M(jìn)行傳播，如衛(wèi)星定位的船位、計(jì)程儀提供船速、羅經(jīng)提供航向和航向改變率等船舶動(dòng)態(tài)信息，結(jié)合海上移動(dòng)船舶識(shí)別碼(MMSI)、呼號(hào)、船名、船貨類(lèi)型、天線(xiàn)位置、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間(ETA)、目的地、吃水深度等靜態(tài)信息[1].

AIS發(fā)射明碼和暗碼兩種類(lèi)型，包含以下各例：MYMAITXT，MYMAIALR，MYMAISSD，MYMAIVSD，!AIVDO，!AIVDM，!AIABK，!AIACA等，其中以“！”開(kāi)始的語(yǔ)句是需要進(jìn)行字符轉(zhuǎn)換，稱(chēng)為“暗碼”(Encapsulation Sentences)是船舶航行的相關(guān)信息，而以“MYM”開(kāi)始的消息能被直接識(shí)別稱(chēng)為“明碼”(Parametric Sentences)是傳感器傳輸?shù)男畔4].

3.3 位置信息的解碼

以“MYM”開(kāi)頭的AIS傳遞信息明碼傳送標(biāo)志符“GPGGA”用于表示發(fā)射位置的信息，緊接在標(biāo)志之后包含“會(huì)話(huà)ID”和“語(yǔ)句ID”，其后為相關(guān)數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)字段以逗號(hào)分隔，空字段也得保留逗號(hào)，明碼格式如表3所示，語(yǔ)句末尾由校驗(yàn)數(shù)據(jù)和兩個(gè)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)組成，以回車(chē)換行結(jié)束語(yǔ)句[1].

表3 明碼語(yǔ)句格式

明碼中每秒發(fā)送一次UTC時(shí)間的位置信息，會(huì)話(huà)ID以“GPGGA”作為標(biāo)志符，如信息：MYMGPGGA，020721，2341.7285，N，12401.8686，E，1，02，99.99，522.7，M，-32.0，M， ，*63 ，將其分解于表4[1].個(gè)別缺失信息位兩端用“，”保留該數(shù)據(jù)位.本語(yǔ)句表達(dá)了某衛(wèi)星接收機(jī)的定位信息是：定位時(shí)間(UTC) 020721，位置位于北緯23°41.728 5′，東經(jīng)124°1.868 6′.衛(wèi)星傳遞的定位經(jīng)緯度達(dá)到10-4分，在地球表面距離都是大約1 m左右，在南北緯60°定位精度大約就是0.56 m左右，因此衛(wèi)星定位信息通過(guò)AIS傳遞的精度在米級(jí).

表4 AIS信息解碼

4 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

將雷達(dá)定位與衛(wèi)星定位進(jìn)行信息融合處理的重點(diǎn)是要求信息時(shí)間、空間統(tǒng)一，兩定位信息的坐標(biāo)點(diǎn)要一致，最終目標(biāo)是形成對(duì)應(yīng)定位中心.

4.1 雷達(dá)位置格式的特點(diǎn)

雷達(dá)的定位特點(diǎn)是以極坐標(biāo)方式表示的向量，用極軸ρ表示距離，用θ表示方向，因此轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)時(shí)，以雷達(dá)當(dāng)前位置坐標(biāo)(X0，Y0)加上對(duì)應(yīng)的增量就是相應(yīng)的目標(biāo)位置(XR，YR)，該定位是普通所用的BJ-54坐標(biāo)系，與大地坐標(biāo)系WGS-84還有一定的區(qū)別，大地坐標(biāo)系是根據(jù)地球橢球體和比例尺按照緯度漸長(zhǎng)特性所生成的.

XR=X0+ρSinθ
YR=Y0+ρCosθ

(2)

4.2 BJ-54坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

雷達(dá)極坐標(biāo)的定位格式根據(jù)式(2)先轉(zhuǎn)換成BJ-54坐標(biāo)系(XD，YD，ZD)，其中高程以海平面為計(jì)，采用7參數(shù)轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換成WGS-84坐標(biāo)系(XG，YG，ZG).如式(3)中要求已知3個(gè)原坐標(biāo)點(diǎn)才能轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標(biāo)系.

(3)

式(3)中的7參數(shù)分別為:ΔX、ΔY、ΔZ為平移參數(shù);εX、εY、εZ為旋轉(zhuǎn)參數(shù);k為尺度因子.將7個(gè)參數(shù)統(tǒng)一為R=(ΔX，ΔY，ΔZ，(1+k)，εX，εY，εZ)T.

(5)

則式(4)，式(5)可轉(zhuǎn)換為CiR=bi，若現(xiàn)有3個(gè)已知點(diǎn)i=1，2，3，則可根據(jù)最小二乘法解R.

建立方程組AR=b，可解出參數(shù)系列R.

令R=(ATA)-1ATb，即可分別求得7個(gè)參數(shù)，在BJ-54坐標(biāo)下的任意點(diǎn)(XD，YD，ZD)，如式(6)所示可求得轉(zhuǎn)換成WGS-84坐標(biāo)系列的(XG，YG，ZG).

(6)

BJ-54坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)過(guò)程非常復(fù)雜，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度不低于10-5m，可通過(guò)軟件完成轉(zhuǎn)換.

5 建立數(shù)據(jù)庫(kù)

雷達(dá)的定位特點(diǎn)是每2.5 s提供一次定位信息，衛(wèi)星定位是每秒一次，雷達(dá)的位置信息與衛(wèi)星定位系統(tǒng)存在區(qū)別，需要通過(guò)轉(zhuǎn)換成相同的定位坐標(biāo)以便于輸入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)比.

5.1 位置數(shù)據(jù)采樣

由于衛(wèi)星定位是嚴(yán)格根據(jù)UTC時(shí)間進(jìn)行，而雷達(dá)定位是隨機(jī)開(kāi)啟的，同時(shí)兩者的定位頻率也不一致，雷達(dá)定位間隔時(shí)間比較長(zhǎng)，所以在獲取前幾個(gè)位置需進(jìn)行同步過(guò)程.該過(guò)程需要對(duì)衛(wèi)星位置在時(shí)間采樣中采取處理算法，即在衛(wèi)星定位中采用二次插值法在每?jī)蓚€(gè)位置點(diǎn)中央再生成一個(gè)位置，這樣每5個(gè)衛(wèi)星定位信息就有1次與雷達(dá)定位信息一致，可以提高比較雷達(dá)和衛(wèi)星定置之間的相應(yīng)關(guān)系.

5.2 數(shù)據(jù)的輸入

雷達(dá)和衛(wèi)星船位輸入MY SQL數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)使用INSERT 語(yǔ)句，它有兩種語(yǔ)法形式，分別是 INSERT VALUES 語(yǔ)句和 INSERT SET 語(yǔ)句，本案例采用第2種方法更利于分清楚具體哪列需填充對(duì)應(yīng)的數(shù)值[5].

INSERT INTO <表名>

SET <列1> = <值1>，

<列2> = <值2>，

<列3> = <值3>，

┉┉

5.3 位置數(shù)據(jù)序列

由于雷達(dá)定位信息與衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的間隔不一致，衛(wèi)星的定位信息每秒都有一個(gè)數(shù)據(jù)位置.雷達(dá)位置每2.5 s一個(gè)位置，根據(jù)插值法計(jì)算每秒一個(gè)位置.雷達(dá)定位信息每5 s才有原始數(shù)據(jù)，其他時(shí)間點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)是推算獲得，因此比較兩組數(shù)據(jù)的異同需考慮多次定位數(shù)據(jù).

5.4 計(jì)算兩系統(tǒng)的位置差

雷達(dá)定位與衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)生成之后，考慮港區(qū)船舶數(shù)量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，環(huán)境復(fù)雜，定位信息的融合必須考慮各種算法的有效性、可靠性[2].vincenty公式精度能達(dá)到0.5 mm，但是運(yùn)行周期比較長(zhǎng).而采用haversine()函數(shù)計(jì)算在特定地理區(qū)域的兩點(diǎn)之間的距離會(huì)非常合理，現(xiàn)利用Python語(yǔ)言編寫(xiě)程序如下[6]：

def haversine(lon1，lat1，lon2，lat2): #定義兩位置分別的經(jīng)緯(十進(jìn)制數(shù))

long1，lat1，long2，lat2 = map(radians，[long1，lat1，long2，lat2])# 將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為弧度

# haversine公式

dlong =long2-long1 (經(jīng)度值之差)

dlat = lat2-lat1(緯度值之差)

a = sin(dlat/2)**2 + cos(lat1) * cos(lat2) * sin(dlong/2)**2

c= 2 *asin(sqrt(a))

r =6371 # 地球平均半徑，單位為公里

return c*r*1000

現(xiàn)利用haversine()函數(shù)進(jìn)行處理特定地理中的兩個(gè)位置間距離，不僅速度快，而且精度可達(dá)到米級(jí)，完全符合航海中的精度要求.

5.5 判定AIS工作的依據(jù)

根據(jù)以上程序可以計(jì)算出帶誤差的雷達(dá)定位數(shù)據(jù)和衛(wèi)星天線(xiàn)所確定的位置數(shù)據(jù)之間的距離，一般情況兩系統(tǒng)給出的位置距離是一個(gè)很小的固定值.VTS的雷達(dá)定位信息固定每2.5 s周期內(nèi)探測(cè)一次港區(qū)的船舶位置，而衛(wèi)星位置通過(guò)AIS進(jìn)行傳輸是主動(dòng)發(fā)射，如果通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)兩位置的誤差突然變大，而且持續(xù)變大，則可以判斷AIS發(fā)射的位置信息出現(xiàn)故障[7].

5.6 三種異常情況分析

當(dāng)沒(méi)有開(kāi)啟AIS的船舶進(jìn)入港區(qū)被數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫(kù)立刻將其歸入VTS的警示名單中.如果船舶在港區(qū)航行期間AIS工作異常或者定位數(shù)據(jù)傳輸中斷，也會(huì)被VTS數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將發(fā)現(xiàn)，港口監(jiān)督機(jī)構(gòu)很快反應(yīng)，并通知該船的操作人員[8].如果船舶進(jìn)入港區(qū)后再將AIS關(guān)閉，定位跟蹤數(shù)據(jù)庫(kù)中按照原有的雷達(dá)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)現(xiàn)該船舶的異常情況，系統(tǒng)將該船列入“異?！贝斑M(jìn)行呼叫并監(jiān)控[9].

6 結(jié)論

在VTS監(jiān)管的區(qū)域里面，根據(jù)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，所有船舶都在“天眼”跟蹤范圍內(nèi)，在監(jiān)控區(qū)中船舶即使沒(méi)有開(kāi)啟AIS仍然被VTS數(shù)據(jù)庫(kù)所記錄.數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置時(shí)間閾值為10 min，當(dāng)AIS丟失信號(hào)超時(shí)了，在電子海圖中就把該船通過(guò)雷達(dá)提供的船位以變大變粗變紅方式“高亮”地顯示在VTS的監(jiān)控屏幕上.VTS結(jié)合該數(shù)據(jù)庫(kù)還可以將CCTV高清探頭信息進(jìn)行融合，便于及早篩查出特殊水域的船舶是否發(fā)生違章.