中小型無人機AIS偵察系統(tǒng)應用技術*

楊云志

(中電科航空電子有限公司，成都 611731)

0 引 言

船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)已在船舶航行及管理中得到廣泛應用，加裝了AIS設備的船舶將實時地連續(xù)廣播本船的海上移動通信業(yè)務標識(Maritime Mobile Service Identity，MMSI)船號、船舶概況(如類型、船長、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，同時也接收其他船舶發(fā)出的AIS信號。然而，船站AIS設備或岸站船舶交通服務(Vessel Traffic Service，VTS)設備由于受天線架設高度限制，其接收AIS信號的距離較短(視距)，感知附近船舶信息范圍較窄[1]。為提高接收AIS信號的距離范圍，提升AIS信息的應用效能，擴大監(jiān)控范圍和效果，可采用在無人機上集成AIS設備，開展大范圍海洋巡察作業(yè)任務。無人機在幾百米甚至上千米的高空中動態(tài)接收巡察海域船舶的AIS信號，能極大提高巡航海域船舶AIS信號的接收范圍，有效提高對巡察海域內(nèi)船舶的動態(tài)、實時跟蹤、識別及取證等能力，從而能更有效地實現(xiàn)對巡察海域船舶實時精準監(jiān)視與管控。

我國海域廣闊，特別是近年國家一帶一路的快速推進和海洋經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對海上交通安全的監(jiān)管越來越重要。為保障我國領海的安全和海上交通的順暢，促進海洋經(jīng)濟發(fā)展，維護我國海洋權益，急需加強對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。

當前，傳統(tǒng)的VTS、AIS岸基海洋監(jiān)管手段將無法對所轄海域?qū)崿F(xiàn)全方位覆蓋、全天候監(jiān)控以及對突發(fā)事件的快速響應，需要大范圍、長航時、快速的海上監(jiān)管手段實現(xiàn)對大范圍海域?qū)嵤┘皶r有效的監(jiān)管。文獻[2]介紹了挪威、美國、荷蘭以及德國等國基于衛(wèi)星平臺的AIS應用以及我國當前的應用現(xiàn)狀，基于衛(wèi)星平臺的AIS應用具有覆蓋面廣、傳輸距離遠等特點，但在局部海域長時間監(jiān)控、可疑目標持續(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，這方面采用無人機平臺集成AIS進行海域監(jiān)視是衛(wèi)星AIS應用的很好補充。文獻[3]介紹的大型無人機用于海洋監(jiān)管，由于受到大型無人機平臺使用復雜、成本高昂等限制，在日常海域監(jiān)管中的使用率不高，應用效率低，故很少用于常態(tài)化的日常作業(yè)應用。隨著無人機技術和電子技術的飛速發(fā)展，中小型無人機在飛行距離、續(xù)航時間、數(shù)據(jù)傳輸、任務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平臺的AIS偵收系統(tǒng)，可實現(xiàn)大范圍、長航時、實時動態(tài)生成偵察海域動態(tài)信息，具備功能性能齊全、風險低、性價比高、使用維護簡便等特點，在海岸海域監(jiān)管、海島監(jiān)管、海域船舶識別以及海洋污染監(jiān)管等海洋資源管理方面將會得到廣泛應用。

1 AIS基本性能及特點

1.1 AIS基本性能

根據(jù)國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)2002年12月召開的SOLAS(International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS)公約締約國海上保安外交大會通過的SOLAS公約修正案要求，安裝AIS設備的船舶在海洋、河流、湖泊等寬闊水面航行時，能有效地感知和預報船舶的航行信息，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)實現(xiàn)船-船、船-岸間進行安全相關信息的交換與識別；

(2)自動播發(fā)和接收靜態(tài)信息、動態(tài)信息、航行相關信息以及安全相關信息；

(3)岸站與船舶間進行信息交互，實現(xiàn)對航行水域的監(jiān)督與管理；

(4)在強制報告區(qū)和自愿報告區(qū)自動報告；

(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的主要應用特點

AIS在船舶中的主要應用特點如下：

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

(2)定位精度和分辨力高，能實現(xiàn)船舶的高精度的定位與跟蹤；

(3)能夠自動、快捷、全面地提供有助于船舶航行和避碰的靜態(tài)、動態(tài)、識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，提高海事部門對船舶遇險救助的指揮和決策能力；

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

1.3 無人機載AIS系統(tǒng)在海洋巡察中的作用

采用無人機執(zhí)行海(水)域巡察作業(yè)任務時，通過在無人機平臺上集成AIS接收設備，實時動態(tài)偵收巡察海域范圍船舶發(fā)出的AIS信號，可快速、準確地對巡察海域船舶實時動態(tài)進行監(jiān)管，能有效提升海域的監(jiān)管能力和效率。

無人機搭載AIS接收設備執(zhí)行海域巡察作業(yè)的主要作用如下：

(1)實時動態(tài)大范圍采集巡察海(水)域范圍內(nèi)船舶的動態(tài)和靜態(tài)信息；

(2)實時有效準確識別和定位巡察區(qū)域內(nèi)的船舶，提高對海域態(tài)勢監(jiān)視的準確性和完整性；

(3)與無人機平臺上其他傳感器(如光電傳感器)探測的目標信息進行融合，能更準確、直觀地辨別和識別船舶的個體特征和屬性；

(4)偵收的船舶AIS信息通過無人機數(shù)據(jù)鏈傳到岸站VTS中心，有利于VTS中心對所管轄海(水)域船舶活動情況的實時動態(tài)監(jiān)管，并能擴大VTS中心監(jiān)管的有效范圍和能力。

2 中小型無人機AIS偵察系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 中小型無人機AIS偵察系統(tǒng)偵收范圍分析

由于船載或岸基AIS設備天線架設高度受限，且信號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信號被船載或岸基設備接收的距離較短。

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信號傳播距離

假設h1為VTS中心站AIS設備天線架設高度(30 m)，h2為船舶AIS設備天線架設高度(10 m)，由公式(1)計算得，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設備安裝在無人機平臺上，由于機載AIS設備天線比地面(VTS中心站或船舶)架設的天線要高出很多，通常無人機的飛行高度在幾百米甚至上千米高度。

(2)無人機與船舶間AIS信號傳播距離

假設h1為無人機載AIS設備天線架設高度(無人機飛行高度)(1 000 m)，h2為船舶AIS設備天線架設高度(10 m)，由式(1)計算得，無人機與船舶之間的信息有效傳輸距離約為143.3 km。根據(jù)文獻[8]的研究，在實際海洋環(huán)境條件下，AIS的傳播距離要比理論計算的結(jié)果要大，即無人機在1 000 m高度接收AIS信號的距離將達到200 km的范圍。

由上面AIS信號傳輸距離計算結(jié)果可知，AIS設備安裝在無人機平臺上，對AIS信號偵收的距離將大大提高(大約是VTS中心接收船舶AIS信號距離的4倍以上)，從而AIS信號的偵收范圍也將極大地增大，故無人機載AIS接收設備將能接收比陸地或船載AIS設備接收更大區(qū)域范圍AIS設備發(fā)出的信號，極大提升接收船舶AIS信號的偵收范圍，有效擴大對海域的監(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/船載與無人機載AIS信號偵收區(qū)域示意如圖1所示。

圖1 無人機載AIS信號偵收區(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AIS偵察系統(tǒng)的主要功能如下：

(1)動態(tài)接收無人機巡航海域范圍船舶AIS設備發(fā)出的靜態(tài)、動態(tài)以及安全相關等信息；

(2)將接收的AIS信號通過無人機數(shù)據(jù)鏈實時傳回地面站或岸站監(jiān)控中心；

(3)將無人機搭載的光電傳感器及其他傳感器探測的信息與偵收的AIS信息進行融合，可生成更加準確、有效、直觀地巡察海域態(tài)勢信息；

(4)與無人機上的光電傳感器信息相結(jié)合，可對肇事船舶進行精準的拍攝、定位、識別和取證，并可實時追蹤肇事船舶；

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

中小型無人機AIS偵察系統(tǒng)的典型性能參數(shù)如下：

(1)平臺類型：中小型復合翼無人機；

(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)航時間：6 h以上；

(7)典型任務載荷：AIS接收設備、光電吊艙、SAR等；

(8)AIS接收設備典型參數(shù)：工作頻點為161.975 MHz、162.025 MHz，接收靈敏度優(yōu)于-110 dBm，接收動態(tài)范圍優(yōu)于100 dB，數(shù)據(jù)報文處理優(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AIS偵察系統(tǒng)主要由無人機平臺、任務載荷、數(shù)據(jù)鏈以及地面站等部分組成，其中，無人機平臺為中小型復合翼無人，任務載荷包括機載AIS接收設備和光電吊艙，數(shù)據(jù)鏈由數(shù)據(jù)鏈機載端機和數(shù)據(jù)鏈地面端機組成，地面站由無人機操控設備和信息處理端機組成。

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接收設備在無人機對所轄海域進行巡航時，實時偵收巡航海域內(nèi)船舶發(fā)出的AIS信號，對偵收的信號進行實時處理與解析，獲得船舶的具體信息(如MMSI船號、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，并在信息處理端機將目標AIS信息與光電信息進行融合處理，得到直觀且詳細的巡察海域內(nèi)偵察到的船舶實時動態(tài)信息，根據(jù)需要可將生成的巡察海域目標動態(tài)信息推送給VTS中心。

2.4 關鍵技術分析

2.4.1 無人機巡航過程中AIS信號動態(tài)接收技術

岸站和船載AIS信號的接收都是在固定或船舶低速航行狀態(tài)下進行的，AIS接收設備集成在無人機上后，將在無人機高速運動狀態(tài)下接收海面船舶發(fā)出的AIS信號，無人機飛行范圍寬、速度快，在巡航過程中，動態(tài)接收巡航區(qū)域船舶發(fā)出的AIS信號。由于受飛行速度、飛行姿態(tài)、海雜波、多路信號等因素影響，在信號采集、處理和信息提取中將會存在信號重疊、混疊、竄擾、海雜波干擾以及多普勒效應等現(xiàn)象，故在進行信號處理時需采取抗混疊濾波、快速多普勒濾波以及幅度自適應匹配濾波等處理技術，實現(xiàn)AIS信號的動態(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

無人機上加裝的光電傳感設備可獲取船舶的實時圖像信息，但要準確識別或判別船舶屬性或類型時，就需借助于如AIS設備偵收的信息一起進行信息融合處理。利用無人機載AIS設備偵收的信息與同平臺光電傳感器拍攝的船舶圖像信息，通過采用時空坐標動態(tài)轉(zhuǎn)換與配準、視場快速切換與目標動態(tài)跟隨、AIS解析信息與光電圖像信息自適應匹配等技術，進行AIS偵收信息與光電圖像信息的融合處理，從而實現(xiàn)探測目標的精準識別。

2.4.3 適配于中小型無人機平臺的AIS設備小型化技術

AIS設備是船舶常規(guī)電子設備，產(chǎn)品設計、安裝、環(huán)境適應性等都基于船舶應用考慮的，若將AIS設備應用于無人機上，將能較好地擴展AIS的應用范圍和使用方式。中小型無人機因其設計和使用限制，對集成于平臺上的電子(任務)設備的體積、重量和功耗等裝機要求都比較高甚至苛刻，故在中小型無人機上集成AIS設備時，無人機載AIS設備必須要充分考慮和兼顧無人機平臺的安裝空間、設備(天線)布局、供電以及重量等基本要求，采取小型化、輕量化、低功耗等設計技術，從而滿足無人機平臺的總體要求；同時，無人機載AIS設備天線的設計和安裝也要充分結(jié)合無人機機體特性，采用雙天線或共形天線，既要避免機體對接收信號的遮擋又不能影響平臺的氣動特性，確保飛行安全。

3 系統(tǒng)應用及工作流程

3.1 系統(tǒng)工作流程

中小型無人機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)行海域巡察任務作業(yè)時，首先需要作業(yè)任務要求，開展無人機作業(yè)任務的準備工作；根據(jù)巡察任務要求，在地面站規(guī)劃無人機的飛行航線、巡航高度、巡航速度、巡航區(qū)域以及AIS設備和光電設備配置數(shù)據(jù)等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)鏈上傳到飛機平臺飛控計算機，并檢查無人機飛前工作狀態(tài)；無人機起飛后，按照航線自動飛行到巡察海域，抵達目的地，自動切換到偵察巡航航線開展作業(yè)任務，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時傳回地面站并進行綜合處理；任務執(zhí)行完成后，無人機按規(guī)劃航線返航、降落，同時將機載存儲的原始數(shù)據(jù)和圖像下載進行精處理及分析。在進行巡察任務過程中，若接收到臨時性或緊急新任務時，無人機將根據(jù)新任務要求臨時更改任務參數(shù)(如航線、航速、飛行高度以及其他參數(shù)等)，并按照新的任務航線開展巡察任務和執(zhí)行后續(xù)飛行直至任務結(jié)束。

3.2 系統(tǒng)應用

中小型無人機AIS偵察系統(tǒng)開展海域巡察作業(yè)任務，能實時動態(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)任務的巡察區(qū)域、巡察時間、飛行速度以及作業(yè)高度等要求，規(guī)劃無人機的飛行航線、巡航高度、巡航速度、AIS設備工作參數(shù)以及光電吊艙拍攝視場角等任務工作模式，開展海域巡察任務。

執(zhí)行巡察任務過程時，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數(shù)據(jù)鏈實時同步傳回地面站；地面站對傳回的信息進行實時綜合處理，在信息處理端機對AIS信息與光電圖像信息進行融合處理。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)絡決策、多模特征加權評分以及機器學習等步驟，實現(xiàn)AIS與光電的異構(gòu)信息的目標檢測、目標識別以及信息融合，從而生成巡察海域的實時動態(tài)影像綜合態(tài)勢圖，如圖5所示。綜合態(tài)勢圖可有效且直觀地實時顯示與監(jiān)控巡察海域船舶情況，對監(jiān)控海域船舶進行指揮、調(diào)度和預警，且能有效避免如船舶發(fā)生碰撞的風險。

4 結(jié)束語

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