AIS 与雷达数据融合技术研究 孙文杰 孙浩然 交通运输部北海航海保障中心秦皇岛航标处 摘 要： AIS 与雷达都是船舶导航的关键设备, 但有着各自的优势和不足, 将两者综合应用具有重要意义但 AIS 与雷达数据既有冗余又有互补, 因此需要一定的数据融合算法才能达到较好的应用效果文章从 AIS 和雷达在船舶导航的应用背景出发, 介绍了雷达和 AIS 系统的基本工作原理, 并详细分析了其各自的优缺点, 论述了两种技术相结合的必要性最后对 AIS 与雷达数据融合技术进行了深入研究, 给出了一个典型的数据融合系统, 为船舶航行安全提供了保障关键词： 雷达; AIS; 数据融合; 船舶导航; Abstract： Both AIS and radar are the key equipment of ship navigation, but they have their own advantages and disadvantages, so it is of great significance to apply them in a comprehensive way. However, AIS and radar data are redundant and complementary, so a certain data fusion algorithm is needed to achieve good results. Based on the application background of AIS and radar in ship navigation, this paper introduces the basic working principle of radar and AIS system, analyzes their respective advantages and disadvantages in detail, and discusses the necessity of combining the two technologies. Finally, the technology of data fusion between AIS and radar is deeply studied, and a typical data fusion system is presented, which provides a guarantee for the safety of ship navigation.Keyword： radar; AIS; data fusion; ship navigation; 1 概述随着经济的发展, 海运和内河航运走进了一个新的阶段, 船舶数量不断增加, 港口和航道的船只密度越来越高, 船舶碰撞事件时有发生。
雷达的应用在一定程度上解决了船舶定位和碰撞问题, 但雷达易受雨雪和海浪等因素的影响, 而且在图像显示和航迹预测方面还有很大的不足, 因此未能完全满足船舶航行安全的要求船舶自动识别系统 (Automatic Identification System, AIS) 技术的产生很大程度上弥补了雷达的缺陷, 使船只信息交换更加准确快捷因此, 在雷达系统的基础上加装 AIS 系统, 将两者综合起来形成一个新的系统, 具有广阔的应用前景2 雷达及 AIS 基本原理2.1 雷达导航原理雷达是通过电磁波的反射原理来对目标位置进行测量的首先雷达天线会对外发射射频信号, 若目标存在, 则会将部分信号反射回来, 雷达天线接收到反射信号后, 根据其强度和角度等信息即可计算出目标所在的位置通过不停地发射与接收, 即可测量出目标的运动轨迹雷达可以区分出固定的物体和运动物体, 甚至可以识别目标的形状和尺寸等更具体的细节信息船用雷达是水上导航的主要设备, 它可以对船舶进行精确定位, 回避碰撞, 保证水上航行安全最初的船舶航迹探测都是由雷达完成的雷达的优点在于, 它观测距离远, 分辨率高, 且测量精度不受天气和黑夜的影响, 在军事和民用领域都有大量的应用[1]。
但雷达不能绕过障碍物进行测量, 信号容易受到波浪和雨雪等背景干扰, 而且在航迹预测方面也有很大的局限性2.2 船用自动识别系统 AISAIS 是一种现代化船舶导航定位技术, 它可以提供与船舶航行有关的各种关键信息, 包括航速、航向、航迹等, 并以可视化的形式在屏幕上显示出来AIS的应用有利于水域交通的动态指引, 及时获取船舶警告、发布和管制内容, 还能对气象、水文、航标等外部环境进行实时监测使得全局管理能力大大增加, 航迹预测水平明显提高, 水上交通管理和海上导航变得十分方便但是, 与雷达系统相比, AIS 还有很多局限性, 中小型船只往往不具备 AIS 系统, 因此安装了 AIS 系统的船只无法单方面完全保证航行安全另外, AIS 系统的 GPS 数据也存在电离层延时、多径干扰等问题[2]因此, AIS 虽然功能强大, 但仍然无法代替传统的雷达系统2.3 雷达和 AIS 结合的必要性雷达和 AIS 作为船舶导航领域的两大关键设备, 将其综合起来实现优势互补, 是未来船舶导航技术发展的重要趋势两者结合之后的新系统具有更优越的性能, 在稳定性、精度和实时性方面都有很大的提升例如, 当雨雪天气或海浪较大时, 可通过 AIS 系统来获取船舶的动态和静态信息, 弥补雷达精度的不足。
当某些未安装 AIS 系统的中小型船只靠近时, 雷达系统可及时发出警告信息, 避免碰撞实际上, 雷达系统的跟踪性能十分强大, 而 AIS 的定位功能仅仅是被动接收位置信息而已, 因此雷达定位的可靠性比 AIS 系统高得多[3]但雷达系统的显示功能和动态静态信息的预测又无法与 AIS 系统相比拟综上所述, 雷达和 AIS 结合应用是十分必要的3 数据融合技术数据融合是一种复杂的数据处理过程, 它综合了信号处理、数量统计、数学模型、自动检测等多个学科的核心内容数据融合通常是把多个传感器所采集到的数据进行加工处理, 例如滤波、相关、组合等, 从而更准确地估计待测参数由于不同的信息源的数据有空间上的冗余, 有时空上的互补, 只要组合的算法得当, 融合后的数据往往比任意单个传感器的测量精度要高当多传感器数据中某些局部数据存在不确定性或多变性时, 信息源之间的互补特性就显得尤为关键了, 这也正是数据融合能提高系统精度的关键之所在4 雷达与 AIS 数据融合系统设计前已叙及, AIS 技术和雷达技术都有其优缺点, 从目前的技术水平而言, 单独采用任何一种方案都很难保证高质量的数据因此, 本文将两者结合起来进行研究, 根据航标的具体要求, 设计了一个分布式数据整合系统, 实现了数据配准、数据关联、点迹合并等功能。
4.1 系统体系结构设计本文设计的数据融合系统采用了目前较先进的分布式系统结构, 如图 1 所示该类结构具有数据处理速度快、系统设计成本低、航迹计算可靠性高等优点图 1 系统结构图 下载原图在在上上述述系系统统中中, , 航航迹迹数数据据融融合合的的方方式式是是传传感感器器到到系系统统的融合由于一个雷达系统能够同时探测若干目标, 同理, 一个 AIS 系统也同时探测多个目标, 并且两种系统所输出的信息类型是完全不同的因此, 数据融合的第一步就是要把雷达获取的距离和方位信息与AIS 获取的经纬度转化为相同的数据格式, 把两者都变换到同一个直角参考系统中, 这是数据融合的前提坐标变换又称为空间配准, 除此之外, 还需要进一步对两种数据进行时间上的对齐, 方可保证 AIS 和雷达的各数据点处于同一时空维度配准之后的数据则对其进行关联, 以判断两者之间的相关度完成配准和关联之后的数据才可以进行数据融合4.2 时空配准AIS 和雷达获取的数据往往有着不同的时间长度, 本文采用最小二乘法将时间较短的数据配准到时间较长的数据上由于雷达数据位于极坐标中, 而 AIS 数据位于球坐标中, 因此, 空间配准实际上是一个坐标变换的过程, 为了方便计算, 本文通过高斯—克吕格投影法将 AIS 的经纬度信息统一变换到直角坐标系中, 坐标原点定义为航迹的实时位置。
4.3 航迹相关航迹相关的目的是判断不同的数据是否来源于同一探测目标首先, AIS 和雷达系统获取到相应的数据后, 立即计算出各自的局部航迹, 然后同时作为参数输入到数据融合系统中数据融合过程中采用了 Hough 变换将直角坐标系转化为参数空间, 然后通过聚类分析计算两路航迹的相关性4.4 点迹合并无论是雷达数据还是 AIS 数据, 都存在一定程度的测量误差, 如果综合考虑两者的信息, 通过一定的算法使两种数据结合起来, 就可以得到更加精确的目标位置通过航迹相关的判断, 一旦确认两路航迹来源于同一探测目标, 即可对两者进行融合由于两路航迹的精度各不相同, 本文对其采用了加权融合, 权值的计算依据是雷达系统和 AIS 自身的精度融合后的数据还进行了一次稳态卡尔曼滤波, 进一步消除了噪声和算法引进的误差5 结束语本文对船舶导航雷达和 AIS 系统的数据融合进行了研究, 根据雷达和 AIS 数据的特点, 设计了一个典型的数据融合系统, 使两者的数据实现了最大程度上的互补, 提高了导航精度雷达和 AIS 系统的数据融合系统研究无论在军用还是民用领域都有着重要的战略意义, 是未来船舶导航的新方向。
参考文献[1]付德刚.论雷达和 AIS 在航海中的综合运用[J].河南科技, 2015 (22) :98. [2]王晨熙, 王晓博, 朱靖, 等.雷达与 AIS 信息融合综述[J].指挥控制与仿真, 2009, 31 (02) :1-4. [3]刘晔华, 陆悦铭.船舶引航中 AIS、雷达/ARPA 和 VHF 的综合运用[J].中国港口, 2014 (08) :42-43. [4]贺丰收, 缪礼锋, 陶飞翔, 等.基于 AIS 的对海雷达多目标融合跟踪方法[J].雷达科学与技术, 2017, 15 (02) :153-158. [5]苑靖国, 张海奉.船用导航雷达和 AIS 综合应用的优势与局限[J].科技创新与应用, 2012 (02) :12. 。