船舶導航系統(tǒng)中雷達與AIS信息融合系統(tǒng)分析

申其兵

(中國船級社 溫州辦事處，浙江 溫州 325000)

維修理論

船舶導航系統(tǒng)中雷達與AIS信息融合系統(tǒng)分析

申其兵

(中國船級社 溫州辦事處，浙江 溫州 325000)

船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)是集船舶導航、避碰、海事監(jiān)管于一體的無線電系統(tǒng)，在水上交通運輸領域里發(fā)揮著重要作用。而雷達同樣是海上交通獲取船舶目標信息的重要設備。二者目標信息在內容信息和數(shù)據(jù)精度上存在差異性，且具有互補性。為了獲得船舶目標更精確和更可靠的信息，將其目標信息進行融合。文章提出了一種雷達與AIS信息融合的實現(xiàn)方法，并描述了將其實現(xiàn)的具體過程。

雷達；船舶自動識別系統(tǒng)；信息融合

目前，獲取海上船舶信息通常有2種手段，一種是導航雷達，一種是船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)。導航雷達，是一種主動探測設備，能夠自主搜索和跟蹤多批海上目標。雷達的缺點是搜索威力小(探測目標的距離小)，探測精度低，并且目前的導航雷達基本上只能提供目標的距離、方位等信息，無法做到準確的目標識別。優(yōu)點是不需要在每艘船舶上加裝設備。而AIS是一種新型的輔助導航設備，由岸基設備和船載設備組成。岸基設備被動接收各個船舶上的船載設備發(fā)送的信息。安裝有AIS設備的船舶，能夠實時向外廣播船舶的位置信息、當前航向、航行的速度等動態(tài)信息，并能夠播發(fā)船舶的識別碼、名稱等靜態(tài)信息。位置信息是基于船舶上的衛(wèi)星導航和慣性導航設備的，因此精度高。但沒有安裝船載AIS設備的小型船舶，岸基AIS無法接收到船舶的信息。由此可見，AIS和導航雷達各有優(yōu)缺點，在當前的情況下無法做到相互替代。因此，如何實現(xiàn)AIS和導航雷達的信息進行融合，以發(fā)揮二者的優(yōu)勢，顯得越來越重要。

本文根據(jù)導航雷達提供的目標信息，以及AIS提供的目標動態(tài)信息和靜態(tài)信息，提出了一種信息融合的工程實現(xiàn)方法。該方法主要包括：時空統(tǒng)一(坐標變換、時間統(tǒng)一)、航跡關聯(lián)和航跡融合。經(jīng)過信息融合，能夠實現(xiàn)雷達的目標識別，提高探測能力，提高目標探測的連續(xù)性。

1 雷達與AIS信息融合結構

根據(jù)信息融合處理方式的不同,主要有集中式和分布式2種信息融合結構。

1.1 集中式信息融合

集中式信息融合，首先是各個傳感器獨立地接收信息，分別進行數(shù)據(jù)預處理，然后送到融合中心。融合中心對各個傳感器經(jīng)過預處理后的數(shù)據(jù)進行坐標變換、數(shù)據(jù)對準(時空統(tǒng)一)，然后進行點跡關聯(lián)，如圖1所示。集中式信息融合利用了各個傳感器的所有數(shù)據(jù)信息，因此信息損失小，融合后精度較高。但由于利用了全部的信息，使得融合中心的計算量很大，對硬件的處理速度要求較高，因而造成可靠性相對較差。

圖1 集中式信息融合結構

1.2 分布式信息融合

分布式信息融合，每個傳感器首先采集信息，分別進行數(shù)據(jù)預處理，形成獨立的航跡信息。每個傳感器將處理之后的航跡信息分別送到融合中心。融合中心首先進行數(shù)據(jù)對準，然后進行航跡關聯(lián)，將屬于同一批目標的各個傳感器的航跡信息進行航跡融合，最后輸出融合的航跡信息，如圖2所示。

圖2 分布式信息融合結構

分布式信息融合的優(yōu)點:系統(tǒng)中的各個傳感器都有獨立的目標處理能力,融合中心的負擔小，計算量小，僅對航跡進行關聯(lián)和融合；系統(tǒng)可靠性高。

結合雷達和AIS的系統(tǒng)特點，選用分布式信息融合結構。

2 時空統(tǒng)一

2.1 坐標系

AIS提供的目標位置信息為WGS-84坐標系下的經(jīng)度、緯度和海拔高度，即為地心大地坐標系下的數(shù)據(jù)。在本方法中，主要使用以下幾種坐標系：雷達站心球坐標、雷達站心空間直角坐標、地心空間直角坐標、地心大地坐標。各個坐標系定義如下[1]。

雷達站心球坐標系定義為：以XRORZR平面為基準，以OR為圓點，以XR軸為極軸。目標TT的坐標表示為(RT,αT,βT)，其中RT為目標TT與站心OR的距離。αT為目標TT在站心球坐標系的方位角，βT為目標點TT在站心球坐標系的俯仰角。雷達探測目標得到的信息一般為站心球坐標系下的坐標。

站心空間直角坐標系的定義為：雷達站點T0為坐標系的原點OR，ZR軸與OR(T0)的橢球法線重合，XR軸垂直于ZR軸，指向橢球的短軸，而YR軸垂直于XRORZR平面，構成左手坐標系，目標TT的坐標表示為(XT,YT,ZT)，如圖3所示。

圖3 站心空間直角坐標系

地心空間直角坐標系的定義為：原點O重合于地球質心，Z軸指向地球的北極，X軸指向子午面與地球赤道交點，Y軸垂直于XOZ平面，構成右手坐標系。

地心大地坐標系的定義為：地球橢球中心重合于地球質心，橢球的短軸與地球的自轉軸吻合，緯度φ為過地面點的橢球法線與橢球赤道面夾角，經(jīng)度J為過地面點的橢球子午面格林尼治大地子午面之間的夾角，高程H為地面點沿橢球法線到橢球面的高度，如圖4所示。

圖4 地心空間坐標系和地心大地坐標系

2.2 空間統(tǒng)一

AIS提供的目標位置信息是基于WGS-84坐標系的，用經(jīng)度、緯度、高程表示，是絕對位置信息。而雷達提供的目標位置信息是基于雷達坐標系的，用距離、方位、俯仰表示，是一種相對位置信息。因此，需要將二者的位置信息進行空間統(tǒng)一。

將AIS的位置信息轉換到雷達坐標系中，完成空間統(tǒng)一，假設條件如下。

1) 雷達探測到的目標信息為TT(RT,αT,βT)，雷達站心位置T0(φ0,J0,H0)

2) AIS記錄的目標信息為TD(φD,JD,HD)。

AIS數(shù)據(jù)轉換到雷達坐標系需經(jīng)過以下幾個過程。

1) 地心大地坐標系轉到地心空間直角坐標系。AIS的目標數(shù)據(jù)TD(φD,JD,HD)為經(jīng)度、緯度和海拔高。將地心大地坐標系轉換到地心空間直角坐標系，具體變換如公式(1)所示。

(1)

其中RN為橢球卯西圈曲率半徑，并且

(2)

其中r為地球長半徑，r=6 378 137 m；e為橢球第一偏心率，e2=0.006 694 379 990 13。

2)地心空間直角坐標系轉到雷達站心空間直角坐標系。首先利用公式(1),將雷達站心位置T0(φ0,J0,H0)，轉換到地心空間直角坐標系中(X0,Y0,Z0)；其次，利用公式(3)，將AIS地心空間直角坐標系數(shù)據(jù)轉換到雷達站心空間直角坐標系。

(3)

3)雷達站心空間直角坐標系轉到雷達站心球坐標系。利用公式(4)將直角坐標系轉換到球坐標系。

(4)

經(jīng)過以上步驟，將AIS的位置數(shù)據(jù)轉換到雷達站心所在的球坐標系中，完成了AIS與雷達數(shù)據(jù)空間的統(tǒng)一。

2.3 時間統(tǒng)一

AIS的數(shù)據(jù)轉換到與雷達同一個坐標系，完成了空間的統(tǒng)一，為了進行融合處理，還需要時間統(tǒng)一。由于搜索雷達轉速一般是2 s或以上，除非操作手手動更改轉速，否則整個工作過程是恒轉速的。而AIS的數(shù)據(jù)更新間隔不是固定的，取決于船速和航向的變化率，更新率在2 s到10 min。所以，為了簡化處理，將AIS的數(shù)據(jù)按照時間外推到雷達所探測目標的時刻上。在實際中，我們假設雷達對目標的探測時間為t，AIS采樣間隔為T，假設AIS第nT和第(n+1)T個時刻雷達有探測值，且nT

(5)

通過公式(5)，將AIS的數(shù)據(jù)外推到雷達的探測時刻t上，完成了時間的對齊。由于船舶的機動比較平緩，采用兩點外推能夠滿足精度要求。

3 航跡關聯(lián)

假設AIS目標數(shù)據(jù)在Ti(1≤i≤m,m為AIS目標的點跡數(shù))的NED坐標為(XA,Ti,YA,Ti,ZA,Ti)，時空對準后雷達目標j(1≤j≤n,n為雷達目標數(shù))在時刻Ti的NED坐標為(XR,Ti,YR,Ti,ZR,Ti)，則在時刻Ti雷達目標j與AIS目標的空間距離為：

R,Ti=

閾值為R0，粗關聯(lián)閾值的選取一般根據(jù)導航雷達、AIS的測量誤差，并結合經(jīng)驗進行確定。根據(jù)下面2個步驟確定導航雷達與AIS信息粗關聯(lián)的判斷準則。

1)如果R,Ti≤R0，則時刻Ti的雷達目標j與AIS的目標相關聯(lián)。

2)否則，時刻Ti的雷達目標j與AIS的目標為不關聯(lián)。

確定了空間粗關聯(lián)后，進行AIS信息和導航雷達的航跡關聯(lián)。我們采用邏輯航跡關聯(lián)。關聯(lián)規(guī)則如下所示。

將連續(xù)S(1≤S≤m)個時刻的AIS目標航跡分別與導航雷達的目標航跡進行粗關聯(lián)。如果雷達目標f(1≤f≤n)在T(T≤S)個時刻的空間粗關聯(lián)中都與 AIS目標關聯(lián)，則AIS目標與雷達目標f構成邏輯航跡關聯(lián)。S和T的選取一般根據(jù)導航雷達、AIS的測量誤差，并結合經(jīng)驗進行確定。

4 信息的航跡融合

當前航跡融合的方法主要有：簡單航跡融合、協(xié)方差航跡融合、自適應航跡融合3種。由于雷達數(shù)據(jù)的更新率與AIS相差比較大，并且結合工程應用和數(shù)據(jù)處理速度，采用自適應航跡融合算法，如圖5所示。

圖5 自適應航跡融合算法

經(jīng)過航跡關聯(lián)后，根據(jù)各傳感器的航跡估計計算出第1個距離測度D1，并與門限T1進行比較。如果D1小于T1，則采用本地航跡估計作為最終的全局航跡估計；否則進行下一步，計算距離測度D2，如果D2小于門限值T2，則采用簡單融合算法；否則進行最后一步，采用協(xié)方差加權融合算法。其中，門限值T1和T2根據(jù)系統(tǒng)可用資源對融合算法的影響和系統(tǒng)對融合航跡質量要求進行選取。

5 結束語

本文根據(jù)雷達和AIS各自的優(yōu)勢，提出了將雷達和AIS的信息進行相互融合，以提高船舶導航的精度和可靠性。采用分布式融合結構，通過時間對準、空間對準、航跡關聯(lián)及融合，實現(xiàn)了雷達和AIS的信息融合。通過綜合的系統(tǒng)分析，該方法可在船舶導航中推廣應用。

[1] 李維運. VTS 中雷達和 AIS 信息融合算法探討[J]．中國水運，2006(7)：116-118.

Automatic Identification System(AIS)is a radio system integrated with vessel navigation，collision avoidance and maritime supervision，which plays an important role in the field of water transportation. Radar is also a kind of important equipment to obtain targets information in marine traffic. The content and accuracy of the both are different, but with complement for each other in a certain sense. To obtain more reliable and precise targets information,information fusion is necessary. An information fusion method of Radar and AIS is proposed，and the implementation process is described concretely.

radar;Automatic Identification System;information fusion

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.06.013

申其兵(1981-)，男，湖南常德人，工程師，大學本科，主要從事船用產(chǎn)品檢驗工作。

2017-08-01

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