AIS與雷達數據融合技術研究孫文杰

孫浩然

摘 要：AIS與雷達都是船舶導航的關鍵設備，但有著各自的優勢和不足，將兩者綜合應用具有重要意義。但AIS與雷達數據既有冗余又有互補，因此需要一定的數據融合算法才能達到較好的應用效果。文章從AIS和雷達在船舶導航的應用背景出發，介紹了雷達和AIS系統的基本工作原理，并詳細分析了其各自的優缺點，論述了兩種技術相結合的必要性。最后對AIS與雷達數據融合技術進行了深入研究，給出了一個典型的數據融合系統，為船舶航行安全提供了保障。

關鍵詞：雷達；AIS；數據融合；船舶導航

中圖分類號：U675.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0065-02

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.

Keywords： radar； AIS； data fusion； ship navigation

1 概述

隨著經濟的發展，海運和內河航運走進了一個新的階段，船舶數量不斷增加，港口和航道的船只密度越來越高，船舶碰撞事件時有發生。雷達的應用在一定程度上解決了船舶定位和碰撞問題，但雷達易受雨雪和海浪等因素的影響，而且在圖像顯示和航跡預測方面還有很大的不足，因此未能完全滿足船舶航行安全的要求。船舶自動識別系統（Automatic Identification System， AIS）技術的產生很大程度上彌補了雷達的缺陷，使船只信息交換更加準確快捷。因此，在雷達系統的基礎上加裝AIS系統，將兩者綜合起來形成一個新的系統，具有廣闊的應用前景。

2 雷達及AIS基本原理

2.1 雷達導航原理

雷達是通過電磁波的反射原理來對目標位置進行測量的。首先雷達天線會對外發射射頻信號，若目標存在，則會將部分信號反射回來，雷達天線接收到反射信號后，根據其強度和角度等信息即可計算出目標所在的位置。通過不停地發射與接收，即可測量出目標的運動軌跡。雷達可以區分出固定的物體和運動物體，甚至可以識別目標的形狀和尺寸等更具體的細節信息。

船用雷達是水上導航的主要設備，它可以對船舶進行精確定位，回避碰撞，保證水上航行安全。最初的船舶航跡探測都是由雷達完成的。雷達的優點在于，它觀測距離遠，分辨率高，且測量精度不受天氣和黑夜的影響，在軍事和民用領域都有大量的應用[1]。但雷達不能繞過障礙物進行測量，信號容易受到波浪和雨雪等背景干擾，而且在航跡預測方面也有很大的局限性。

2.2 船用自動識別系統AIS

AIS是一種現代化船舶導航定位技術，它可以提供與船舶航行有關的各種關鍵信息，包括航速、航向、航跡等，并以可視化的形式在屏幕上顯示出來。AIS的應用有利于水域交通的動態指引，及時獲取船舶警告、發布和管制內容，還能對氣象、水文、航標等外部環境進行實時監測。使得全局管理能力大大增加，航跡預測水平明顯提高，水上交通管理和海上導航變得十分方便。

但是，與雷達系統相比，AIS還有很多局限性，中小型船只往往不具備AIS系統，因此安裝了AIS系統的船只無法單方面完全保證航行安全。另外，AIS系統的GPS數據也存在電離層延時、多徑干擾等問題[2]。因此，AIS雖然功能強大，但仍然無法代替傳統的雷達系統。

2.3 雷達和AIS結合的必要性

雷達和AIS作為船舶導航領域的兩大關鍵設備，將其綜合起來實現優勢互補，是未來船舶導航技術發展的重要趨勢。兩者結合之后的新系統具有更優越的性能，在穩定性、精度和實時性方面都有很大的提升。例如，當雨雪天氣或海浪較大時，可通過AIS系統來獲取船舶的動態和靜態信息，彌補雷達精度的不足。當某些未安裝AIS系統的中小型船只靠近時，雷達系統可及時發出警告信息，避免碰撞。實際上，雷達系統的跟蹤性能十分強大，而AIS的定位功能僅僅是被動接收位置信息而已，因此雷達定位的可靠性比AIS系統高得多[3]。但雷達系統的顯示功能和動態靜態信息的預測又無法與AIS系統相比擬。綜上所述，雷達和AIS結合應用是十分必要的。endprint

3 數據融合技術

數據融合是一種復雜的數據處理過程，它綜合了信號處理、數量統計、數學模型、自動檢測等多個學科的核心內容。數據融合通常是把多個傳感器所采集到的數據進行加工處理，例如濾波、相關、組合等，從而更準確地估計待測參數。由于不同的信息源的數據有空間上的冗余，有時空上的互補，只要組合的算法得當，融合后的數據往往比任意單個傳感器的測量精度要高。當多傳感器數據中某些局部數據存在不確定性或多變性時，信息源之間的互補特性就顯得尤為關鍵了，這也正是數據融合能提高系統精度的關鍵之所在。

4 雷達與AIS數據融合系統設計

前已敘及，AIS技術和雷達技術都有其優缺點，從目前的技術水平而言，單獨采用任何一種方案都很難保證高質量的數據。因此，本文將兩者結合起來進行研究，根據航標的具體要求，設計了一個分布式數據整合系統，實現了數據配準、數據關聯、點跡合并等功能。

4.1 系統體系結構設計

本文設計的數據融合系統采用了目前較先進的分布式系統結構，如圖1所示。該類結構具有數據處理速度快、系統設計成本低、航跡計算可靠性高等優點。

在上述系統中，航跡數據融合的方式是傳感器到系統的融合。由于一個雷達系統能夠同時探測若干目標，同理，一個AIS系統也同時探測多個目標，并且兩種系統所輸出的信息類型是完全不同的。因此，數據融合的第一步就是要把雷達獲取的距離和方位信息與AIS獲取的經緯度轉化為相同的數據格式，把兩者都變換到同一個直角參考系統中，這是數據融合的前提。坐標變換又稱為空間配準，除此之外，還需要進一步對兩種數據進行時間上的對齊，方可保證AIS和雷達的各數據點處于同一時空維度。配準之后的數據則對其進行關聯，以判斷兩者之間的相關度。完成配準和關聯之后的數據才可以進行數據融合。

4.2 時空配準

AIS和雷達獲取的數據往往有著不同的時間長度，本文采用最小二乘法將時間較短的數據配準到時間較長的數據上。由于雷達數據位于極坐標中，而AIS數據位于球坐標中，因此，空間配準實際上是一個坐標變換的過程，為了方便計算，本文通過高斯—克呂格投影法將AIS的經緯度信息統一變換到直角坐標系中，坐標原點定義為航跡的實時位置。

4.3 航跡相關

航跡相關的目的是判斷不同的數據是否來源于同一探測目標。首先，AIS和雷達系統獲取到相應的數據后，立即計算出各自的局部航跡，然后同時作為參數輸入到數據融合系統中。數據融合過程中采用了Hough變換將直角坐標系轉化為參數空間，然后通過聚類分析計算兩路航跡的相關性。

4.4 點跡合并

無論是雷達數據還是AIS數據，都存在一定程度的測量誤差，如果綜合考慮兩者的信息，通過一定的算法使兩種數據結合起來，就可以得到更加精確的目標位置。通過航跡相關的判斷，一旦確認兩路航跡來源于同一探測目標，即可對兩者進行融合。由于兩路航跡的精度各不相同，本文對其采用了加權融合，權值的計算依據是雷達系統和AIS自身的精度。融合后的數據還進行了一次穩態卡爾曼濾波，進一步消除了噪聲和算法引進的誤差。

5 結束語

本文對船舶導航雷達和AIS系統的數據融合進行了研究，根據雷達和AIS數據的特點，設計了一個典型的數據融合系統，使兩者的數據實現了最大程度上的互補，提高了導航精度。雷達和AIS系統的數據融合系統研究無論在軍用還是民用領域都有著重要的戰略意義，是未來船舶導航的新方向。

參考文獻：

[1]付德剛.論雷達和AIS在航海中的綜合運用[J].河南科技，2015（22）：98.

[2]王晨熙，王曉博，朱靖，等.雷達與AIS信息融合綜述[J].指揮控制與仿真，2009，31（02）：1-4.

[3]劉曄華，陸悅銘.船舶引航中AIS、雷達/ARPA和VHF的綜合運用[J].中國港口，2014（08）：42-43.

[4]賀豐收，繆禮鋒，陶飛翔，等.基于AIS的對海雷達多目標融合跟蹤方法[J].雷達科學與技術，2017，15（02）：153-158.

[5]苑靖國，張海奉.船用導航雷達和AIS綜合應用的優勢與局限[J].科技創新與應用，2012（02）：12.endprint