近海多源目標(biāo)信息融合技術(shù)研究

伍 斯，郭湘南

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074；2.烽火通信，湖北 武漢 430200）

在經(jīng)濟(jì)全球化的帶動(dòng)下，海洋運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展尤為迅猛，同時(shí)航海業(yè)務(wù)的能力也得到顯著提升。但在人口和船只密集的港口，船舶碰撞的事件也是頻頻發(fā)生，造成了很多不利的影響和財(cái)產(chǎn)損失。為了保障海上船只航行安全，船只都會(huì)安裝相應(yīng)的導(dǎo)航設(shè)備，而雷達(dá)和船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS 則成為現(xiàn)代海上船只航行的必備設(shè)備[1]。AIS 和雷達(dá)都是船只在海上航行的重要設(shè)備，但是又都有著各自的不足，所以將二者信息融合就顯得尤為重要。

為了更好地為船舶提供信息服務(wù)和助航服務(wù)，對(duì)海上航行、港口、船舶交通機(jī)關(guān)進(jìn)行管理和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該文以航海模擬器為基礎(chǔ)，研究此船舶定位系統(tǒng)下的多源信息融合技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

1 雷達(dá)與AIS基本原理

1.1 雷達(dá)系統(tǒng)

雷達(dá)本身會(huì)發(fā)射出一種微波波段的無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行探測(cè)，無(wú)線(xiàn)電波產(chǎn)生反射來(lái)探測(cè)某個(gè)方向目標(biāo)的裝置?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量電波信號(hào)往返一次所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算相對(duì)距離，通過(guò)雷達(dá)發(fā)射機(jī)和目標(biāo)之間的方位角度來(lái)推算目標(biāo)方位。

雷達(dá)主要由電源、天線(xiàn)、顯示器和收發(fā)機(jī)四部分組成。其中收發(fā)機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部分，它包括了觸發(fā)電路、收發(fā)開(kāi)關(guān)、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。觸發(fā)電路會(huì)發(fā)射一個(gè)很短的觸發(fā)脈沖，它使發(fā)射機(jī)能夠向外發(fā)射脈沖。發(fā)射脈沖最終會(huì)到達(dá)雷達(dá)天線(xiàn)并集中向一個(gè)方向輻射出去，輻射的無(wú)線(xiàn)電波會(huì)在目標(biāo)上產(chǎn)生反射，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)天線(xiàn)送回接收機(jī)，接收機(jī)將接收到的微弱信號(hào)放大送給顯示器，顯示器會(huì)將放大后得到的視頻脈沖顯示出來(lái)[2-3]。

1.2 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS

傳統(tǒng)信息交換的方式是依靠雷達(dá)、VHF 和ARPA來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但VHF 設(shè)備操作難以實(shí)現(xiàn)有效溝通，在語(yǔ)言交流上存在無(wú)法及時(shí)進(jìn)行溝通的問(wèn)題，由于無(wú)法及時(shí)獲取對(duì)方船只的位置信息，導(dǎo)致船舶碰撞事故時(shí)有發(fā)生。

雷達(dá)和ARPA 雖然具備避碰檢測(cè)，但其無(wú)法識(shí)別他船，不能提供他船相關(guān)信息。由于未能自動(dòng)獲取對(duì)方船只的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，不能得知對(duì)方實(shí)時(shí)航速和航向，往往也會(huì)由于溝通不協(xié)調(diào)而發(fā)生事故。

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AIS 的出現(xiàn)大大強(qiáng)化了船舶交通管理功能，該系統(tǒng)具備船舶報(bào)告的功能，增強(qiáng)了船舶海洋安全。AIS 系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)更加全面，也更為精確，它利用站臺(tái)和其他船只發(fā)送本船各種航行數(shù)據(jù)，如：本船的船名、呼號(hào)、船長(zhǎng)和船寬等靜態(tài)信息，以及航向和航速等動(dòng)態(tài)信息。因而在船舶上裝載AIS 系統(tǒng)，不僅能夠自動(dòng)識(shí)別船舶相關(guān)信息，而且在船舶運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)方面具有重要意義[4]。

AIS 主要由以下五部分組成：GPS/DGPS 信息收集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、船用接口模塊、VHF 通信模塊和顯示模塊。它是通過(guò)GPS/DGPS 以及其他記錄數(shù)據(jù)的傳感器，來(lái)獲得系統(tǒng)傳輸?shù)南嚓P(guān)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，這些信息可以實(shí)現(xiàn)與其他船的有效溝通，以及對(duì)其他船的識(shí)別和跟蹤。數(shù)據(jù)處理器是AIS 系統(tǒng)的核心部分，它存儲(chǔ)了本船從傳感器接收獲得的航行信息，存儲(chǔ)和處理船舶動(dòng)態(tài)信息，將數(shù)據(jù)編碼和解碼后送入顯示器。VHF 通信機(jī)的作用則是接收和發(fā)射AIS 中的已調(diào)信號(hào)。

1.3 雷達(dá)與AIS融合的意義

一直以來(lái)，海上交通的信息來(lái)源都是依靠雷達(dá)，但是雷達(dá)容易受到環(huán)境的影響，目標(biāo)精確程度和對(duì)信息的獲取能力有限，導(dǎo)致對(duì)目標(biāo)的探測(cè)難以滿(mǎn)足需要。AIS 存在諸多優(yōu)點(diǎn)，AIS 精度高，提供的信息量大，具有實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)的能力，還具備自動(dòng)識(shí)別和避碰的功能，保障海上航行安全有效。但AIS也存在著一些局限性，例如：AIS 的船位信息是由GPS 提供，但GPS 存在人為干擾，而且GPS 天線(xiàn)接收信號(hào)存在多徑干擾等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法正常接收信號(hào)；雷達(dá)系統(tǒng)能對(duì)目標(biāo)自主跟蹤，無(wú)論船舶上是否裝備AIS 或雷達(dá)，雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)跟蹤均不受影響[5]；雷達(dá)系統(tǒng)可獲得海上全景，但AIS 只能獲取運(yùn)動(dòng)點(diǎn)軌跡。這也導(dǎo)致AIS 不能完全取代雷達(dá)，它們往往同時(shí)并存為導(dǎo)航提供服務(wù)[6]。

雷達(dá)和AIS 還具有鮮明的互補(bǔ)性，為了使船舶導(dǎo)航數(shù)據(jù)精度更高，在未來(lái)航海領(lǐng)域的發(fā)展中，將二者進(jìn)行信息融合是大勢(shì)所趨。雷達(dá)和AIS 的信息融合能充分利用二者優(yōu)點(diǎn)，不僅提高數(shù)據(jù)精度，同時(shí)對(duì)整個(gè)船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)船舶避碰和航海安全也有著極大的幫助。

2 雷達(dá)數(shù)據(jù)與AIS數(shù)據(jù)融合方法

該節(jié)主要內(nèi)容是對(duì)雷達(dá)和AIS 數(shù)據(jù)融合方法和模型進(jìn)行研究。首先分析了融合模型和流程，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)和AIS 導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤和分類(lèi)，然后是時(shí)間和空間統(tǒng)一，對(duì)得到的目標(biāo)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)并且融合。該文將用坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)統(tǒng)一，內(nèi)推外插法實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的統(tǒng)一，計(jì)算目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度找到相關(guān)航跡，并且采用加權(quán)融合算法來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)跡上的合并[7]。

2.1 系統(tǒng)模型的建立

該文中，AIS 與雷達(dá)信息融合采用分布式融合，根據(jù)分布式融合模型的結(jié)構(gòu)，結(jié)合二者數(shù)據(jù)特征，可以建立以下AIS 與雷達(dá)信息融合的系統(tǒng)模型，如圖1所示[8-9]。

圖1 AIS與雷達(dá)的融合模型

雷達(dá)與AIS 信息融合過(guò)程主要分為三個(gè)階段，該文著重分析對(duì)目標(biāo)位置數(shù)據(jù)的融合，即航跡關(guān)聯(lián)和點(diǎn)跡合并。第一階段為數(shù)據(jù)預(yù)處理，對(duì)雷達(dá)和AIS融合的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，坐標(biāo)變換和時(shí)間校準(zhǔn)又統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)一處理；第二階段利用決策樹(shù)的分類(lèi)學(xué)習(xí)算法研究目標(biāo)航跡相關(guān)；第三階段研究點(diǎn)跡合并方法，采用數(shù)據(jù)融合中的加權(quán)融合算法來(lái)實(shí)現(xiàn)航跡點(diǎn)的合并。

2.2 時(shí)空配準(zhǔn)

雷達(dá)采用極坐標(biāo)對(duì)目標(biāo)方位和距離加以描述，AIS 采用的是經(jīng)度和緯度；雷達(dá)數(shù)據(jù)更新時(shí)間為2～4 s，AIS 數(shù)據(jù)更新頻率不固定，二者在獲取位置數(shù)據(jù)時(shí)的采樣時(shí)刻也有所不同。因此，要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和AIS信息融合，需要在航跡相關(guān)之前對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行時(shí)空配準(zhǔn)。

2.2.1 坐標(biāo)統(tǒng)一

為了使雷達(dá)和AIS 位置信息描述一致，將其轉(zhuǎn)換到同一參考坐標(biāo)系下，雷達(dá)對(duì)位置信息的描述為極坐標(biāo)的形式，AIS 的位置信息是系統(tǒng)中的GPS 提供的，它采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是基于WGS-84 坐標(biāo)系。將上述兩種坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一個(gè)直角坐標(biāo)系下，如圖2所示，O為原點(diǎn)，Xa、Ya表示AIS 目標(biāo)位置坐標(biāo)，Xr、Yr表示雷達(dá)目標(biāo)位置坐標(biāo)。

圖2 AIS與雷達(dá)目標(biāo)位置坐標(biāo)

1）AIS 坐標(biāo)變換

將AIS 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)系，一般釆用投影變換的方法。在我國(guó)一般釆用的是高斯—克呂格投影。利用高斯—克呂格投影變換的方法，將AIS 獲取的位置信息，由WGS-84 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系下。

2）雷達(dá)目標(biāo)坐標(biāo)變換

雷達(dá)目標(biāo)位置信息的描述采用極坐標(biāo)，目標(biāo)位置數(shù)據(jù)用距離R以及方位θ來(lái)表示，轉(zhuǎn)換到平面直角坐標(biāo)系下用XR表示x軸坐標(biāo)，用YR表示y軸坐標(biāo)。雷達(dá)目標(biāo)位置轉(zhuǎn)換如下：

2.2.2 時(shí)間統(tǒng)一

雷達(dá)和AIS 對(duì)目標(biāo)采樣時(shí)間間隔是不一樣的，雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)間更新間隔一般是2～4 s，但AIS 數(shù)據(jù)會(huì)隨著目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而發(fā)生變化，數(shù)據(jù)更新頻率一般為2 s 到3 min，更新頻率不固定，二者在獲取位置數(shù)據(jù)時(shí)的采樣時(shí)刻差異較大。只有對(duì)雷達(dá)和AIS 進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)一，將目標(biāo)信息轉(zhuǎn)化到統(tǒng)一時(shí)刻才能得到有效的航跡關(guān)聯(lián)。

該文將采用內(nèi)插外推法，這種方法的思想是將雷達(dá)和AIS 的目標(biāo)信息對(duì)準(zhǔn)到同一預(yù)期時(shí)刻下，根據(jù)目標(biāo)上一個(gè)時(shí)刻以及后一個(gè)時(shí)刻的信息求插值。假設(shè)AIS 前一個(gè)時(shí)刻T1和后一個(gè)時(shí)刻T2采集到的位置信息分別為：(xA(t1),yA(t1))、(xA(t2),yA(t2))，在插值時(shí)刻T的AIS目標(biāo)位置為(xA(t),yA(t))。AIS內(nèi)插法轉(zhuǎn)換如下[10]：

同理，假設(shè)雷達(dá)目標(biāo)前一個(gè)時(shí)刻T3和后一個(gè)時(shí)刻T4采集到的位置信息分別為：(xR(t1),yR(t1))、(xR(t2),yR(t2))，在插值時(shí)刻T的雷達(dá)目標(biāo)位置為(xR(t),yR(t))。雷達(dá)外推法轉(zhuǎn)換公式如下：

2.3 航跡相關(guān)

航跡相關(guān)又稱(chēng)為航跡關(guān)聯(lián)，它是指雷達(dá)和AIS通過(guò)傳感器獲取兩個(gè)目標(biāo)航跡的相似程度。在研究航跡相關(guān)之前，首先要對(duì)二者目標(biāo)信息進(jìn)行處理，找到適合研究的屬性參數(shù)，需要對(duì)目標(biāo)屬性進(jìn)行選擇和設(shè)置。

由于雷達(dá)和AIS獲得的目標(biāo)信息有著相同的屬性，可以根據(jù)交叉的屬性來(lái)進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)。因此，該文選取本船與目標(biāo)船之間的距離和方位、目標(biāo)船的對(duì)地速度和對(duì)地航向作為研究航跡關(guān)聯(lián)的四個(gè)屬性[11-13]。

該文以距離屬性作為研究對(duì)象，航跡關(guān)聯(lián)步驟如下：

1）完成獲取雷達(dá)和AIS 目標(biāo)信息，提取相關(guān)屬性參數(shù)，位置統(tǒng)一，時(shí)間統(tǒng)一等數(shù)據(jù)預(yù)處理；

2）初始化多個(gè)雷達(dá)和AIS 目標(biāo)數(shù)據(jù)集，采集m個(gè)時(shí)刻的目標(biāo)位置信息，其思想是在m個(gè)時(shí)刻內(nèi)，從第i個(gè)AIS 目標(biāo)和第j個(gè)雷達(dá)目標(biāo)中選出一個(gè)整體相差最小的目標(biāo)航跡，即為相關(guān)航跡。其中，第i個(gè)AIS目標(biāo)位置數(shù)據(jù)如下：

第j個(gè)雷達(dá)目標(biāo)位置數(shù)據(jù)表示如下：

3）計(jì)算距離關(guān)聯(lián)度公式表示如下：

4）構(gòu)造在m個(gè)時(shí)刻內(nèi)，經(jīng)過(guò)關(guān)聯(lián)度計(jì)算處理后的AIS 航跡和雷達(dá)航跡的相似度矩陣如下：

5）找出相關(guān)航跡。取D11(m),D12(m),…，DMN(m)中使Dij(m)為最大值，記為Dijmax,Dijmax則為相關(guān)航跡。

2.4 點(diǎn)跡合并

該文采用數(shù)據(jù)融合中的加權(quán)協(xié)方差融合算法來(lái)實(shí)現(xiàn)權(quán)重值的選取。假設(shè)雷達(dá)和AIS 系統(tǒng)參數(shù)期望值為z，經(jīng)雷達(dá)系統(tǒng)得到的觀測(cè)值為zR，測(cè)量方差為，加權(quán)因子為wR；經(jīng)AIS系統(tǒng)得到的觀測(cè)值為zA，測(cè)量方差為，加權(quán)因子為wA，zR和zA相互獨(dú)立。設(shè)Z是雷達(dá)和AIS 融合后的系統(tǒng)測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)信息，并且須由zR和zA兩個(gè)觀測(cè)值決定，這兩個(gè)觀測(cè)值可由兩個(gè)不同傳感器所提供[14-15]。由此可得Z估值如下：

將上式對(duì)zR微分求最小值，得到最小均方誤差取值如下：

根據(jù)最小均方誤差值可以算出融合后的目標(biāo)航跡，其在m時(shí)刻四種屬性方差如下：

通過(guò)加權(quán)協(xié)方差融合算法進(jìn)行加權(quán)融合之后得到的四種屬性表達(dá)式如下：

3 融合仿真分析

2.3節(jié)已經(jīng)將雷達(dá)航跡與AIS 航跡關(guān)聯(lián)，為了檢驗(yàn)算法的有效性，對(duì)融合航跡做仿真處理。所用的模擬數(shù)據(jù)是在大規(guī)模船舶定位系統(tǒng)下模擬生成，系統(tǒng)數(shù)據(jù)是由AIS 和雷達(dá)站點(diǎn)做跟蹤和記錄。

為了便于研究，以雷達(dá)站點(diǎn)為本船中心，對(duì)地航度為0，現(xiàn)在采樣多部AIS 數(shù)據(jù)和雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)，找到航跡關(guān)聯(lián)度最高的數(shù)據(jù)，以3 s 為單位記錄生成一共25 個(gè)航路點(diǎn)，繪制成折線(xiàn)圖[16-17]，如圖3-6 所示。

圖3 AIS與雷達(dá)的距離融合

4 結(jié)論

圖4 AIS與雷達(dá)的方位融合

圖5 AIS與雷達(dá)的航速融合

圖6 AIS與雷達(dá)的航向融合

從仿真結(jié)果可以看出，AIS 數(shù)據(jù)相比于雷達(dá)數(shù)據(jù)更為精確，AIS 航跡與融合后的航跡較為接近，融合后的目標(biāo)數(shù)據(jù)也更加接近期望值，標(biāo)準(zhǔn)差更小。航跡融合后的距離、方位、航速、航向相比于雷達(dá)得到大幅提升，分別為64.49%、51.64%、69.71%、31.86%。相比于AIS 也分別提高了29.98%、32.17%、29.21%、21.38%。由此可見(jiàn)，雷達(dá)與AIS 信息融合不僅能夠提高單一導(dǎo)航不同傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的精確程度，對(duì)保障海上航行安全起著重要作用，同時(shí)也是未來(lái)航海領(lǐng)域的研究方向。