船舶導航系統中雷達與AIS信息融合系統分析

申其兵

(中國船級社 溫州辦事處，浙江 溫州 325000)

維修理論

船舶導航系統中雷達與AIS信息融合系統分析

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(AIS)是集船舶導航、避碰、海事監管于一體的無線電系統，在水上交通運輸領域里發揮著重要作用。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據精度上存在差異性，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信息融合的實現方法，并描述了將其實現的具體過程。

雷達；船舶自動識別系統；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(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、航行的速度等動態信息，并能夠播發船舶的識別碼、名稱等靜態信息。位置信息是基于船舶上的衛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和導航雷達各有優缺點，在當前的情況下無法做到相互替代。因此，如何實現AIS和導航雷達的信息進行融合，以發揮二者的優勢，顯得越來越重要。

本文根據導航雷達提供的目標信息，以及AIS提供的目標動態信息和靜態信息，提出了一種信息融合的工程實現方法。該方法主要包括：時空統一(坐標變換、時間統一)、航跡關聯和航跡融合。經過信息融合，能夠實現雷達的目標識別，提高探測能力，提高目標探測的連續性。

1 雷達與AIS信息融合結構

根據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，分別進行數據預處理，然后送到融合中心。融合中心對各個傳感器經過預處理后的數據進行坐標變換、數據對準(時空統一)，然后進行點跡關聯，如圖1所示。集中式信息融合利用了各個傳感器的所有數據信息，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，分別進行數據預處理，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據對準，然后進行航跡關聯，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點:系統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，僅對航跡進行關聯和融合；系統可靠性高。

結合雷達和AIS的系統特點，選用分布式信息融合結構。

2 時空統一

2.1 坐標系

AIS提供的目標位置信息為WGS-84坐標系下的經度、緯度和海拔高度，即為地心大地坐標系下的數據。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 空間統一

AIS提供的目標位置信息是基于WGS-84坐標系的，用經度、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一。

將AIS的位置信息轉換到雷達坐標系中，完成空間統一，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數據轉換到雷達坐標系需經過以下幾個過程。

1) 地心大地坐標系轉到地心空間直角坐標系。AIS的目標數據TD(φD,JD,HD)為經度、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據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)

經過以上步驟，將AIS的位置數據轉換到雷達站心所在的球坐標系中，完成了AIS與雷達數據空間的統一。

2.3 時間統一

AIS的數據轉換到與雷達同一個坐標系，完成了空間的統一，為了進行融合處理，還需要時間統一。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的數據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的數據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的數據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

假設AIS目標數據在Ti(1≤i≤m,m為AIS目標的點跡數)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)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，粗關聯閾值的選取一般根據導航雷達、AIS的測量誤差，并結合經驗進行確定。根據下面2個步驟確定導航雷達與AIS信息粗關聯的判斷準則。

1)如果R,Ti≤R0，則時刻Ti的雷達目標j與AIS的目標相關聯。

2)否則，時刻Ti的雷達目標j與AIS的目標為不關聯。

確定了空間粗關聯后，進行AIS信息和導航雷達的航跡關聯。我們采用邏輯航跡關聯。關聯規則如下所示。

將連續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。如果雷達目標f(1≤f≤n)在T(T≤S)個時刻的空間粗關聯中都與 AIS目標關聯，則AIS目標與雷達目標f構成邏輯航跡關聯。S和T的選取一般根據導航雷達、AIS的測量誤差，并結合經驗進行確定。

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、協方差航跡融合、自適應航跡融合3種。由于雷達數據的更新率與AIS相差比較大，并且結合工程應用和數據處理速度，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

經過航跡關聯后，根據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，采用協方差加權融合算法。其中，門限值T1和T2根據系統可用資源對融合算法的影響和系統對融合航跡質量要求進行選取。

5 結束語

本文根據雷達和AIS各自的優勢，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、航跡關聯及融合，實現了雷達和AIS的信息融合。通過綜合的系統分析，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，主要從事船用產品檢驗工作。

2017-08-01

興船報國創新超越
打造精品做強主業