關于AIS與雷達數據融合技術的研究

康雋永 孫文杰

摘 要 雷達技術與AIS技術是船只航行中的重要導航技術，二者之間具有一定的差異性，在數據采集上也各有側重。本文先是簡單介紹了雷達與AIS技術，接下來分析了數據融合技術，最后簡單闡述了雷達與AIS數據融合的系統設計方案。

關鍵詞 雷達;AIS數據;融合技術

前言

對著生活水平的不斷提高，船只在我們生活中的作用也越來越明顯，雷達與AIS技術是船只航行的重要導航方式，二者各有優勢也皆有不足，在一定程度上這兩種技術是互補的，所有為了提高船只探測數據的精確性，提高航行的安全性，將這兩種技術進行融合，是一種非常有效的手段。

1雷達與AIS

1.1 雷達導航原理

雷達是水上導航的重要設備，船只通過雷達可以有效定位水下的障礙物，區分水下的運動物體以及固定物體，掌握障礙物的形狀以及大小，對障礙物進行精準的定位以及躲避，保證水上航行的安全。雷達定位的主要方式就是通過電磁波，使用天線對外發射電磁波，當前方存在障礙物時會將電磁波反射回來，這些反射回來的電磁波會被天線接收到，通過對發出接收到電磁波的時間，反射回來的角度等信息進行分析計算，就可以探測到前方障礙物的位置，當不間斷的發射與接收電磁波時就可以有效的探測船只航線，了解目標的形狀以及尺寸等信息。雷達在船只海上航行時測量的距離非常遠，且使用時基本不受天氣的影響，在船只上使用的十分廣泛，但是雷達也有其缺陷，首先雷達在使用時不能繞過障礙物測量，同時電磁波信號很容易受到磁場以及雷電等特殊天氣的影響，具有一定的局限性[1]。

1.2 船用自動識別系統AIS

AIS是船只自動識別系統，可以給船只提供導航定位，在航行中提供航速、航向以及與船舶航行有關的各種信息，這種技術更適合交通水域的動態指引，可以在屏幕上及時的現時各種信息，及時獲取其他船只的信息，也可以有效的監控氣象以及水文等外部環境信息，這對于船只航行時的全局掌握力有著很大的提高，也可以有效地對船只的軌跡進行預測以及安排，是形成更加順利。但是與雷達系統相比，AIS的局限性是顯而易見的，首先小型船只是不具備AIS系統的，這就給船只的航行帶來了一些隱患，同時這種技術的信號傳播具有一定的延遲性，也很容易受到各種意外因素的干擾，所以AIS技術雖然對船只的幫助更大，雷達系統也不不可取代的。

1.3 雷達和AIS結合的必要性

雷達和AIS是船只航行中兩種最重要的輔助裝備，二者之間的功能各有側重，而且功能之間也可以進行互補，將二者進行結合可以讓船只具有更強的探測能力，更穩定的航行性能以及更大的測量精度，可以說將二者進行結合可以使船只的探測性能有一個飛躍式的提升。像在雨雪天氣或者是海浪較大對于雷達造成影響時，就可以使用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，而當未安裝AIS的小型船只靠近時，雷達也可以做出有效的警告。實際上雷達的數據探測性能十分強大，遠遠高于被動接收信息的AIS系統，但是其顯示功能與動靜態信息預測功能又遠遜于AIS系統，所以將二者進行結合是十分必要的。

2數據融合技術

數據融合不是單純地將接收到的數據進行整合，這是一種非常復雜的技術，綜合了信號處理、數據統計以及自動檢測數據建模等多種技術，在進行數據融合時首先需要把多個傳感器接收的數據進行處理，對數據進行篩選以及整合，更加準確的計算出待處理的參數。對于不同數據接收器來說，接收到的數據是存在差異的，在進行不同源的數據處理時，需要先處理數據空間上的冗余，采用組合算法對數據進行處理后可以有效提高數據的精度，特別是不同數據源之間的數據互補時在精度上的提升是十分明顯的[2]。

3雷達與AIS數據融合系統設計

AIS技術與雷達技術的優缺點決定著二者之間的數據是可以互補的，在單一技術很難保證數據質量的前提下，將二者結合就是提高數據精度的有效方式。

3.1 系統體系結構設計

雷達與AIS技術都是能夠獲取多個方位數據信息的技術，二者采用的獲取信息的方式還具有差異性，所以為了將二者探測到的數據進行融合處理，首先就需要將二者獲取的數據轉化為相同的格式，即將二者獲取的數據轉換到同一坐標系上進行整合，這也是將數據進行融合的前提。同時也要將二者獲取的數據進行時間上的整合，保證接收到的數據是兩個系統在同一時間獲取的，這樣在進行數據整合處理時才能夠有效的提升數據的精確性，提升船只獲取數據的整體性能。

3.2 時空配準

為了保證將雷達與AIS技術獲取的數據在進行有效整合，保證二者獲取數據的時間在一個點上是非常重要的，而二者獲取數據的時間長度是不同的，這就需要采用一定的方式將二者的數據統一到同一時間長度上，可以采用最小二乘法的方式將二者的時間長度進行統一。同時在保證時間統一的同時，也要保證二者接收的數據能夠在同一個數學坐標系上進行處理，可以使用高斯—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。

3.3 航跡相關

雷達與AIS技術在測量數據對運動目標的數據追蹤上也是存在差異的，為了判斷二者測量的數據是否為同一個目標，判斷二者測量航跡的性慣性是一種有效的方式。所以在二者獲得一個物體的數據后，需要分別對其進行計算分析得到探測到的目標軌跡，將這兩個測算出的數據整合到一個坐標系中計算器相關性，確定是否為同一目標。

3.4 點跡合并

無論是雷達數據還是AIS數據都是存在誤差的，所以在整合兩種數據時才能夠提高數據的精度，所以在確定二者探測的數據是同一目標時就可以對兩者測算的軌跡進行合并，提高數據的精度。當然，在進行點跡合并時也需要對數據進行處理，根據二者之間的差異性給予不同的加權值，再使用穩態卡爾曼濾波，進一步消除了噪聲和算法引進的誤差，提高數據的精確性。

4結束語

綜上所述，將雷達與AIS技術進行數據融合是可行的，在數據整合時對于船只數據采集的精度是有著較大提升的，對于數據采集的穩定性也是有幫助的，這對于船舶的發展是有著很大的幫助的，也是未來船舶導航的新方向。

參考文獻

[1] 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（2）：12.

[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（2）：1-4.