基于相位差分技術的智能無人船測試場景構建方法

陳天宇，許凱瑋，徐 力，胡 瓊

(1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2.深海科學技術太湖實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引言

自2012 年起，國內外船舶工業和航運業對智能船艇的關注持續上升，國際主要船級社先后發布了有關智能船舶的規范或指導性文件。2018 年4 月，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）第99 屆海事安全委員會明確了發展水面自主航行船舶，并啟動國際航運法規的梳理和修訂工作。2019 年6 月，IMO 發布了《水面自主船舶試航暫行指南》，明確了水面自主船舶的試航要求，以保障其試驗的安全和效率。

作為航運大國，我國也積極推動智能船舶相關技術的發展。近年來，中國船級社緊密圍繞“智能船舶/無人船舶技術”方向，積極開展相關研究，在智能船舶風險評估、關鍵技術研究、規范標準編制、測試驗證平臺研制、實船檢驗驗證、實驗室建設等方面積累了豐富的經驗，取得了重要成果。2015 年以來，前后編制發布了如下規范及指南文件[1–2]：

1）《智能船舶規范》2015 版、2020 版；

2）《船舶網絡安全要求及評估指南》2017 版、2019 版；

3）2017-2018 年先后發布智能船舶系列指南：《智能機艙檢驗指南》《智能能效檢驗指南》《智能集成平臺檢驗指南》《智能貨物（液貨）檢驗指南》；

4）2018 年發布《無人水面艇檢驗指南》；

5）2018 年發布《自主貨物運輸船舶指南》。

在此基礎上，中國船級社先后完成了智能散貨船、智能集裝箱船、超大型智能礦砂船、超大型智能油船的實船應用及檢驗驗證。隨著智能船舶功能研發、產品定型、檢驗認證等方面研究的逐步深入，對其測試驗證評估技術研究的需求日益增強。目前，各國正積極探索智能船舶測試與驗證評估技術，以滿足對智能船舶航行安全核定和自主能力分級的需求。

目前，智能船艇測試驗證技術仍處于發展初期階段，尚未形成明確的安全性測試標準體系。環境復雜度、任務復雜度、航行穩定性和自主性、網絡通信可靠性等均需作為安全性測試驗證評估的重要指標。因此，明確測試項目，細化測試內容，形成規范化的智能船艇測試流程，對低風險、大規模、高質量實施船艇測試驗證的推廣至關重要。

在實際海洋環境下，現有的測試場景和測試方法存在智能無人船及陪試物定位信息的測量結果誤差較大的問題。相位差分相比于偽距差分和位置差分具有明顯的優勢，將相位差分技術與船岸海通信技術相結合，可通過岸基基準站極大的提高封閉水域試驗場內各載有相位差分接收機的參試物的定位精度，誤差量級為厘米級，甚至在近岸基線長度處于特定范圍內時，定位測量值單位可達毫米級。

本文首先通過對比不同衛星定位差分技術，詳細介紹相位差分的優勢以及選擇該技術作為智能無人船測試場景構建核心技術之一的原因。其次，介紹智能無人船測試場景構建的具體方法，包括場景組成、工作流程、數據采集以及測試要素。最后，介紹幾種典型的場景構建方案和具體測試內容。

1 多GNSS 技術適用性分析

利用全球衛星定位系統實現船舶海上航行期間航速和航跡測試一般使用位置差分測速、多普勒觀測值測速、偽距差分測速和載波相位差分測速等方法。目前，國內外一般使用位置差分定位測速、多普勒觀測值定位測速和偽距差分定位測速進行實艇海上測試。位置差分是對定位結果進行差分來獲得精確定位和速度信息，標準定位服務（standard positioning service，SPS）定位精度為米級，測速精度在分米級；精密單點定位是利用用精密星歷和精密鐘差來 實現精密單機定位，目前IGS 所提供的精密星歷的精度約為2～5 cm，鐘差精度約為0.1～0.2 ns，可以實現任意位置分米級的單點定位，且由于精密單點定位系統無法每時每刻獲得穩定可靠的定位結果，滿足不了實時高精度的定位需求。

偽距差分定位方法是利用偽距及廣播星歷的衛星軌道參數和衛星鐘改正數來實現定位的，由于偽距的觀測噪聲也有幾十厘米，而且廣播星歷的軌道誤差也有幾米，衛星鐘差的改正數精度為幾十納秒，因此浦東單點定位的坐標分量精度大約為10 m[3–6]。

載波相位差分測速方法是對相鄰歷元間的載波相位觀測值進行差分，歷元差分后削弱了電離層、對流層的影響且只需廣播星歷，利用單臺RTK 接收機就可以實現毫米級定位。

載波相位差分由于需要建立固定基站進行差分計算，因此，一般不用于遠洋船舶航行使用，但智能無人船測試場一般由于需要進行岸基技術支撐，并在確保安全的前提下，一般在近海范圍內進行構建，所以載波相位差分完全適用于智能無人船的場景構建。同時，基于載波相位差分技術，可以對測試場景內，全部陪試物進行精確位置、場景態勢監測。其原理是，基于岸基建立載波相位差分基站，在所有試驗場內陪試物上安裝載波相位差分接收器，對各個陪試物位置進行相鄰歷元間的差分計算，確保試驗場內所有參試物實時定位精度在2 cm 以內[7]。

2 智能無人船測試場景總體架構

智能無人船測試場景一般包括智能/自主航行測試場景和自主作業測試場景兩類。智能/自主航行場景一般包括被試船/艇封閉水域測試場景，即所有陪試物均為合作目標，包括陪試船、保障船、礙航物等試驗海域內全部信息，根據智能無人船實際航行要求，圍繞“智能無人船-障礙物-規劃路線”三者之間的關系，構建不同的場景集，用于驗證智能無人船自主航行效能。通過載波相位差分技術，可以在岸基建立載波相位差分基站，配備高增益天線，可以覆蓋半徑20 km的試驗水域，實現精度2 cm 的高精度海上定位?；诒辉囍悄軣o人船和陪試船上搭載的船載數據采集終端和陪試浮標搭載的小型定位裝置，可以構建滿足各種復雜測試科目設定下的智能無人船性能測試、自主航行功能調試、智能控制算法優化需求，為不同種類綜合感知系統、自主航行控制系統及智能無人船自主航行效能等提供測試驗證[8–11]。

2.1 智能無人船測試場景構成

智能無人船測試場景構建通過建立岸基基站，實現被試智能無人船、岸基、靜態陪試浮標、動態陪試船只等信息集成[12–13]。

智能無人船測試場景可以覆蓋智能無人船自主航行系統應用的不同場景和真實環境，測試要素如海洋環境信息、被試智能無人船的感知信息、航行信息、操控信息、陪試船的航行信息、操控信息和陪試礙航物的位置信息等監測信息可以被同步監測，部分要素如陪試船的預設航行路線，部分可臨時布放回收的礙航物以及試驗海域的起止點和預設航線可重復設置或調整，確保同一場景下可適用于多個測試任務。智能無人船的避碰態勢、場景繁多且復雜，為了保證場景測試結果能真實反映智能無人船的自主避碰能力，每個場景的設置都應具有明確的測試目的。測試場景應能夠較為全面地反映被測對象的整體性能和特征，能從多個維度和層面綜合的測試被測對象的能力。標準化避碰場景的構建應充分測試出智能無人船涉及避碰的各方面能力包括應對各現實中常見、突發事件的能力。場景的構建應該充分考慮場景構建的可行性、成本、效率，設置的場景不能無法用陪試船和陪試物實現，也不能消耗太多的陪試物資源導致現有的場景無法構建。此外測試場景應該在有限且可接受的時間范圍內對被試船進行較為全面的測試。每個場景的設置都應具有明確的測試目的，不應該設置幾乎無差別的、矛盾的、互為因果的場景，從測試目的的角度出發，每個場景都是相互獨立的。

2.2 智能無人船自主航行測試流程及數據分析

針對智能無人船某一效用選取典型測試場景，基于固定礙航物設定被試智能無人船航行軌跡后，布放臨時礙航物并設置陪試船巡航路徑。確定障礙物最小安全距離，確保智能無人船與障礙物安全。智能無人船啟動后，控制各個陪試船按預定航線對被試船進行干擾，直至被試船航行至指定位置（終點或終點一定范圍內）試驗終止。智能無人船按照指定路徑航行期間未與陪試船或礙航物發生碰撞或進入最小安全區域內，則試驗成功，否則試驗失敗。記錄相關參數。

針對不同類型的智能無人船用戶需求，智能無人船具有不同的功能設計，這就要求測試場景能將被試目標智能無人船功能要求解耦冰量化成可供分析的測試指標，并完成相應的測試場景。其中，自主航行可作為智能無人船的共性指標，構建的智能無人船測試場景目前主要考核智能無人船的自主循跡與避障能力。需基于載波相位差分技術實現被試智能無人船/陪試物的航跡、航向、航速等信息實時測量并同步監測風浪流等海洋環境信息。通過船岸通信系統將以上所有信息傳輸至岸基平臺匯總。通過分析被試智能無人船的航行時間T、與各個障礙物之間的最小距離Dimin、平均拐角θav、與預設航跡的最遠偏離值Dmax和平均偏離值Dav等指標，通過加權分析，可以得到被試智能無人船的綜合評分。

其中，實際總的航行距離應不超過智能無人船規劃航路總長為直徑的半圓長度，與各個障礙的最小距離應大于最小安全距離，采用的避讓方法滿足《國際海上人命安全公約》附件2 中國際海上避碰規則的要求，礙航物或陪試船出現在必過點時被試智能無人船的航行策略實時判斷完成剩余航程；ki(i=1,2,3,4)是每個指標的權重系數，P的值越大，則表示智能無人船自主航行完成的質量越高。

3 智能無人船典型測試場景

3.1 規劃航路典型測試場景

選取真實典型航道進行解耦，通過航道多邊形平滑預處理進行邊界條件設置，包括提取拐點、刪除鋸齒邊、插值和平滑等方法。然后基于平滑的航道多邊形生成三角網并對三角網中的圖形進行過濾和分類，最后基于分類后的圖形設計提取航道中心線和海洋真實航道網提取航道[14–16]。通過陪試浮標和陪試船構建上述典型測試場景，實現智能無人船自主避碰測試。靜態礙航物布置于預定航跡、2 個或多個動態礙航物分別以對于、追越、交叉等方式不斷在測試場景內航行并干涉預定航跡，滿足智能無人船復雜環境下自主航路規劃以及自主避障的場景驗證。布置圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 多目標連續避障場景（路徑1）Fig.1 The sea trial scenarios based on multi-obstruction for obstacle avoidance test (Path 1)

圖2 多目標連續避障場景（路徑2）Fig.2 The sea trial scenarios based on multi-obstruction for obstacle avoidance test (Path 2)

圖3 狹窄水道航行測試場景Fig.3 The sea trial scenarios with narrow channel

3.2 狹窄水道典型測試場景

設置狹窄水道避障試驗主要有以下2 方面考慮：

1）當前智能無人船在經過典型狹窄航道期間，配備的航海雷達對岸線處的虛警濾波處理效果不理想，近岸航行時，會出現較多假目標信息，嚴重干擾正常航行決策。設置狹水道航行科目，可進一步驗證智能無人船感知系統對航海雷達假目標的濾波處理能力，以及是否具備狹窄水道自主航行的能力。

2）在智能無人船避碰決策算法中，除對船艏向進行修正外，在必要時還應對船舶航速進行適當調整，同時，在有限范圍內即狹窄水道等典型場景下，設計需對航速航向同時進行必要調整的避碰場景，驗證避碰算法在必要時對航速進行動態調整的決策效果。

設置如下必過點與陪測試船出發點，通過多個浮標構建典型狹窄水道，結合陪試船共同組成狹窄水道自主航行測試場景。報驗航線規劃以穿過浮標參考位置進行同時避障設計，被測艇自起點出發，經必過點，向狹水道外的終點航行，陪測艇在被測船過點必過點后，與被測艇構成交叉相遇、對遇，以及追越與被追越航行態勢，對被測艇正常航行進行干擾。

4 結語

基于載波相位差分技術構建的近海智能無人船自主航行測試場景，可實現測試場內被試智能無人船、陪試礙航物和陪試船精確定位，有助于智能無人船自主避碰測試分析。同時，通過固定式礙航物、臨時布放回收礙航物以及多條陪試船，可構建多種復雜環境以及類真實航道場景下的自主避碰場景，實現被試智能無人船自主航行系統避碰效能的充分驗證。