ARPA雷達與AIS數據融合的必要性和AIS-ARPA系統研究

袁富春

(武漢船舶職業技術學院，湖北武漢 430050)

隨著航海業的發展，船舶導航設備朝著更加先進和綜合性發展，但是目前SOLAS公約要求配備的船載導航ARPA雷達和AIS設備，在船舶導航功能上雖然各具優勢，某些方面可以互補，卻又不能完全替代，造成操作人員在設備操作上增加了勞動強度，有時會導致錯誤判斷，甚至導致海上事故的發生。如果能把ARPA雷達和AIS數據融合，達到性能綜合優化，應該是船載導航設備發展的將來趨勢。

1 當前船用雷達和船載AIS設備的功能

目前安裝在船上的導航雷達和AIS設備，都是按國際相關公約規范安裝的重要導航設備，操作人員通過利用這些設備提供的數據，可以判斷自己船舶所在位置，分析本船與目標之間的態勢，運用良好船藝提前合理規避緊迫局面發生，確保船舶水上交通安全與航行環境安全。

1.1 船用雷達功能

國際海上人命安全公約要求：所有客船和300GT及以上船舶必須安裝X波段雷達，所有1萬GT及以上的船舶，應安裝兩臺雷達(其中至少有一臺為X波段)，并且要求其中至少一臺雷達必須具備目標自動標繪(ARPA-automatic radar plotting aid)功能，還應具有試操船功能，可自動標繪至少20個目標能力，用于船舶導航行動。

船用雷達是航海人員用來進行獲得本船位置和引導航行、避免船舶發生碰撞的重要航海設備。雷達波經雷達天線輻射窗口向外輻射，遇到目標反射回來，這種反射回來的雷達波在雷達屏上形成視頻回波信號，只能獲得目標回波的方位和距離數據。外接GNSS設備的ARPA雷達，以公共參考點CCRP(Consistent common reference point)作為計算參考點，將目標的方位和距離轉化成平面顯示的數字化經緯度位置信息，供雷達操作人員讀取和對態勢分析判斷。被捕獲和穩定跟蹤的目標，經由雷達CPU運算后，還能在雷達屏上顯示該目標的運動數據(包括矢量方向和大小)。船舶駕駛員即可通過對目標的數據分析、判斷，果斷采取相應的船舶操作行為。

1.2 船載AIS的功能

對于所有客船和300GT及以上的貨船(從事國際航線航行)，都應嚴格遵守國際公約強制規定，船上必須安裝AIS(Automatic Information System)設備，公約并且要求從事國內航行500GT及以上的貨船也不得晚于2008年7月1日強制安裝AIS設備。

操作人員可以通過本船AIS設備讀取目標船(安裝有AIS設備)的靜態信息數據、動態信息數據和航次相關數據，直接獲取目標的運動態勢。如果AIS與ARPA雷達通過端口數據連接，操作人員還可以直接在ARPA雷達數據窗中讀取AIS數據信息，通過目標船的AIS數據信息分析目標船的態勢，決定該采取何種避讓行動。

2 ARPA雷達與AIS數據融合的意義

2.1 目前兩種船載導航設備的局限性

船載ARPA雷達目標數據是雷達波所探測到的目標的反射回波信號，天線向外輻射的雷達波受到外界干擾導致功率衰減或者信號被遮擋時，例如海浪干擾、雨雪天氣或者雷達盲區，雷達將無法獲得目標回波信號，雷達回波信號具有一定寬度；經由ARPA雷達捕捉目標，計算出目標的軌跡和運動態勢，然后在雷達屏上顯示出目標的運動矢量，所捕捉目標的運動矢量的始點往往在目標反射面最強處，如目標船的上層建筑比較密集的生活區部分， 矢量大小和方向表示目標運動速度和運動方向(包括相對運動或者真運動)。這種軌跡捕獲計算出的數據和目標真實運動之間有一定的延時性，尤其目標快速轉向時，雷達無法及時顯示。并且，當接近同方位(通常認為在方位夾角在5度以內時)的兩個或者多個目標距離太近，雷達回波將對這種目標無法分辨開來。

AIS數據是通過目標安裝的AIS設備主動發送無線電波傳輸過來的，包括船舶技術資料靜態數據、本航次相關數據和船舶當時運動狀態的數據。船舶運動狀態的數據由與目標船AIS設備連接的傳感器提供，例如GNSS(全球導航衛星系統)提供位置和速度數據、電陀螺羅經提供航向數據、船用計程儀提供速度信息、傳感器向AIS提供旋回速率動態數據等。所顯示的目標船矢量始點在目標船AIS設備天線安裝的位置，目標顯示只是一個點，為了方便觀測，以這個目標點為中心，外切一個等腰銳角三角形。AIS信號因為通過無線電波傳輸，不受氣象和盲區影響，只要對方安裝AIS設備并且在正常工作狀態，本船都能收到對方的AIS信號。但是AIS信號是通過VHF(甚高頻波段)傳輸，會受到作用距離的限制，通常是30海里左右，同時，目標船的狀態決定AIS信息播發的時間間隔，見表1。

表1 A類AIS信息更新間隔

2.2 AIS與ARPA數據融合的必要性

ARPA雷達天線掃目標時，目標回波最強處為ARPA雷達目標的矢量始點，而AIS數據顯示的矢量始點在目標船AIS設備天線安裝的位置，在同一個顯示屏上，同一個目標矢量始點顯示的位置有時候會不重疊。這種同一個目標矢量始點不一致的現象，會導致出現兩個矢量始點，兩個矢量線，兩個矢量方向，使操作人視覺上混淆成兩個目標，甚至會造成錯誤判斷，給船舶安全操縱帶來危險。如圖1所示。深色圓圈是ARPA雷達捕捉目標矢量始點，深色箭頭為目標矢量方向和運動速度大??；淺色為AIS矢量始點，淺色箭頭是目標矢量方向和運動速度大小。

圖1 雷達-AIS目標圖

3 建立AIS-ARPA系統的意義和可行性

AIS-ARPA系統是本文提出的一套新的導航系統，將AIS數據與ARPA雷達數據通過電氣化的有機融合，獨立輸出顯示的船舶導航系統。新系統結合了AIS與ARPA雷達的各自優勢，在穩定度、精準度、實用性方面的優越性能大大提高，可以減輕船舶駕駛員的工作強度，增強工作效率和改善導航數據的精確性。

3.1 數據融合技術的可行性

數據融合技術就是把多種傳感器如陀螺羅經、GNSS(如GPS、北斗等)、船用計程儀、雷達和自動信號識別系統(AIS)等傳輸過來的數據進行檢測、關聯、估計與融合的集成處理，從而獲得更準確的數據。因為來自不同傳感器，信息數據源會有冗余，但也會有互補，通過數據的合理融合后，得到的信息數據會比單一傳感器的數據精度高。雖然多傳感器數據中會出現局部數據的不確定性，或者有時也存在局部數據多變性，但是各個傳感器數據源之間的互補性，可使得各個傳感器在數據融合后，能大大提高系統數據測定的精確度。

數據融合方法一般采用加權平均、貝葉斯估計、多貝葉斯、神經網絡、卡爾曼濾波、模糊邏輯法等方法。目前，連接了GNSS(全球導航衛星系統)和電陀螺羅經的ARPA雷達和AIS設備都具有經緯度數字輸出功能，本文采用最簡單的GNSS數據加權平均法解決目標船的公共參考點、航跡融合和信息輸出問題。

圖2 AIS-ARPA系統數據融合技術模型

3.2 參考點融合技術

目前商船上ARPA雷達天線旋轉速度在20-40 RPM,每分鐘至少有20次掃描到同一個目標，即可獲取20次同一目標的GNSS數據(φr，λr)，按表1中規范的AIS性能技術指標，目標船AIS最長每3分鐘傳輸一次GNSS數據(φa，λa)，AIS-ARPA系統將ARPA雷達捕獲目標的GNSS數據和目標船傳來的AIS數據進行存儲預處理，兩組數據在3分鐘內發生的坐標距離變化不超過50米，即可認定為同一目標，將兩組數據按每分鐘加權平均處理得出目標運動矢量位于WGS-84(適用于GPS)的坐標系上參考點(φo，λo)。

采用時間對準的方法[1]：ARPA雷達采樣時刻N個序列T個：TRj=tRj1, tRj2, ...tRjT(j= 1,2, ...,N) ,AIS采樣時刻M個序列F個：TAi=tAi1, tAi2, ...tAiF (i= 1,2, ...,M),選取|tRi-tRi-1|與|tAi-tAi-1|(i=1,2,...,n)這里的基準采樣時刻，應該以最小的那個傳感器的各采樣時刻為準。

3.3 航跡融合技術

對ARPA雷達和AIS傳感器輸入目標信息數據加權平均處理，φo1=((φrt1+φrt2+...+φrtn)+(φat1+φat2+...+φatm))/(n+m),λo1=((λrt1+λrt2+...λrtn)+(λat1+λat2+...+λatm))/(n+m),航跡融合(φo1，λo1)。其中2sec≦t≦180sec,t=2sec作為倍增基數，m

根據表1，ARPA雷達獲取目標數據更新比AIS數據更新快且快得多，實際情況需要結合工程應用和數據的處理速度,也可以綜合采用自適應航跡融合算法[2]。傳感器數據融合后還需要穩態卡爾曼濾波，繼續消除因為噪聲和算法引起的誤差[3]。

4 結 語

本文根據船用ARPA雷達和AIS設備在航海中實際使用的重要性，提出解決數據融合的方法，設計出一個數據融合的AIS-ARPA導航系統，可以實現設備優勢互補，提高導航精度，減輕操作強度，提高工作效率，為航海操作人員作出精確判斷提供有效幫助，對確保船舶和水上環境的安全有著極其重要的意義。