邢旭峰 ，謝仕義 ，黃妙芬 ，楊光照 ，黃 山

(1.廣東海洋大學，廣東 湛江 524088；2. 湛江海蘭寰宇海洋科技信息有限公司，廣東 湛江 524088）

Radar（雷達）是無線電探測和測距裝置（Radio detection and ranging）的英文縮寫，它是利用自身發(fā)射電磁波和接受回波所產(chǎn)生的時間差來提取目標的動態(tài)信息，在船舶航海的測定船位、引航和避碰等方面中得到了廣泛應用[1]。導航雷達是一種主動探測設備，其優(yōu)勢是不需要在海上目標上加裝相應設備，就能主動對這些目標進行搜索和跟蹤，但存在測量精度不高的缺點。在國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）中有規(guī)定，船用雷達測量距離的誤差不能大于所用雷達最大量程的1.5%且不能超過70 m，由此可以看出雷達提供的距離誤差還是比較大。另外，當多個目標聚集在一起，雷達測量過程中可能無法做到準確的目標識別[2-4]。船舶自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，AIS），是指一種應用于船與岸、船與船之間的海事安全與通信的新型助航系統(tǒng)。安裝有AIS 設備的船舶能夠自動向外提供自身當前的位置信息、航向、航速等動態(tài)信息，也能提供本船呼號、海上移動服務標識（Maritime Mobile Service Identities，MMSI）、船名以及IMO 編碼等靜態(tài)信息，AIS 提供的位置是基于GPS 的定位，所以信息精度穩(wěn)定在5～30 m 之間[5-6]。其優(yōu)勢是在船舶密集的地方能根據(jù)MMSI 識別出目標，但如果海上目標沒有安裝AIS 設備或者關(guān)閉時，目標的行動就不能被跟蹤。綜上分析可見，在對海上目標進行探測與跟蹤時，將雷達與AIS 結(jié)合使用將能發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。

目前，在我國近海海域活動的船舶，并不是所有都會安裝AIS，海上非合作船舶（稱為“三無”漁船，即無船名船號、無漁船證書、無船籍港的漁船）的占比還是比較大，增加了海上安全的管控難度，因而迫切需要對海上目標實時動態(tài)監(jiān)測。目前我國采用的海洋環(huán)境監(jiān)管方式多種多樣，例如通過星載合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）、機載SAR 和海岸雷達基地（導航雷達和高頻地波雷達）進行監(jiān)測。星載SAR 可大面積監(jiān)測，但時間和空間分辨率有限[7-8]；機載SAR 有較高的分辨率，但易受天氣的影響；岸基雷達與AIS 的相互配合使用不僅彌補了星載SAR 的非實時性，而且避免了機載SAR 受環(huán)境影響的限制，為此廣東省在全省近岸已布設了58 座雷達站，構(gòu)成了岸基雷達網(wǎng)。每座雷達站由雷達傳感器、AIS 接收天線和起著閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)（Closed Circuit Television，CCTV）作用的光電攝像設備三者構(gòu)成，能對近海20 kn 海上目標實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)測[9]。

關(guān)于雷達和AIS 信息融合算法已經(jīng)有不少研究[10-12]，主要集中在位置融合（特征集融合）方面[13-16]。另外，關(guān)于雷達與AIS 信息融合主要集中在常規(guī)雷達和海事船舶交通管理系統(tǒng)（Vessel Traffic Service，VTS）等，常規(guī)雷達可跟蹤的目標個數(shù)一般在100 個以內(nèi)，海事VTS 雷達可跟蹤的目標個數(shù)一般在500～1 000 以內(nèi)，總體看運算量都不算大[17]。廣東省岸基雷達網(wǎng)中單個雷達站能夠跟蹤3 000 個以上目標，且多級聯(lián)網(wǎng)后監(jiān)控的目標數(shù)可達5 萬個以上，融合算法中涉及的運算量比較大。廣東省岸基雷達主要針對近海20 kn 范圍內(nèi)的海域，在這個海域的特點是小漁船多，情況更加復雜并涉及輔助執(zhí)法問題，所以高精度的軌跡融合對于取證和精準執(zhí)法起著至關(guān)重要的作用。本文基于岸基雷達站的雷達傳感器和AIS 接收天線獲取的數(shù)據(jù)，提出一種適用于目標較密集的近海海域的AIS 與雷達目標信息的融合算法。

1 數(shù)據(jù)獲取

1.1 岸基雷達站構(gòu)成

岸基雷達站由雷達設備、雷達處理主機、光電攝像設備（CCTV）、AIS 接收天線等組成。其中。雷達、CCTV、AIS 天線架設于室外，雷達數(shù)據(jù)處理機和安放在室內(nèi)。

雷達設備采用由意大利AIDOS 公司生產(chǎn)的型號為Aidos 導航雷達，其技術(shù)參數(shù)如表1 所示。該設備具有以下特點：（1）采用智能海雜波統(tǒng)計與抑制方法，可適用于不同海況、船型、安裝高度等，方便調(diào)試和使用；（2）獨立的雷達海圖，可作為備份的電子海圖與顯示系統(tǒng)（Electronic Chart Display and Information System，ECDIS）使用。

AIS 采用新陽升科技生產(chǎn)的型號為NAR-1000的接收機，包括VHF 天線和饋線。該設備具有以下性能特點：（1）可安裝在陸上，也可以安裝在船上；（2）內(nèi)含兩個TDMA/DSC 接收機，可以在默認頻道和基站控制的任何頻道上工作；（3）能接收并解析所有通用船載 AIS（A 型）、其他船載 AIS（B 型）、航標 AIS 以及 AIS 基站發(fā)送的數(shù)據(jù)；（4） 符合 IEC 62287-1，IEC61108-1，IEC 60945，IEC 61162-1，ITU-R M.1371-5，ITU-R M.825-3 等國際標準。技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表1 Aidos 導航雷達主要技術(shù)參數(shù)*

1.2 基本數(shù)據(jù)的獲取

近海雷達與AIS 信息融合的算法中主要涉及到的基本參數(shù)包括目標位置、航速、航向、大小和航跡。

1.2.1 雷達探測的目標信息 雷達的目標位置數(shù)據(jù)來源于雷達回波，是回波經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換、檢測后形成的目標中心點位置數(shù)據(jù)。這些位置數(shù)據(jù)不是用經(jīng)緯度來表示，而是用雷達到目標的距離RT和雷達到目標連線與水平線之間的夾角θt來表示，因而是一種相對的位置信息。

導航雷達所發(fā)射的電磁波在空間是直線傳播的，遇到目標時會反射回來。將雷達測量的發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間差tr，代入式（1）即可計算得到雷達到目標的測量距離RT。

式中：RT為雷達與目標的距離，m；C為電磁波在空間的傳播速度3×108m/s；tr為電磁波往返于天線與目標之間的時間，s，即發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間差[2]。

雷達數(shù)據(jù)處理輸出的目標航速與航向不是由配套的傳感器確定的，而是通過雷達目標自動跟蹤處理中的航跡外推、航跡相關(guān)等形成的目標航跡線計算出來的，由于與目標的歷史位置數(shù)據(jù)有關(guān)，所以存在一定的“滯后”，但由于船速比較慢，所以這種滯后對船舶航速的確定精度影響不會很大。

雷達數(shù)據(jù)處理輸出的目標長度是通過對目標標繪計算得出。在岸基雷達站中，會給出估算的目標長度，同時還會給出該目標估算的最小長度和最大長度。由于根據(jù)雷達探測的長度數(shù)據(jù)誤差比較大，因為在進行融合時不做目標長度判斷。

1.2.2 AIS 探測的目標信息 安裝在船舶上的AIS系統(tǒng)所提供的位置信息是基于WGS 84（World Geodetic System，1984）坐標系，該信息是為全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）的使用而建立的坐標系統(tǒng)。在AIS 系統(tǒng)中目標物T 的位置用經(jīng)度J、緯度 φ 和海拔高度H，即（J，φ，H）來表示，是一種絕對的位置信息[2]。

在AIS 系統(tǒng)，海上目標的航速和航向等航跡信息分別是通過配套安裝的電羅經(jīng)（航向）和計程儀（航速）等設備來輔助確定的，而船舶尺寸（船長、船寬）和GPS 天線相對于船舶的位置等信息都是通過人工置入的船舶實際數(shù)據(jù)。

2 雷達與AIS 位置信息融合算法

2.1 預處理

預處理過程主要包括對AIS 探測目標以及雷達探測目標進行時空統(tǒng)一。

2.1.1 空間配準 由于雷達系統(tǒng)和AIS 系統(tǒng)分別都能同時探測多個目標，且這兩種系統(tǒng)所輸出的位置信息所基于的坐標系是不同的，因此，在進行數(shù)據(jù)融合時，首先要做的工作就是進行空間配準，把兩者都變換到同一個坐標系統(tǒng)中來。

雷達獲取的位置信息是基于雷達站心坐標系統(tǒng)，AIS 獲取的位置信息是基于WGS 84 坐標，需要將兩者的坐標統(tǒng)一。目前關(guān)于雷達與AIS 信息融合結(jié)果，主要是借助雷達系統(tǒng)進行顯示，因而常規(guī)的做法是將AIS 的WGS 84 坐標轉(zhuǎn)換為雷達站心坐標。而岸基雷達系統(tǒng)中AIS 與雷達目標融合后的信息最終數(shù)據(jù)是顯示在基于WGS 84 坐標系的海圖上，因而本文采用的辦法是將雷達站心坐標轉(zhuǎn)換為WGS 84 坐標[18]。

在安裝雷達站時，會用GPS 給出雷達站所在位置的大地坐標，并輸入到系統(tǒng)中。假設某個雷達站位置的大地坐標用（λ0, φ0）表示，雷達探測目標的距離用Rt表示，雷達到目標連線與水平線之間的夾角用θt表示。已知本初子午線約為40 075 km，所以在相同經(jīng)度上的緯度每間隔一度距離相差111.3 km，而在相同緯度上的精度每間隔一度相差111.3 km×cos(φ0) km。首先根據(jù)式（2）和式（3）可分別計算兩點在同一經(jīng)度上的緯度距離差φd（km）和在同一緯度上的經(jīng)度距離差λd（km）。

然后再根據(jù)式（4）和式（5）計算經(jīng)、緯度的偏移量 λda和 φda(km)

最后將偏移量 λda和 φda代入式（6）和式（7）就可計算出目標所在位置的經(jīng)緯度（λ，φ），完成將雷達系統(tǒng)的目標坐標轉(zhuǎn)換成WGS 84 的經(jīng)緯度格式。

表3 自主模式下AIS 信息更新率

2.1.2 時間統(tǒng)一 雷達目標航跡的更新取決于雷達的天線空間掃描周期，Aidso 導航雷達掃描一圈需要2 s，也就是說，雷達目標航跡更新速度是2 s，而且整個工作過程中都是恒轉(zhuǎn)速的。AIS 航跡更新時間不是固定的，取決于船舶的運動狀態(tài)，在自主模式下其更新率為2 s～10 min，如表 3 所示[19]。需要說明的是，由于AIS 發(fā)送信息需要耗能，所以在一些情況下，船主會自己設置更新率，那么該船舶信息更新率就不遵循表3 的約定了。

顯然，雷達和AIS 二者獲取的同一目標的動態(tài)信息更新率不是同步的，所以必須對兩者的時間進行統(tǒng)一。

假設：（1）雷達所探測時間為t，AIS 采用間隔為T；（2）AIS 在第nT和第（n+1）T時刻有與雷達對應時間段的探測值，且nT＜ t ＜（n+1）T；（3）AIS 在nT時刻的采樣值為Xn，在（n+1）T時刻的采樣值為Xn+1，在 t 時刻的值為Xt，根據(jù)式（8）可求出Xt。

根據(jù)式（8）將AIS 的數(shù)據(jù)外推到雷達的探測時刻t上，完成了時間上的匹配。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。岸基雷達站主要觀測近海25 kn 的海上目標，在這個海域內(nèi)船舶的速度一般都在0～14 kn 之間，由表3 可見，船舶自動模式下的時間報告間隔為10 s?？紤]到實際情況下，10 s 船舶的變化軌跡不會很明顯，因而在進行時間統(tǒng)一時取1 min 的時間間隔。

2.2 目標融合算法

對于近海區(qū)域，由于海洋經(jīng)濟活動的需求，因而船舶的密度比較大。為了減少融合的工作量和提高效率，可先對探測范圍內(nèi)的區(qū)域進行分塊處理，因為特定的船舶信息只能與它周圍一定范圍內(nèi)的船舶信息有關(guān)聯(lián)，所以沒有必要將整個水域的船舶信息進行關(guān)聯(lián)處理，這就需要進行距離粗關(guān)聯(lián)判斷[20]。在一些情況下，在短時間內(nèi)，雖然兩個目標的距離在給定的閾值范圍內(nèi)，但兩者的速度不同，應該確定為兩個獨立的目標。為此，提出的岸基雷達站目標融合算法是基于以下方面的參數(shù)：（1）目標位置相關(guān)性；（2）目標運動特性相關(guān)性；（3）目標歷史軌跡相關(guān)性。如果以上參數(shù)中的任何一個不相關(guān)，目標不會進行融合。具體融合流程如圖1 所示。

圖1 所采用的是經(jīng)過時空配準的數(shù)據(jù)集，圖中的limit-i（i=1,2）表示針對不同參數(shù)所設置的閾值。分析圖1 可以看出整個具體流程主要分為3 個步驟，包括目標位置、速度和航跡關(guān)聯(lián)等。

首先，進行目標位置判斷。在某一時刻t，AIS 探測的目標和雷達探測的目標的位置歐氏距離用η1(t)表示，則有

式中：η1(t)為目標位置的歐氏距離，λi(t)、λj(t)、φi(t)、φj(t)分別為在t時刻通過AIS 和雷達探測的目標的所在的經(jīng)度和緯度值。本文設定兩者位置的最小緯度偏差為0.000 1°，最小精度偏差值0.000 1°，則閾值 limit-1 可設定為 15 m。當 η1(t)＜=limit-1 時，則轉(zhuǎn)入下一步進行航速判斷；否則，則認為是兩個不同的目標，不進行融合。

其次，進行速度的判斷。假設AIS 探測的目標航速用Vi表示，雷達探測的目標航速用Vj表示，航速的歐氏距離η2(t)可用式（10）求出：

根據(jù)經(jīng)驗，可設定閾值limit-2=0.2 kn。因此當η2(t) ＜=limit-2 時，則轉(zhuǎn)入下一步進行目標大小的判斷；否則，則認為是兩個不同的目標，不進行融合。

圖1 目標融合流程圖

最后進行航跡關(guān)聯(lián)的判斷。航跡關(guān)聯(lián)的實質(zhì)就是判斷AIS 和雷達分別探測的兩條航跡是否來自同一個目標。關(guān)于航跡的判斷方法很多，歸納起來主要有基于統(tǒng)計和基于模糊數(shù)學兩大類方法[21-22]。考慮到雷達和AIS 在實際探測中有很多不確定因素，直接干擾了兩者目標間的對應關(guān)系，因此本文采用模糊數(shù)學的方法來實現(xiàn)航跡的關(guān)聯(lián)[23]。應用模糊數(shù)學方法進行航跡關(guān)聯(lián)時最關(guān)鍵的步驟是隸屬度函數(shù)ξ(ηk)的確定，本研究采用柯西型隸屬度函數(shù)表達式，如式（11）所示。

式中：ηk(t)和σk(t)分別為模糊因素集中的第k個因素的歐氏距離和展度。本研究中模糊因素集主要選取船位和航速，因而ηk(t)分別由式（9）和式（10）計算所得。模糊因子的展度與航跡的誤差分布有關(guān)，故取各因素歐氏距離的均方根值來作為每個模糊因素的展度，如式（12）所示。

將式（9）、式（10）和式（12）代入式（11）就可計算出各個模糊單因素的柯西型隸屬度函數(shù)值，然后利用加權(quán)的方法計算綜合相似度γij，對于來自AIS探測的目標1 的m條航跡和來自雷達探測的目標2 的n條航跡，γij的計算公式如下。

式中：αk為單因素的權(quán)重值。根據(jù)實際經(jīng)驗，α1取值 0.60，α2取值 0.4，用 γij的最大值確定航跡的相關(guān)性，最后將兩者的平均位置和平均運動參數(shù)作為融合后的目標參數(shù)在海圖上顯示出來。

2.3 融合效果分析

2.3.1 顯示特征描述 廣東省岸基雷達站的終端顯示軟件（GeoViewer）是整個雷達系統(tǒng)操作的核心界面，采用在海圖上疊加顯示雷達目標、AIS 目標、目標矢量速度、雷達回波視頻等信息層的方式，且所有目標信息僅顯示矢量航向、航速及運行軌跡；另外航速顯示比例、航行軌跡時間均可調(diào)，如圖2所示。

圖3 中為不同目標的顯示，用不同的符號表示以便區(qū)別開。三角符號為A 目標（安裝了AIS 的漁船），小三角符號并圖紅色的為B 目標（安裝了AIS的的商船和貨船），符號中間有圓圈的為融合目標，僅圓圈的為雷達目標（無AIS）。圖中淺藍色為丟失目標的特殊顯示。

圖2 海圖疊加顯示

圖3 目標顯示符號

將鼠標移動到某個目標上，點擊右鍵會顯示出該目標的基本信息，包括名稱、MMSI、航向、航速、位置和長度等信息，如果僅雷達探測到的目標，其信息中名稱用雷達賦予的目標編號替代，MMSI 為零。圖4 為AIS 和雷達融合后的目標信息顯示，圖5 為僅雷達探測到的目標信息顯示。

2.3.2 精度分析 利用2019 年7 月到2019 年12月廣東省岸基雷達網(wǎng)跟蹤的目標數(shù)據(jù)，對融合效果的精度進行了分析。分別在湛江和珠海海域選取了登記在冊的裝有AIS 數(shù)據(jù)的漁船各10 艘。每個月選擇2 個時段，每次跟蹤2 小時。湛江海域選擇的是灣內(nèi)的數(shù)據(jù)，海況相對平靜一些，珠海選擇的是外海的數(shù)據(jù)，海況相對復雜一些，因而AIS 和雷達探測目標數(shù)據(jù)返回的目標信息，受到海況的影響比較大。

表4 為對所有跟蹤船舶的效果統(tǒng)計表，表中的數(shù)字為在2 個小時內(nèi)能精確融合的目標數(shù)。分析表中的數(shù)字可以看到采用本算法融合后的精度還是比較高，湛江海域平均精度可以達到91%，珠海海域可達89%。

圖6 為其中9 艘船的融合效果圖，當天的海況為1 級，相對比較平穩(wěn)。從圖6 中船舶的軌跡可以看出，在海況較好的情況下，融合效果比較好。

圖4 AIS 和雷達融合后的目標信息

圖5 僅雷達探測到的目標信息

表4 跟蹤船舶的效果統(tǒng)計

3 結(jié)論

圖6 9 艘船融合效果軌跡圖

將雷達與AIS 各自探測的目標數(shù)據(jù)進行融合，可以提高近岸雷達系統(tǒng)對目標的跟蹤與探測能力，并可為進一步實現(xiàn)對運動目標狀態(tài)的分析與預測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)岸基雷達站探測的目標數(shù)據(jù)，建立了一種針對近海海域目標信息量的融合算法，該算法首先經(jīng)過目標位置相關(guān)性和目標運動特性相關(guān)性的判斷，剔除了一大批數(shù)據(jù)，使得最后參加軌跡關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)量大大減少，提高了融合的時間效率。通過對融合效果的分析表明，本算法的精度可以滿足要求，適用于推廣到近海海域岸基雷達站數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中使用。

2018 年7 月1 日開始，自然資源部將對各類國土資源空間數(shù)據(jù)全部采用2000 國家大地坐標系，但目前海圖仍以WGS 84 坐標為主，另外將WGS 84 坐標轉(zhuǎn)成2000 國家大地坐標涉及一系列參數(shù)問題，對這些參數(shù)的直接獲取有一定難度。如果通過間接方法推算的話，那么需要進行選擇重合點和精度驗證等一系列的嚴格步驟，工作量比較大。為了使得本文的研究成果能更好的服務于社會，下一步工作將進行本文系統(tǒng)中WGS 84 坐標向2000 國家大地坐標的轉(zhuǎn)換工作。