船舶通信系統(tǒng)的AIS與雷達(dá)信息融合技術(shù)研究

第40 卷 第 9A 期艦 船 科 學(xué) 技 術(shù)

2018 年 9 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYSep. , 2018

Vol. 40, No. 9A

船舶通信系統(tǒng)的AIS與雷達(dá)信息融合技術(shù)研究

任云燁

(江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海系，江蘇 南通 226010)

摘 要:

我國目前階段，雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用范圍相對廣泛，特別是在海上監(jiān)視領(lǐng)域中。其中，高頻地波雷達(dá)能

夠?qū)崿F(xiàn)超視距探測與跟蹤，并實時監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的動態(tài)目標(biāo)，但卻無法準(zhǔn)確地提供目標(biāo)身份信息。而AIS，即船舶自

動識別系統(tǒng)的應(yīng)用，則能夠?qū)ΡO(jiān)視區(qū)域內(nèi)部的目標(biāo)信息進(jìn)行詳細(xì)地檢測，在識別目標(biāo)類型與身份方面獲得了極大的

便利。然而，AIS卻無法提供非合作目標(biāo)信息數(shù)據(jù)。由此可見，兩者各有優(yōu)缺點，在提供信息方面能夠?qū)崿F(xiàn)互補，

所以，船舶通信系統(tǒng)的AIS與雷達(dá)信息融合技術(shù)的系統(tǒng)化研究十分有必要。

關(guān)鍵詞：通信；AIS；雷達(dá)

中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：

U675.7 A

文章編號：

1672 – 7649(2018)9A – 0136 – 03 doi：10.3404/.1672 – 7649.2018.9A.046

Rearch on ais and radar information fusion technology of ship communication system

REN Yun-ye

(Department of Navigation, Jiangsu Shipping College, Nantong 226010, China)

Abstract: At prent, radar technology has a relatively wide range of applications, especially in the field of maritime

surveillance. Among them, high-frequency ground wave radar can realize over-the-horizon detection and tracking, and real-

time monitoring of dynamic targets in the area, but it can not accurately provide target identity information. The AIS, that is,

the application of the ship's automatic identification system, can detect the target information inside the surveillance area in

detail, and it is greatly convenient to identify the target type and identity. However, AIS is unable to provide non-cooperative

target information data. From this we can e that both have their own advantages and disadvantages and can complement

each other in providing information. Therefore, systematic rearch on the AIS and radar information fusion technology of

ship communication systems is very necessary.

Key words: Communications；AIS；Radar

0 引 言

新時期背景下，各國都在海上集成監(jiān)視系統(tǒng)方面

進(jìn)行了深入的研究，這些系統(tǒng)往往通過AIS進(jìn)行集

成，并借助雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行顯示出來。為了實現(xiàn)這一

[1 – 2]

發(fā)展目標(biāo)，必須要將雷達(dá)技術(shù)與AIS技術(shù)相互結(jié)合，

充分彌補兩者的缺點，才能夠為海洋監(jiān)測事業(yè)的發(fā)展

提供有價值的參考依據(jù)。

2）雷達(dá)技術(shù)存在近距盲區(qū)，也就是說，無法真實

地顯示出近距目標(biāo)圖像和數(shù)據(jù)。

3）障礙物與大型船只對其后方的小目標(biāo)遮擋程度

十分嚴(yán)重。

4）在使用雷達(dá)技術(shù)的過程中，很容易受到海浪暴

雨因素的干擾，導(dǎo)致小目標(biāo)丟失。

5）信息數(shù)量十分有限，無法及時地提供目標(biāo)船只

的標(biāo)識以及具體的航行狀態(tài)等相關(guān)信息。

6）雷達(dá)和通信設(shè)備難以充分結(jié)合，而且也無法和

目標(biāo)船只自動地完成數(shù)據(jù)信息的交換。與此同時，人

工操作方式會消耗大量的時間，而且在語言交換信息

方面也很容易出現(xiàn)差錯。船首向做出準(zhǔn)確地判斷。

1 雷達(dá)技術(shù)劣勢分析

1）航海雷達(dá)僅能夠?qū)δ繕?biāo)船只位置、航行方向與

平均速度進(jìn)行探測，卻無法對目標(biāo)船只的即時速度和

收稿日期: 2018 – 07 – 22

作者簡介: 任云燁(1968 – )，男，碩士，副教授，從事航海技術(shù)及船舶無線電通信研究。

第 40 卷

任云燁：船舶通信系統(tǒng)的AIS與雷達(dá)信息融合技術(shù)研究

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2 船舶通信系統(tǒng)中的AIS技術(shù)概述

AIS技術(shù)的應(yīng)用，能夠同時在2個頻率上實現(xiàn)交替

運行，這樣一來，即可有效地規(guī)避RF干擾與增加系統(tǒng)

容量。與此同時，還能夠指配AIS的區(qū)域性使用頻

率，以保證AIS技術(shù)能夠在相同頻率下工作，支持頻

道選擇和切換操作，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)近程作業(yè)，也可以

進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)。

[3 – 5]

AIS技術(shù)的數(shù)據(jù)通信原理為，選擇使用時分多址

（TDMA）通信方式，進(jìn)而將各信道的時間細(xì)化成固

定時間縫隙，也被稱作是時隙。其中，一組時隙構(gòu)成

一幀，一幀持續(xù)的時間是1 min，涵蓋了多個時隙。

[6]

3 船舶通信系統(tǒng)的AIS與雷達(dá)信息融合技術(shù)

3.1 時空位置判斷

為實現(xiàn)船舶通信系統(tǒng)的AIS與雷達(dá)信息的有效融

合，可以將時空粗判斷的方法引入其中。雷達(dá)在海上

的探測盲區(qū)是近岸80 km范圍之內(nèi)，所能夠探測的范

圍是250~300 km之間，而且雷達(dá)扇形區(qū)域可以掃描的

角度是160°，所以其探測的范圍廣泛，也能夠覆蓋較

大的區(qū)域。在實踐過程中，所有船只目標(biāo)和臨近小范

圍之內(nèi)的AIS數(shù)據(jù)存在相關(guān)性，在對整個區(qū)域內(nèi)

AIS信息進(jìn)行計算的過程中，運算量并不會太大。與

此同時，雷達(dá)檢測結(jié)果和AIS報告信息的時間間隔過

久并不存在關(guān)聯(lián)。那么，對時間粗關(guān)聯(lián)門限進(jìn)行設(shè)

定，就無需針對門限之外的目標(biāo)作出關(guān)聯(lián)性分析，以

免增加不必要的運算量。與AIS所提供的數(shù)據(jù)相比，

雷達(dá)探測船只的數(shù)量不多，因為從雷達(dá)開始，遍歷

AIS信息需接受時空粗判斷，將門限以外的船只排

除，盡可能地降低后期的運算量。

3.2 船舶通信系統(tǒng)的AIS與雷達(dá)信息融合流程

在船舶AIS系統(tǒng)中，為了提高其追蹤運動目標(biāo)的

能力，必須借助雷達(dá)，實現(xiàn)對運動目標(biāo)狀態(tài)的分析與

預(yù)測，本節(jié)主要采用了多階控制的方法對整個AIS系

統(tǒng)中的時間，位置信息進(jìn)行檢測提取，從而準(zhǔn)確分析

出目標(biāo)的特征信息，這樣通過信息融合，可以大大提

高雷達(dá)追蹤目標(biāo)的能力。

通過對目標(biāo)位置的跟蹤分析，可以得到如下運動

方程:

S

143

=ke+e,

式中，k>0。在上述的運動方程中，通過調(diào)節(jié)k的大

小，可以實現(xiàn)大范圍的目標(biāo)識別，從而可以提高雷達(dá)

識別的速度和準(zhǔn)確度。

通過求導(dǎo)和數(shù)學(xué)變換，可得

S

˙

14434

=ke˙+e¨=k+e¨,

e

S

¨

13

=ke˙+,

e

(3)

4

再利用多階控制算法，對上述的誤差進(jìn)行修正，

常用的一種方法就是采用濾波器對高階的噪聲信號進(jìn)

行濾除，然后根據(jù)傅里葉變換，從頻域中快速提取出雷

達(dá)識別到的有用信息，2種頻域響應(yīng)波形如圖1所示。

圖 1 兩種頻域響應(yīng)波形

Fig. 1 Two frequency domain respon waveforms

通過信息融合算法，對船舶的AIS狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行

綜合處理，經(jīng)過理論分析，可得到目標(biāo)的運動特征方

程為:

Sf=Pexp2πσ

()

()

?f/2σ/,

22

√

c

2

c

式中：；v為船舶的運動速

σ=0.3f≈θ

cccB

；fsinθ

2v

λ

度；為雷達(dá)的信號波長；為系統(tǒng)特征常數(shù)；為雷

λθ

P

達(dá)的方向角。

為了實現(xiàn)信號系統(tǒng)的多目標(biāo)融合，需要提取每個

目標(biāo)的特征頻率，并對這些頻率信號進(jìn)行多級的分

析，最終可得到其信號融合模型為：

Hf=

()

Sfe

??j2πft

()

0

Cf

()

,

信息融合波形如圖2所示。

圖 2 信息融合波形

Fig. 2 Information Fusion waveform

· 138 ·

艦 船 科 學(xué) 技 術(shù)

第 40 卷

將該信號波形分為2級后，分別得到分解信息為

H(f)H(f)

12

和：

|

H=,

1

()

f

|

2

1

Cf

()

Hf=HfSfe

2

()()()

???j2πft

1

0

,

可以發(fā)現(xiàn)，分解信息常被用于提高信息的信

H(f)

1

道質(zhì)量，時域的信道分解圖如圖3所示，而常用

H(f)

2

于檢測信息的失真度。

圖 3 時域的信道分解圖

Fig. 3 Time domain channel decomposition diagram

失真度模型為：

[]m。

??

pq

F(u,v)

?u?v

pq

uv0pq

==

=i

(p+q)

失真度響應(yīng)波形如圖4所示。

4 總 結(jié)

根據(jù)上文對雷達(dá)技術(shù)和AIS技術(shù)的分析與研究可

以發(fā)現(xiàn)，兩者具備各自的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中也存

在諸多缺陷。為此，要想進(jìn)一步推動海上監(jiān)測作業(yè)的

順利開展，有必要實現(xiàn)兩者的有效融合。將時空粗判

斷引入其中，為船舶通信系統(tǒng)的AIS與雷達(dá)信息融合

技術(shù)的發(fā)展提供有價值的參考依據(jù)。只有這樣，才能

夠確保我國現(xiàn)代航海事業(yè)的進(jìn)步。

圖 4 失真度波形

Fig. 4 Distortion waveform

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