AIS与雷达数据融合技术研究孙文杰

AIS与雷达数据融合技术研究孙文杰

AIS与雷达都是船舶导航的关键设备，但有着各自的优势和不足，将两者综合应用具有重要意义。但AIS与雷达数据既有冗余又有互补，因此需要一定的数据融合算法才能达到较好的应用效果。文章从AIS和雷达在船舶导航的应用背景出发，介绍了雷达和AIS系统的基本工作原理，并详细分析了其各自的优缺点，论述了两种技术相结合的必要性。最后对AIS与雷达数据融合技术进行了深入研究，给出了一个典型的数据融合系统，为船舶航行安全提供了保障。

标签：雷达；AIS；数据融合；船舶导航

Abstract：Both AIS and radar are the key equipment of ship navigation，but they have their own advantages and disadvantages，so it is of great significance to apply them in a comprehensive way. However，AIS and radar data are redundant and complementary，so a certain data fusion algorithm is needed to achieve good results. Based on the application background of AIS and radar in ship navigation，this paper introduces the basic working principle of radar and AIS system，analyzes their respective advantages and disadvantages in detail，and discusses the necessity of combining the two technologies. Finally，the technology of data fusion between AIS and radar is deeply studied，and a typical data fusion system is presented，which provides a guarantee for the safety of ship navigation.

Keywords：radar；AIS；data fusion；ship navigation

1 概述

随着经济的发展，海运和内河航运走进了一个新的阶段，船舶数量不断增加，港口和航道的船只密度越来越高，船舶碰撞事件時有发生。雷达的应用在一定程度上解决了船舶定位和碰撞问题，但雷达易受雨雪和海浪等因素的影响，而且在图像显示和航迹预测方面还有很大的不足，因此未能完全满足船舶航行安全的要求。船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）技术的产生很大程度上弥补了雷达的缺陷，使船只信息交换更加准确快捷。因此，在雷达系统的基础上加装AIS系统，将两者综合起来形成一个新的系统，具有广阔的应用前景。

2 雷达及AIS基本原理

2.1 雷达导航原理

雷达是通过电磁波的反射原理来对目标位置进行测量的。首先雷达天线会对外发射射频信号，若目标存在，则会将部分信号反射回来，雷达天线接收到反射信号后，根据其强度和角度等信息即可计算出目标所在的位置。通过不停地发射与接收，即可测量出目标的运动轨迹。雷达可以区分出固定的物体和运动物体，

甚至可以识别目标的形状和尺寸等更具体的细节信息。

船用雷达是水上导航的主要设备，它可以对船舶进行精确定位，回避碰撞，保证水上航行安全。最初的船舶航迹探测都是由雷达完成的。雷达的优点在于，它观测距离远，分辨率高，且测量精度不受天气和黑夜的影响，在军事和民用领域都有大量的应用[1]。但雷达不能绕过障碍物进行测量，信号容易受到波浪和雨雪等背景干扰，而且在航迹预测方面也有很大的局限性。

2.2 船用自动识别系统AIS

AIS是一种现代化船舶导航定位技术，它可以提供与船舶航行有关的各种关键信息，包括航速、航向、航迹等，并以可视化的形式在屏幕上显示出来。AIS 的应用有利于水域交通的动态指引，及时获取船舶警告、发布和管制内容，还能对气象、水文、航标等外部环境进行实时监测。使得全局管理能力大大增加，航迹预测水平明显提高，水上交通管理和海上导航变得十分方便。

但是，与雷达系统相比，AIS还有很多局限性，中小型船只往往不具备AIS 系统，因此安装了AIS系统的船只无法单方面完全保证航行安全。另外，AIS系统的GPS数据也存在电离层延时、多径干扰等问题[2]。因此，AIS虽然功能强大，但仍然无法代替传统的雷达系统。

2.3 雷达和AIS结合的必要性

雷达和AIS作为船舶导航领域的两大关键设备，将其综合起来实现优势互补，是未来船舶导航技术发展的重要趋势。两者结合之后的新系统具有更优越的性能，在稳定性、精度和实时性方面都有很大的提升。例如，当雨雪天气或海浪较大时，可通过AIS系统来获取船舶的动态和静态信息，弥补雷达精度的不足。当某些未安装AIS系统的中小型船只靠近时，雷达系统可及时发出警告信息，避免碰撞。实际上，雷达系统的跟踪性能十分强大，而AIS的定位功能仅仅是被动接收位置信息而已，因此雷达定位的可靠性比AIS系统高得多[3]。但雷达系统的显示功能和动态静态信息的预测又无法与AIS系统相比拟。综上所述，雷达和AIS结合应用是十分必要的。3 数据融合技术

数据融合是一种复杂的数据处理过程，它综合了信号处理、数量统计、数学模型、自动检测等多个学科的核心内容。数据融合通常是把多个传感器所采集到的数据进行加工处理，例如滤波、相关、组合等，从而更准确地估计待测参数。由于不同的信息源的数据有空间上的冗余，有时空上的互补，只要组合的算法得当，融合后的数据往往比任意单个传感器的测量精度要高。当多传感器数据中某些局部数据存在不确定性或多变性时，信息源之间的互补特性就显得尤为关键了，这也正是数据融合能提高系统精度的关键之所在。

4 雷达与AIS数据融合系统设计

前已叙及，AIS技术和雷达技术都有其优缺点，从目前的技术水平而言，单