船舶通信系統的AIS與雷達信息融合技術研究

第40 卷 第 9A 期艦 船 科 學 技 術

2018 年 9 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYSep. , 2018

Vol. 40, No. 9A

船舶通信系統的AIS與雷達信息融合技術研究

任云燁

(江蘇航運職業技術學院 航海系，江蘇 南通 226010)

摘 要:

我國目前階段，雷達技術的應用范圍相對廣泛，特別是在海上監視領域中。其中，高頻地波雷達能

夠實現超視距探測與跟蹤，并實時監視區域內的動態目標，但卻無法準確地提供目標身份信息。而AIS，即船舶自

動識別系統的應用，則能夠對監視區域內部的目標信息進行詳細地檢測，在識別目標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信息數據。由此可見，兩者各有優缺點，在提供信息方面能夠實現互補，

所以，船舶通信系統的AIS與雷達信息融合技術的系統化研究十分有必要。

關鍵詞：通信；AIS；雷達

中圖分類號：文獻標識碼：

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視系統方面

進行了深入的研究，這些系統往往通過AIS進行集

成，并借助雷達系統進行顯示出來。為了實現這一

[1 – 2]

發展目標，必須要將雷達技術與AIS技術相互結合，

充分彌補兩者的缺點，才能夠為海洋監測事業的發展

提供有價值的參考依據。

2）雷達技術存在近距盲區，也就是說，無法真實

地顯示出近距目標圖像和數據。

3）障礙物與大型船只對其后方的小目標遮擋程度

十分嚴重。

4）在使用雷達技術的過程中，很容易受到海浪暴

雨因素的干擾，導致小目標丟失。

5）信息數量十分有限，無法及時地提供目標船只

的標識以及具體的航行狀態等相關信息。

6）雷達和通信設備難以充分結合，而且也無法和

目標船只自動地完成數據信息的交換。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

方面也很容易出現差錯。船首向做出準確地判斷。

1 雷達技術劣勢分析

1）航海雷達僅能夠對目標船只位置、航行方向與

平均速度進行探測，卻無法對目標船只的即時速度和

收稿日期: 2018 – 07 – 22

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

第 40 卷

任云燁：船舶通信系統的AIS與雷達信息融合技術研究

· 137 ·

2 船舶通信系統中的AIS技術概述

AIS技術的應用，能夠同時在2個頻率上實現交替

運行，這樣一來，即可有效地規避RF干擾與增加系統

容量。與此同時，還能夠指配AIS的區域性使用頻

率，以保證AIS技術能夠在相同頻率下工作，支持頻

道選擇和切換操作，不僅能夠實現近程作業，也可以

進行遠程作業。

[3 – 5]

AIS技術的數據通信原理為，選擇使用時分多址

（TDMA）通信方式，進而將各信道的時間細化成固

定時間縫隙，也被稱作是時隙。其中，一組時隙構成

一幀，一幀持續的時間是1 min，涵蓋了多個時隙。

[6]

3 船舶通信系統的AIS與雷達信息融合技術

3.1 時空位置判斷

為實現船舶通信系統的AIS與雷達信息的有效融

合，可以將時空粗判斷的方法引入其中。雷達在海上

的探測盲區是近岸80 km范圍之內，所能夠探測的范

圍是250~300 km之間，而且雷達扇形區域可以掃描的

角度是160°，所以其探測的范圍廣泛，也能夠覆蓋較

大的區域。在實踐過程中，所有船只目標和臨近小范

圍之內的AIS數據存在相關性，在對整個區域內

AIS信息進行計算的過程中，運算量并不會太大。與

此同時，雷達檢測結果和AIS報告信息的時間間隔過

久并不存在關聯。那么，對時間粗關聯門限進行設

定，就無需針對門限之外的目標作出關聯性分析，以

免增加不必要的運算量。與AIS所提供的數據相比，

雷達探測船只的數量不多，因為從雷達開始，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 船舶通信系統的AIS與雷達信息融合流程

在船舶AIS系統中，為了提高其追蹤運動目標的

能力，必須借助雷達，實現對運動目標狀態的分析與

預測，本節主要采用了多階控制的方法對整個AIS系

統中的時間，位置信息進行檢測提取，從而準確分析

出目標的特征信息，這樣通過信息融合，可以大大提

高雷達追蹤目標的能力。

通過對目標位置的跟蹤分析，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，通過調節k的大

小，可以實現大范圍的目標識別，從而可以提高雷達

識別的速度和準確度。

通過求導和數學變換，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

行濾除，然后根據傅里葉變換，從頻域中快速提取出雷

達識別到的有用信息，2種頻域響應波形如圖1所示。

圖 1 兩種頻域響應波形

Fig. 1 Two frequency domain respon waveforms

通過信息融合算法，對船舶的AIS狀態參數進行

綜合處理，經過理論分析，可得到目標的運動特征方

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；為雷達的信號波長；為系統特征常數；為雷

λθ

P

達的方向角。

為了實現信號系統的多目標融合，需要提取每個

目標的特征頻率，并對這些頻率信號進行多級的分

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 技 術

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

,

可以發現，分解信息常被用于提高信息的信

H(f)

1

道質量，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)

失真度響應波形如圖4所示。

4 總 結

根據上文對雷達技術和AIS技術的分析與研究可

以發現，兩者具備各自的優勢，但在實際應用中也存

在諸多缺陷。為此，要想進一步推動海上監測作業的

順利開展，有必要實現兩者的有效融合。將時空粗判

斷引入其中，為船舶通信系統的AIS與雷達信息融合

技術的發展提供有價值的參考依據。只有這樣，才能

夠確保我國現代航海事業的進步。

圖 4 失真度波形

Fig. 4 Distortion waveform

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