船舶导航系统中的多传感器融合技术_何侃.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering158海洋占据着超过 70%的地球表面积，人类在探索海洋的过程中所面临的巨大问题就是传统基站定位等导航技术难以满足海上航行的需要，地磁导航、天文导航、卫星导航、惯性导航等导航技术应运而生1。近年来，“海洋战略”的全面实施，世界各国将海洋作为新的经济“增长点”，而海上运输、远洋捕捞、海洋采矿等行业的发展对船舶导航系统有着较强的依赖性，船舶导航系统的准确性、可靠性不仅影响航行安全，同时也关系到成本、效率等多个要素，在此背景下，基于多传感器融合技术的船舶导航系统得到了推广应用，显著提高了船舶定位精度，为发展海洋经济提供了重要支撑。1 船舶导航系统概述早期船舶航行多为内河、近海为主，因此，船舶导航主要依靠灯塔、地标等实现，随着人类走向远海，以无线电技术、磁感应技术、天文导航技术、卫星通信技术等为核心的船舶导航系统扩展了人类探索海洋的范围。现代船舶导航系统主要包括显控单元、数据融合处理单元、监视单元、通信单元、传感器单元（如图 1 所示），不同单元内部组成及功能存在明显差异。显控单元也被称为显示控制单元，是船舶导航系统的综合显示和控制终端，其主要由导航雷达显示控制设备、电子海图显示控制设备与船舶航行动态显示设备组成。数据融合处理单元是船舶导航系统的数据综合处理中心，在接收来自不同传感器导航数据的同时，还可以对相应设备进行点对点控制2。监视单元能够自动记录和分析船舶航行数据，并根据船舶导航系统所设定的安全阈值进行报警，并可以在航行安全事故发生后为事故责任的判定提供参考。通信单元覆盖整个船舶导航系统，是船舶导航系统的神经网络，在系统内外提供稳定可靠的通信链路。传感器单元作为船舶导航系统的数据来源，在电子信息技术不断发展的过程中，船舶导航系统的传感器单元呈现出多元化的趋势，计程仪、测深仪、风向风速仪、磁罗经、电罗经、天文导航设备等为船舶导航系统提供了精准、可靠的数据。2 船舶导航系统的技术缺陷早期船舶导航系统的推广应用在一定程度上解决了远洋航行的定位问题，然而，随着造船业的快速发展，海上航线更加繁忙，这增加了船舶航行安全风险，尤其是在能见度较差的情况下，船舶航行安全事故发生概率将显著增加。针对传统船舶导航系统构成，其技术缺陷主要表现在以下几个方面。船舶导航系统中的多传感器融合技术何侃侯岳麟刘会森（中船航海科技有限责任公司 北京市 100071）摘要：本文以船舶导航系统为研究对象，在简要介绍船舶导航系统组成的基础上，对传统导航系统在定位正确性、可靠性等方面存在的问题进行深入剖析，提出基于多传感器融合技术的新型导航系统设计方案，并结合具体案例强调多传感器融合技术在船舶导航方面所体现的优势，以期能够为新时期船舶导航系统优化和技术创新提供参考。关键词：船舶；导航系统；传感器；融合图 1：船舶导航线系统组成框图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering1592.1 传感器构成单一船舶导航系统不仅需要实时获取自身所在位置信息，为保证航行安全，还应当动态掌握周围环境情况，而这就要求船舶导航系统拥有不同功能的传感器，如卫星定位功能、无线电探测功能、无线通信功能等3。然而，目前，大多数船舶导航系统的传感器构成较为单一，尤其缺少成本较高的无源传感器，而过度依赖电磁波的有源传感器的稳定性较低，在可视条件不好的情况下，船舶航行安全将受到较大影响。以早期导航雷达为例，由于缺少外部各类型接口数据，导航雷达在根据艏艉线进行安装的基础上，外部探测数据均为目标的相对数据，而并非绝对数据，且无法进行会遇时间、会遇点的计算。2.2 数据融合性较差在船舶导航系统传感器类型不断增加的情况下，船舶导航系统的数据来源更加丰富，从系统层面来看，多元化的航行数据为船舶航行提供了全方位的安全保障，但是，不同传感器关于相同航行数据的差异也影响了系统、人对航行状态的判断。例如，电罗经、卫星导航系统均可以提供船舶航向数据，受延迟、误差等多种因素影响，以上两个传感器所提供的航向数据无法保持一致，在此情况下，由于船舶导航系统设计中缺少数据融合方面的考虑，需要人为确定系统数据来源，这增加了航行安全的不确定性。由此可见，受技术等方面的限制，传统船舶导航系统中各设备之间并为形成有效的信息共享机制，即便在传感器类型、数量不断增加的情况下，数据融合的缺失对提高船舶导航精度等并为起到明显效果。针对这一情况，技术人员需要充分利用多传感器的数据测量优势，在完善船舶导航系统架构的同时，优化导航数据融合算法，构建精度更高的组合导航系统。3 船舶导航系统多传感器融合技术多传感器融合技术的使用不仅为丰富传船舶导航系统传感器构成提供了科学的算法模型，并通过优化船舶导航数据处理机制，使船舶航行安全水平得到显著提升。针对传感器类型的不同，船舶导航系统多传感器融合架构和算法也有所不同，具体可通过案例进行分析。3.1 导航雷达与船舶自动识别系统融合技术目前，导航雷达、船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)作为船舶导航系统的标准配置，其均能动态更新搭载平台与周围船舶的航行数据，而导航雷达与 AIS 的航行数据获取机制却有所不同4。导航雷达搭载平台的航行数据是通过 GPS、北斗等卫星定位设备获取，而周围船舶的航行数据则是通过雷达连续环扫后回波数据计算得出。AIS 的搭载平台与周围船舶航行数据均来自 GPS、北斗等卫星定位设备，在协同定位方面具有数据精度一致特性。导航雷达是利用电磁波的回波对目标船舶进行定位和航向、航速等数据进行估算，而回波能量中心计算存在一定误差，因此，导航雷达数据的可信度与 AIS 相比偏低。因此，数据融合处理单元对导航雷达、AIS 发送来的导航数据进行对比的情况下，将持续跟踪数据变化情况，结合船速、舵机控制、风向风速等情况综合判定船舶航行数据变化速率，从而对导航雷达与 AIS 所提供的数据进行融合处理（如图 2 所示）。这里需要注意的是，导航雷达航行数据变化情况较图 2：导航雷达与 AIS 数据融合流程电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering160为复杂，不同回波下的能量中心存在较大差异，这对多传感器数据融合造成了一定的困难。因此，在目标航向持续变化的情况下，导航雷达与 AIS 数据融合将对 AIS数据的权重比进行重新评估，从而保证船舶航行数据的准确性与稳定性5。以对向航行船舶为例，操作员需要手动调整导航雷达回波能量中心至目标船舶的船艏位置，并根据其转向情况在船艏和船艉之间进行更换，尤其是在距离相对较近的情况下，当目标进入导航雷达盲区的情况下，通过导航系统数据融合单元能够及时对碰撞概率进行计算，同时给出最佳的避碰建议。3.2 惯性导航设备与GPS融合技术以惯性导航设备(Inertial Navigation System,INS)为代表的无源导航技术弱化了传统导航系统对无线通信导航技术的依赖性，在空间电磁环境日益复杂的情况下，惯性导航设备能够在短时间内提供相对可靠的航行数据作为参考。然而，在实际使用过程中，惯性导航设备的误差将随着时间积累而不断增加，为提高惯性导航设备精度，设计人员借助 GPS 对惯性导航设备进行校准，如此，则实现了精度更高的组合惯性导航模式，即 INS/GPS 组合导航技术，其技术融合原理如图 3 所示。惯性导航设备误差的累积具有明显的周期性，该周期被称为苏拉周期(Schuler Period)，在苏拉周期的不同阶段惯性导航设备的误差变化将呈现出发散和收敛两个阶段，但误差累积在不断增加6。图 3 中的 INS 修正是基于卡尔曼滤波器的数据融合处理结果对惯性导航设备进行算法补偿，物理层面的温度漂移、元器件累积误差等依然存在。在实际使用过程中，因GPS信号受到干扰、遮挡情况下无法在对应点位完成INS的误差修正，此时，则需要手动输入校准 GPS 信号，而整个修正过程中装载平台应最大限度保持静止，或选择目标点位同步输入，从而对 INS 误差进行有效约束。针对 INS/GPS 组合导航技术的这一特点，若船舶导航系统航向数据误差持续增加，该故障多由 GPS 信号接入异常或组合导航设备软件工作状态异常导致。根据以往故障类型来看，惯性导航设备与 GPS 融合技术下的船舶导航数据超差现象得不到有效改善时，若出现快速拉偏情况时，则故障基本可以定位在惯性导航设备。首先，检查惯性导航设备工作状态是否存在异常，如温度控制模块、伺服模块等；其次，对 FPGA 数据采集板工作状态进行检查，确定相关敏感元器件数据正常，对存在异常的数据通道进行状态确认；第三，检查内部供电系统电压状态，尤其是电压滤波单元输出电压信号的稳定性等；最后，若以上检查均正常，则故障多为惯性导航设备零位漂移导致，需要对惯性导航设备进行重新标定，根据实际情况可选择静态标定和动态标定两种方式，静态标定时间短、精度高；而动态标定时间长、精度低。3.3 计程仪与GPS数据融合作为船舶导航系统的重要组成设备之一，计程仪是通过对船速进行积分运算得出船舶航程，早期计程仪多为转轮式、拖曳式，此类计程仪结构相对简单，测量精度较低，无法实时获取船舶航程信息。随着电磁计程仪、多普勒计程仪的出现，计程仪的测量精度明显提高，多传感器融合技术进一步丰富了船舶导航系统的功能。多图 3：INS/GPS 融合原理图图 4：多普勒计程仪组成原理图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering161普勒计程仪的系统结构较为复杂，其主要包括发射换能器、接收换能器、发射器、滤波器等组成（如图4所示），从而实现了对船舶航行数据的测量。计程仪对水文数据的敏感特征导致其长期使用过程中误差同样持续增加，积分后的船舶航程误差与实际航程之间的误差也将明显变大。根据计程仪的这一特点，在进行数据融合计算之前，需要对计程仪数据进行改正，通过公式（1）可以获取计程仪改正率 L，而 L 则作为下一阶段船舶航程计算的重要参数之一。（1）其中，SL为船舶相对于水的航程（静水中的航程，若水具有流速，则需要对水速进行矢量运算）；L1、L2为间隔一段时间内两次记录计程仪的航程数据。当L0 时，则意味着计程仪所测量航程比实际航程偏大；当 L0 时，则意味着计程仪所测量航程比实际航程偏小；当 L=0 时，则意味着计程仪所测量航程与实际航程相同。根据已求得计程仪航程改正率，船舶实际航程计算公式如下：SL=(L2-L1)(1+L)（2）因此，在融合 GPS 航行数据的情况下，需要对L1、L2采样点 GPS 速度信息进行积分，从而得出基于GPS 的船舶航程数据，计算公式如公式（3）所示。（3）此时，通过推算 GPS 改正率，如公式（4）所示。则可以明确计程仪与 GPS 数据融合的可信度，并确定最终航程 S，如公式（5）所示。（4）（5）在实际使用过程中，多普勒计程仪与 GPS 之间的误差变化情况并不稳定，而 GPS 数据并不能作为多普勒计程仪零位标校的依据，但在测速场进行折返标定测试的过程中，GPS 对航速、航程的测量结果可以作为多普勒计程仪工作状态评估的重要参考7。除GPS数据外，船舶发动机转速、气象仪数据等同样可以对多普勒计程仪的航速、航程等数据进行验证，但验证结果的可靠性相对偏低。4 总结传感器种类的增加为船舶导航系统提供了更加丰富的导航数据，在综合考虑不同传感器数据测量方式和误差特征等影响因素的情况下，船舶导航系统需要根据实际情况对航速、航程、航向、加速度等数据进行融合。除此之外，为提高船舶导航系统精度，还需要融