CN112133132A - 一种基于ais的进出港水域目标识别与主动预警系统及方法 - Google Patents

一种基于ais的进出港水域目标识别与主动预警系统及方法 Download PDF

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CN112133132A CN202010968844.0A CN202010968844A CN112133132A CN 112133132 A CN112133132 A CN 112133132A CN 202010968844 A CN202010968844 A CN 202010968844A CN 112133132 A CN112133132 A CN 112133132A
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Abstract

本发明通过船岸雷达联合探测，对进出港水域内目标船舶进行扫测，对于播发AIS信息的目标船舶验证其AIS信息的误差是否可接受；对于未正常播发AIS信息的目标，系统可依据岸基雷达与安全巡航船舶船载雷达联合计算创建伪AIS，且将这类特殊信息及编码规则作为本地水域通航规则的一部分，向全体船舶公告，得到该水域全体船舶的认可；保障进出港水域内船舶能实时监测到港口水域内的小目标，能够提高避碰决策和行动的有效性。

Description

一种基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统及方法
技术领域
本发明属于进出港水域的监控领域，具体涉及一种基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统及方法。
背景技术
在大型港口的进出港水域，除了正常的船舶交通流，往往存在若干非法目标在主航道周围游动。例如，未经许可的渔船经常在进出港航道开展捕鱼作业，这些非法目标体积小(雷达反射面小)，运动速度变化大，因而行为难以预测。尤其是在低能见度条件下，这些小目标给正常行驶商船的安全通航造成较大威胁，极易酿成“商渔碰撞”的海事事故，造成大的经济损失。
目前大型港口进出港水域内大型船舶雷达盲区较大，对其周边的小目标船舶的识别探测能力有限，小目标船舶易驶入大型船舶的盲区，致使大型船舶无法及时观测到小目标船舶并做出正确的决策与相应的应急措施。为此，港口运营方往往会派出安全巡航船舶在进出港水域协调和组织进出港船舶交通。为保证大型船舶在进出港水域内能及时侦测到小目标船舶，港口运营方派出的安全巡航船舶一方面承担对大型和正规进出港船舶的护航任务，一方面也能借助自己安装的小目标雷达，配合岸基雷达，侦测行为异常的小目标船舶。
现阶段我国对进出港水域内小型船舶并未强制要求安装AIS设备，有相当一部分小型船舶未配备AIS设备，部分配备AIS设备的小型船舶所播发的AIS信息准确性不高或AIS设备处于关闭状态。
船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)是一个广泛使用的传载工具，能够广播船舶位置和运动、船舶特性以及相关信息，通过对数据的发送和接收，使岸基和船舶能自动定位识别临近船舶，并对其他装配AIS的船舶进行跟踪定位。而受一些因素影响，采集到的AIS数据可能会产生错误，且根据《中华人民共和国海事局关于印发船载自动识别系统设备检查导则的通知》(海船舶〔2015〕51号)规定，只有100吨以上及100吨以下的液货船和集装箱船应强制配备AIS设备，而进出港水域内大部分小型船舶(如渔船、快艇)未配备AIS设备，这就导致进出港水域船舶可能不能及时接收到周围船舶准确位置信息，从而提升海事事故发生概率，给进出港水域内的安全航行带来了极大的安全隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统及方法，提高避碰决策和行动的有效性，从而保证进出港水域出入港的安全。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统，本主动预警系统包括：
船岸雷达联合探测系统，包括岸基雷达和部署于安全巡航船舶上的船载雷达，用于对整个进出港水域的目标进行雷达扫测，对雷达扫测的结果进行数据融合，得到目标的雷达融合数据；
目标识别与对比模块，用于将目标雷达融合数据，与从AIS岸台接收到的进出港水域内船舶AIS信息进行比对，判断目标的雷达融合数据与AIS信息是否具备一致性；判断结果包括以下三种：目标雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之内，即具备一致性；目标的雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之外，即不具备一致性，对目标的AIS信息进行修正；只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息；
伪AIS信息触发模块，用于只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息时，根据目标的雷达融合数据，构建伪AIS信息报文发送给AIS岸台，由AIS岸台向进出港水域内所有船舶播发；
所述的伪AIS信息报文是人为构造的AIS信息，用于针对水域中相关船舶播发不准确或未播发AIS的情形，进行主动干预；伪AIS信息报文及编码规则作为本地水域通航规则的一部分，事先向全体船舶公告，并得到该水域全体船舶的认可。
按上述方案，所述的目标的雷达融合数据为目标实时运动特征信息，包括目标船舶位置信息、航速信息与航向信息。
按上述方案，所述的目标识别与对比模块和伪AIS信息触发模块，均设置在岸基平台。
按上述方案，判断目标的雷达融合数据与AIS信息是否具备一致性，具体为：以雷达融合数据为基准，查找与之对应的AIS报文，将AIS报文与雷达融合数据进行误差判别，若误差在预设范围内，则不予修正，反之则判断雷达融合数据与AIS报文不具备一致性，修正AIS报文中的位置、航速与航向信息字段，并通过AIS岸台在进出港水域播发修正后的伪AIS信息；若未查到与该雷达融合数据相对应的AIS报文，说明此目标船舶未正常播发AIS，目标识别与对比模块将该目标的雷达融合数据发送至伪AIS信息触发模块。
按上述方案，所述的将AIS报文与雷达融合数据进行误差判别时，任意连续M次中有K次误差在预设范围之外时，判断雷达融合数据与AIS报文不具备一致性，对不具备一致性的AIS报文进行自动修复误差；并通过AIS岸台在进出港水域播发修正后的伪AIS信息，替代目标船舶原始AIS报文。
按上述方案，所述的误差判别具体为：
记船岸雷达联合探测系统在{t0,t1,…,tn}时刻融合计算得到的船舶运动特征序列为
Figure BDA0002683334940000031
AIS岸台在
Figure BDA00026833349400000314
时刻收到某目标船舶的AIS信息为
Figure BDA0002683334940000032
目标识别与对比模块在t0,t1,…,tn这个时间序列中找到与
Figure BDA0002683334940000033
最接近的时刻点tm与tm+1；其中，
Figure BDA0002683334940000034
tm与tm+1满足下式：
Figure BDA0002683334940000035
目标识别与对比模块观察tm与tm+1这两个相邻时刻的雷达运动特征
Figure BDA0002683334940000036
与
Figure BDA0002683334940000037
来与目标船舶在
Figure BDA0002683334940000038
时刻的AIS信息
Figure BDA0002683334940000039
作误差判别；同时，对位置误差、航速误差与航向误差判别需要分别设置阈值，分别记为Eloc,Evel和Ecour，这几个阈值常数需要在系统中预先设置；
利用上述规则，所述的目标识别与对比模块具体按以下步骤对未正确播发AIS信息的目标船舶进行误差判别：
步骤一：对目标船舶位置坐标进行误差判别：
Figure BDA00026833349400000310
Figure BDA00026833349400000311
其中，D1为
Figure BDA00026833349400000312
时刻目标船舶AIS信息与tm时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的位置差距，D2为
Figure BDA00026833349400000313
时刻目标船舶AIS信息与tm+1时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的位置差距；
Figure BDA0002683334940000041
代表
Figure BDA0002683334940000042
时刻目标船舶AIS信息测得的纬度坐标，
Figure BDA0002683334940000043
代表
Figure BDA0002683334940000044
时刻目标船舶AIS信息测得的经度坐标，
Figure BDA0002683334940000045
代表tm时刻雷达扫测的目标船舶的纬度坐标，
Figure BDA0002683334940000046
代表tm时刻雷达扫测的目标船舶的经度坐标，
Figure BDA0002683334940000047
代表tm+1时刻雷达扫测的目标船舶的纬度坐标，
Figure BDA0002683334940000048
代表tm+1时刻雷达扫测的目标船舶的经度坐标；
目标船舶的AIS信息与雷达探测融合得到的运动特征信息之间位置差距满足：
判别条件1：D1≤Eloc；
判别条件2：D2≤Eloc；
若判别条件1和判别条件2均不成立，则目标船舶AIS信息误差在预设范围之外，予以修正；
步骤二：对目标船舶航速信息进行误差判别：
判别条件3：
Figure BDA0002683334940000049
判别条件4：
Figure BDA00026833349400000410
其中，ΔV1为
Figure BDA00026833349400000411
时刻目标船舶AIS信息与tm时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航速差，ΔV2为
Figure BDA00026833349400000412
时刻目标船舶AIS信息与tm+1时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航速差，
Figure BDA00026833349400000413
为
Figure BDA00026833349400000414
时刻目标船舶AIS信息的船舶航速，
Figure BDA00026833349400000415
为tm时刻雷达扫测的目标船舶的航速，
Figure BDA00026833349400000416
为tm+1时刻雷达扫测的目标船舶的航速；
若判别条件3和判别条件4均不成立，则目标船舶AIS信息误差在预设范围之外，予以修正；
步骤三：对目标船舶航向信息进行误差判别：
判别条件5：
Figure BDA00026833349400000417
判别条件6：
Figure BDA00026833349400000418
其中，COG1为
Figure BDA00026833349400000419
时刻目标船舶AIS信息与tm时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航向差，COG2为
Figure BDA00026833349400000420
时刻目标船舶AIS信息与tm+1时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航向差，
Figure BDA00026833349400000421
代表
Figure BDA00026833349400000422
时刻目标船舶AIS信息的船舶航向，
Figure BDA0002683334940000051
代表tm时刻雷达扫测的目标船舶航向，
Figure BDA0002683334940000052
代表tm+1时刻雷达扫测的目标船舶航向；
若判别条件5和判别条件6均不成立，则目标船舶AIS信息误差在预设范围之外，予以修正；
当误差判别在预设范围之外时，系统需要用雷达探测融合得到的运动特征信息对AIS报文信息误差不可接受的部分进行修正；系统根据雷达运动特征
Figure BDA0002683334940000053
的航速信息，确定AIS岸台播发伪AIS的下一时刻
Figure BDA0002683334940000054
Figure BDA0002683334940000055
信息更新时间；
根据AIS国际规则，AIS信息更新时间如下表所示：
船舶航行状态 AIS信息更新时间
船速0-14节 12秒
船速14-23节 6秒
船速＞23节 2秒
利用上述规则，系统于与
Figure BDA0002683334940000056
时刻最为接近的tm+x时刻，其中tm+x∈{t0,t1,…,tn}，用雷达探测融合得到的运动特征信息
Figure BDA0002683334940000057
对AIS报文的位置、航速与航向信息进行修正，并通过AIS岸台在tm+x时刻播发相应的伪AIS信息。
按上述方案，所述的AIS报文信息转换为6bitASCII码共有168位，其中bits1-6为消息ID，规定bits1-6为000000，消息ID为0号的消息定义为目标识别与对比模块对不具备一致性的目标船舶AIS信息予以修正后的伪AIS信息；
所述的予以修正，具体为：Bits7-46采用目标船舶原始AIS信息进行填充，bits47-124为船舶航速、经度、纬度及航向信息，雷达扫测的运动特征信息针对目标船舶误差在预设范围之外的AIS信息，对其AIS报文的位置、航速与航向信息进行编码更换，对误差处在合理范围内的AIS信息保留原始AIS信息不予修改，bits125-168采用目标船舶原始AIS信息进行填充。
按上述方案，所述的伪AIS信息触发模块构造的伪AIS信息报文根据R-REC-M.1371-5-201402-I规定的B类设备位置报告为基础进行创建，具体为：
！AIVDM,1,1,,B,BX1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16X17X18X19X20wv43P06；
其中，封装信息X1X2X3X4X5X6表示伪AIS信息含有MMSI信息的字符，X7X8X9X10X11X12X1 3X14X15X16X17X18X19X20表示伪AIS信息含有备用字段、SOG船舶对地航速、位置准确度、经度、维度、COG对地航向的字符，由雷达融合数据提供；
伪AIS信息为区别于正常船舶播发的AIS信息，对进出港水域内未正常播发AIS信息的目标的未知字段MMSI用人造字段进行填充编码；
基于对雷达目标融合中关于目标运动速度的监测，伪AIS信息报文的播发频率遵循普通AIS的播发频率标准。
所述的MMSI由9位阿拉伯数字组成，其格式为M1I2D3X4X5X6X7X8X9。
其中船舶识别号M1I2D3由三个约定的数字进行填充，代表该AIS为伪AIS信息；
X4X5X6X7以当天日期数字进行填充；
X8X9以01～99之间任何数字进行填充，表示该日期下所识别的目标的代号，并以时间顺序进行排序。
利用所述的基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统实现的预警方法，本方法包括以下步骤：
S1、利用岸基雷达和部署于安全巡航船舶上的船载雷达，对整个进出港水域的目标进行雷达扫测，对雷达扫测的结果进行数据融合，得到目标的雷达融合数据；
S2、将目标雷达融合数据，与从AIS岸台接收到的进出港水域内船舶AIS信息进行比对，判断目标的雷达融合数据与AIS信息是否具备一致性；判断结果包括以下三种：目标雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之内，具备一致性；目标的雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之外，不具备一致性，对目标的AIS信息进行修正；只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息；
S3、只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息时，根据目标的雷达融合数据，构建伪AIS信息报文发送给AIS岸台，由AIS岸台向进出港水域内所有船舶播发；
伪AIS信息报文是人为构造的AIS信息，用于针对水域中相关船舶播发不准确或未播发AIS的情形，进行主动干预；伪AIS信息报文及编码规则作为本地水域通航规则的一部分，事先向全体船舶公告，并得到该水域全体船舶的认可。
本发明的有益效果为：本发明通过船岸雷达联合探测，对进出港水域内目标船舶进行扫测，对于播发AIS信息的目标船舶验证其AIS信息的误差是否可接受；对于未播发AIS信息的目标，系统可依据岸基雷达与安全巡航船舶船载雷达联合计算创建伪AIS，且将这类特殊信息及编码规则作为本地水域通航规则的一部分，向全体船舶公告，得到该水域全体船舶的认可；保障进出港水域内船舶能实时监测到港口水域内的小目标，能够提高避碰决策和行动的有效性。
附图说明
图1为本发明一实施例的框架结构图。
图2为本发明一实施例的方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统，如图1所示，本主动预警系统包括：
船岸雷达联合探测系统，包括岸基雷达和部署于安全巡航船舶上的船载雷达，用于对整个进出港水域的目标进行雷达扫测，对雷达扫测的结果进行数据融合，得到目标的雷达融合数据。所述的目标的雷达融合数据为目标实时运动特征信息，包括目标船舶位置信息、航速信息与航向信息。
目标识别与对比模块，用于将目标雷达融合数据，与从AIS岸台接收到的进出港水域内船舶AIS信息进行比对，判断目标的雷达融合数据与AIS信息是否具备一致性；判断结果包括以下三种：目标雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之内，具备一致性；目标的雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之外，不具备一致性，对目标的AIS信息进行修正；只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息。
判断目标的雷达融合数据与AIS信息是否具备一致性，具体为：以雷达融合数据为基准，查找与之对应的AIS报文，将AIS报文与雷达融合数据进行误差判别，若误差在预设范围内，则不予修正，反之则判断雷达融合数据与AIS报文不具备一致性，修正AIS报文中的位置、航速与航向信息字段，并通过AIS岸台在进出港水域播发修正后的伪AIS信息；若未查到与该雷达融合数据相对应的AIS报文，说明此目标船舶未正常播发AIS，目标识别与对比模块将该目标的雷达融合数据发送至伪AIS信息触发模块。
所述的将AIS报文与雷达融合数据进行误差判别时，任意连续M次中有K次误差在预设范围之外时，判断雷达融合数据与AIS报文不具备一致性，对不具备一致性的AIS报文进行自动修复误差；并通过AIS岸台在进出港水域播发修正后的伪AIS信息，替代目标船舶原始AIS报文。例如，可以设置M＝3，K＝2。
所述的误差判别具体为：
记船岸雷达联合探测系统在{t0,t1,…,tn}时刻融合计算得到的船舶运动特征序列为
Figure BDA0002683334940000081
AIS岸台在
Figure BDA0002683334940000082
时刻收到某目标船舶的AIS信息为
Figure BDA0002683334940000083
目标识别与对比模块在t0,t1,…,tn这个时间序列中找到与
Figure BDA0002683334940000084
最接近的时刻点tm与tm+1。其中，
Figure BDA0002683334940000085
tm与tm+1满足下式：
Figure BDA0002683334940000086
目标识别与对比模块观察tm与tm+1这两个相邻时刻的雷达运动特征
Figure BDA0002683334940000087
与
Figure BDA0002683334940000088
来与目标船舶在
Figure BDA0002683334940000089
时刻的AIS信息
Figure BDA00026833349400000810
作误差判别；同时，对位置误差、航速误差与航向误差判别需要分别设置阈值，分别记为Eloc,Evel和Ecour，这几个阈值常数需要在系统中预先设置；
利用上述规则，所述的目标识别与对比模块具体按以下步骤对未正确播发AIS信息的目标船舶进行误差判别：
步骤一：对目标船舶位置坐标进行误差判别：
Figure BDA00026833349400000811
Figure BDA00026833349400000812
其中，D1为
Figure BDA00026833349400000813
时刻目标船舶AIS信息与tm时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的位置差距，D2为
Figure BDA00026833349400000814
时刻目标船舶AIS信息与tm+1时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的位置差距。
Figure BDA00026833349400000815
代表
Figure BDA00026833349400000816
时刻目标船舶AIS信息测得的纬度坐标，
Figure BDA00026833349400000817
代表
Figure BDA00026833349400000818
时刻目标船舶AIS信息测得的经度坐标，
Figure BDA00026833349400000819
代表tm时刻雷达扫测的目标船舶的纬度坐标，
Figure BDA0002683334940000091
代表tm时刻雷达扫测的目标船舶的经度坐标，
Figure BDA0002683334940000092
代表tm+1时刻雷达扫测的目标船舶的纬度坐标，
Figure BDA0002683334940000093
代表tm+1时刻雷达扫测的目标船舶的经度坐标；
目标船舶的AIS信息与雷达探测融合得到的运动特征信息之间位置差距应满足：
判别条件1：D1≤Eloc；
判别条件2：D2≤Eloc；
若判别条件1和判别条件2均不成立，则目标船舶AIS信息误差在预设范围之外，予以修正；
步骤二：对目标船舶航速信息进行误差判别：
判别条件3：
Figure BDA0002683334940000094
判别条件4：
Figure BDA0002683334940000095
其中，ΔV1为
Figure BDA0002683334940000096
时刻目标船舶AIS信息与tm时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航速差，ΔV2为
Figure BDA0002683334940000097
时刻目标船舶AIS信息与tm+1时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航速差，
Figure BDA0002683334940000098
为
Figure BDA0002683334940000099
时刻目标船舶AIS信息的船舶航速，
Figure BDA00026833349400000910
为tm时刻雷达扫测的目标船舶的航速，
Figure BDA00026833349400000911
为tm+1时刻雷达扫测的目标船舶的航速；
若判别条件3和判别条件4均不成立，则目标船舶AIS信息误差在预设范围之外，予以修正；
步骤三：对目标船舶航向信息进行误差判别：
判别条件5：
Figure BDA00026833349400000912
判别条件6：
Figure BDA00026833349400000913
其中，COG1为
Figure BDA00026833349400000914
时刻目标船舶AIS信息与tm时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航向差，COG2为
Figure BDA00026833349400000920
时刻目标船舶AIS信息与tm+1时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航向差，
Figure BDA00026833349400000916
代表
Figure BDA00026833349400000917
时刻目标船舶AIS信息的船舶航向，
Figure BDA00026833349400000918
代表tm时刻雷达扫测的目标船舶航向，
Figure BDA00026833349400000919
代表tm+1时刻雷达扫测的目标船舶航向。
若判别条件5和判别条件6均不成立，则目标船舶AIS信息误差在预设范围之外，需予以修正。
当误差判别在预设范围之外时，系统需要用雷达探测融合得到的运动特征信息对AIS报文信息误差在预设范围之外的部分进行修正。系统根据雷达运动特征
Figure BDA0002683334940000101
的航速信息，确定AIS岸台播发伪AIS的下一时刻
Figure BDA0002683334940000102
Figure BDA0002683334940000103
信息更新时间；
根据AIS国际规则，AIS信息更新时间如下表所示：
船舶航行状态 AIS信息更新时间
船速0-14节 12秒
船速14-23节 6秒
船速＞23节 2秒
利用上述规则，系统于与
Figure BDA0002683334940000104
时刻最为接近的tm+x时刻，其中tm+x∈{t0,t1,…,tn}，用雷达探测融合得到的运动特征信息
Figure BDA0002683334940000105
对AIS报文的位置、航速与航向信息进行修正，并通过AIS岸台在tm+x时刻播发相应的伪AIS信息。
所述的AIS报文信息转换为6bitASCII码共有168位，其中bits1-6为消息ID，规定bits1-6为000000，消息ID为0号的消息定义为目标识别与对比模块对未正确播发AIS的目标船舶AIS信息进行修正后的伪AIS信息，
所述的予以修正，具体为：Bits7-46采用目标船舶原始AIS信息进行填充，bits47-124为船舶航速、经度、纬度及航向信息，雷达扫测的运动特征信息针对目标船舶误差不可接受的AIS信息，对其AIS报文的位置、航速与航向信息进行编码更换，对误差处在合理范围内的AIS信息保留原始AIS信息不予修改，bits125-168采用目标船舶原始AIS信息进行填充。
伪AIS信息触发模块，用于只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息时，根据目标的雷达融合数据，构建伪AIS信息报文发送给AIS岸台，由AIS岸台向进出港水域内所有船舶播发。所述的伪AIS信息报文为人为构造的AIS信息，用于针对水域中相关船舶播发不准确或未播发AIS的情形，进行主动干预；伪AIS信息报文及编码规则作为本地水域通航规则的一部分，事先向全体船舶公告，并得到该水域全体船舶的认可。
所述的目标识别与对比模块，伪AIS信息触发模块，均设置在岸基平台。
约定一类公有的AIS报文，其中表示水上移动通信业务标识码(MMSI)、船舶对地速度(SOG)、位置准确度、经度、纬度与对地航向(COG)等部分字段填充为自定义的特殊信息，且这类特殊信息及编码规则作为本地水域通航规则的一部分，向全体船舶公告，并得到该水域全体船舶的认可。
根据国际海事组织(IMO)要求，强制300总吨以上的大中型船舶必须安装A类船载设备，但在内河和近海区域，大部分中小型船舶上配备B类AIS设备，且不会干扰其他类型的AIS设备运行。根据R-REC-M.1371-5-201402-I规定，伪AIS信息触发模块所构造的伪AIS信息以规定中消息18：标准的B类设备位置报告为基础进行创建，本发明采用如下的格式定义伪AIS信息,区别于普通AIS的特征在于船舶MMSI码用人造字段进行填充编码：B类AIS信息其格式为：！AIVDM,a,b,c,d,e-e,f*hh(CR)(LF)。
其中AIVDM为本船接收到的其他船舶的报文，a,b,c分别表示发送这一信息需要的句子总数(1-9)、本句的句子序数(1-9)和连续信息的识别(0-9)，d表示AIS信道号；e-e为封装信息；f表示填充的bit数；hh表示检验和字段。
首先将封装的信息转换为6位编码，标准B类设备位置报告对应消息类型18，转换为二进制对应6bitASCII码为B，固封装信息第一位字符为B。
依次将后续封装信息先转换为8bitASCII码，再根据AIS编码规则将其逐一转换为6bit二进制码，最后将其排序并将相应位置bit数转换为十进制即为消息18所包含信息含义。利用上述规则，目标识别与对比模块进行伪AIS信息创建，封装信息前的报头及相关信息为！AIVDM,1,1,,B。
封装信息e-e共由28位字符组成，共168bit数，其中bits9-38表示水上移动通信业务标识码MMSI，基于中华人民共和国交通运输行业标准发布的《水上移动业务电台识别》，伪AIS信息为区别于正常船舶播发的AIS信息，对进出港水域内未正常播发AIS信息的目标的未知字段MMSI用人造字段进行填充编码，MMSI由9位阿拉伯数字组成，其格式为M1I2D3X4X5X6X7X8X9。
其中船舶识别号M1I2D3由数字999进行填充，代表该AIS为伪AIS信息；X4X5X6X7以当天日期数字进行填充，如7月24日即填充数字“0724”；X8X9以01～99之间任何数字进行填充，表示该日期下所识别的目标的代号，并以时间顺序进行排序。
利用上述规则，伪AIS信息MMSI总号段应为999010101～999123199。
再将所创建的MMSI码转换为二进制，可得到30位bit数，并对照6bitASCII数字编码表即可得到相应的字符。
bits39-124分别为备用字段、船舶对地航速SOG、位置准确度、经度、维度、对地航向COG，其封装信息由伪AIS信息触发模块根据船岸雷达联合探测系统接收的雷达信息，获取进出港水域内目标的实时信息并进行计算编码得到，先将所得信息转换为标准ASCII码，再根据AIS转码规则将其转换为6bitASCII码，并对照6bitASCII数字编码表得到相应的字符，固字符8-21位为伪AIS信息触发模块编码创造。
bits125-168为消息18：标准的B类设备位置报告中默认设置信息，其中包含实际航向、时戳、B类装置标志、B类显示器标志、B类DSC标志、B类带宽标志、B类消息22标志、模式标志、RAIM标志、通信状态选择器标志与通信状态。将其统一格式设置为默认模式，并将其bits125-168与6bitASCII数字编码表对照得到字符wv43P06。
利用上述的一种基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统针对未正常播发AIS信息的目标船舶，系统创建一种伪AIS信息，其伪AIS信息报文特征在于：
！AIVDM,1,1,,B,BX1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16X17X18X19X20wv43P06。
其中，封装信息X1X2X3X4X5X6表示伪AIS信息含有MMSI信息的字符，X7X8X9X10X11X12X1 3X14X15X16X17X18X19X20表示伪AIS信息含有备用字段、SOG船舶对地航速、位置准确度、经度、维度、COG对地航向等信息的字符，由雷达融合数据提供。基于对雷达目标融合中关于目标运动速度的监测，该类伪AIS信息的播发频率遵循普通AIS的播发频率标准。
本实施例中，利用船-岸雷达联合探测系统安全巡航船舶船载雷达与岸基雷达联合计算监测发现当日第3艘入侵小目标，其航速V＝8.5kn，经度lon＝114.231585°E，纬度lat＝30.493275°N，航向COG＝208.5°，当日日期为7月17日。
利用伪AIS信息触发模块对此入侵小目标进行伪AIS创建，其中：封装信息前的报头及相关信息为！AIVDM,1,1,,B；封装信息共有28位字符，168bit数。bits1-6固定表示为消息ID，由于所播发AIS信息固定为消息类型18，所以其二进制码为010010，对应字符为B。bits7-8表示转发指示符，默认设置00。bits9-38表示MMSI码，伪AIS信息触发模块根据第三艘入侵小目标情况自动生成其MMSI码为999071703，通过转换为二进制再与6bitASCII数字编码表对应得固封装信息2-6位字符为>pjOm。
bits39-46表示备用字段，默认为0，留做将来使用，固封装信息第7位字符为h；bits47-56表示船舶对地航速SOG，根据船-岸雷达联合探测系统所测得雷达信息得到航速V＝8.5kn，得到封装信息8-9位字符为0E。bit57为位置准确度，默认为0；bits58-85表示经度，根据船-岸雷达联合探测系统所测得雷达信息得到经度lon＝114.231585°E，转换为二进制再与6bitASCII数字编码表对应得固封装信息10-14位字符为B2fTS。bits86-112表示纬度，根据船-岸雷达联合探测系统所测得雷达信息得到纬度lat＝30.493275°N，转换为二进制再与6bitASCII数字编码表对应得固封装信息15-18位字符为TG；9。bits113-124表示航向COG，根据船-岸雷达联合探测系统所测得雷达信息得到航向COG＝208.5°，转换为二进制再与6bitASCII数字编码表对应得固封装信息19-20位字符为n2。bits125-133表示实际航向，所对应十进制默认值为511，所对应二进制为111111111，固字符21-22位为Gw。bits134-139表示时戳，因安全巡航船舶均配备GPS设备，时戳通常以GPS设备时戳为准，固通常以十进制数60表示时戳不可用，其对应第23位字符为v。bits140-141表示备用，默认为00。bits142表示B类装置标志，为不占用A类AIS信道，增加网络负载，伪AIS信息采用B类CS装置，bits142对应值为1。bits143表示B类显示器标志，默认为0，表示显示器不可用；bits144表示B类DSC标志，默认为0，表示未装备DSC功能；bits139-144分别为000100，所对应第24位字符为4；bits145表示B类带宽标志，默认为0，表示可以超出船用频段的上限525kHz工作；bits146表示B类消息22标志，默认为0，表示未经消息22进行频率管理；bits147表示模式标志，默认为0，表示台站工作在自主和连续模式；bits148表示RAIM标志，默认为0，表示RAIM未使用；bits149表示通信状态选择器标志，对B类CS固定为1；bits150-168表示通信状态，对B类CS未采用任何通信状态信息，默认为1100000000000000110；第25-28位字符依据6bitASCII数字编码表分别为3P06。
伪AIS信息触发模块通过船-岸雷达联合探测系统所接受的安全巡航船舶船载雷达信息与岸基雷达信息对未正常发送AIS信息的小目标所创建的伪AIS为：！AIVDM,1,1,,B,B>pjOmh0EB2fTSTG；9n2Gwv43P06。
根据伪AIS信息触发模块所创建的伪AIS信息，由AIS岸台发送给安全巡航船舶与进出港水域船舶进行主动预警，使安全巡航船舶能及时发现未正常播发AIS信息的小目标，保障进出港水域通航安全。
本发明通过对AIS进行误差判别与创建伪AIS，加强了安全巡航船舶水面实时监测与主动预警能力，保障进出港水域通航安全。
所述的目标识别与对比模块和伪AIS信息触发模块，均设置在岸基平台。
所述的基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统实现的预警方法，如图2所示，本方法包括以下步骤：
S1、利用岸基雷达和部署于安全巡航船舶上的船载雷达，对整个进出港水域的目标进行雷达扫测，对雷达扫测的结果进行数据融合，得到目标的雷达融合数据；
S2、将目标雷达融合数据，与从AIS岸台接收到的进出港水域内船舶AIS信息进行比对，判断目标的雷达融合数据与AIS信息是否具备一致性；判断结果包括以下三种：目标雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之内，具备一致性；目标的雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之外，不具备一致性，对目标的AIS信息进行修正；只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息；
S3、只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息时，根据目标的雷达融合数据，构建伪AIS信息报文发送给AIS岸台，由AIS岸台向进出港水域内所有船舶播发；
伪AIS信息报文为人为构造的AIS信息，用于针对水域中相关船舶播发不准确或未播发AIS的情形，进行主动干预；伪AIS信息报文及编码规则作为本地水域通航规则的一部分，事先向全体船舶公告，并得到该水域全体船舶的认可。
本发明可对进出港水域内的目标进行准确识别并预警，对于未正常播发AIS信息的目标系统可播发包含其速度、位置与航向等信息的伪AIS信息，从而保证进出港水域出入港的安全。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统，其特征在于：本主动预警系统包括：
船岸雷达联合探测系统，包括岸基雷达和部署于安全巡航船舶上的船载雷达，用于对整个进出港水域的目标进行雷达扫测，对雷达扫测的结果进行数据融合，得到目标的雷达融合数据；
目标识别与对比模块，用于将目标雷达融合数据，与从AIS岸台接收到的进出港水域内船舶AIS信息进行比对，判断目标的雷达融合数据与AIS信息是否具备一致性；判断结果包括以下三种：目标雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之内，即具备一致性；目标的雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之外，即不具备一致性，对目标的AIS信息进行修正；只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息；
伪AIS信息触发模块，用于只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息时，根据目标的雷达融合数据，构建伪AIS信息报文发送给AIS岸台，由AIS岸台向进出港水域内所有船舶播发；
所述的伪AIS信息报文是人为构造的AIS信息，用于针对水域中相关船舶播发不准确或未播发AIS的情形，进行主动干预；伪AIS信息报文及编码规则作为本地水域通航规则的一部分，事先向全体船舶公告，并得到该水域全体船舶的认可。
2.根据权利要求1所述的基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统，其特征在于：所述的目标的雷达融合数据为目标实时运动特征信息，包括目标船舶位置信息、航速信息与航向信息。
3.根据权利要求1所述的基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统，其特征在于：所述的目标识别与对比模块和伪AIS信息触发模块，均设置在岸基平台。
4.根据权利要求1所述的基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统，其特征在于：判断目标的雷达融合数据与AIS信息是否具备一致性，具体为：以雷达融合数据为基准，查找与之对应的AIS报文，将AIS报文与雷达融合数据进行误差判别，若误差在预设范围内，则不予修正，反之则判断雷达融合数据与AIS报文不具备一致性，修正AIS报文中的位置、航速与航向信息字段，并通过AIS岸台在进出港水域播发修正后的伪AIS信息；若未查到与该雷达融合数据相对应的AIS报文，说明此目标船舶未正常播发AIS，目标识别与对比模块将该目标的雷达融合数据发送至伪AIS信息触发模块。
5.根据权利要求4所述的基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统，其特征在于：所述的将AIS报文与雷达融合数据进行误差判别时，任意连续M次中有K次误差在预设范围之外时，判断雷达融合数据与AIS报文不具备一致性，对不具备一致性的AIS报文进行自动修复误差；并通过AIS岸台在进出港水域播发修正后的伪AIS信息，替代目标船舶原始AIS报文。
6.根据权利要求5所述的基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统，其特征在于：所述的误差判别具体为：
记船岸雷达联合探测系统在{t0,t1,…,tn}时刻融合计算得到的船舶运动特征序列为
Figure FDA0002683334930000021
AIS岸台在
Figure FDA0002683334930000022
时刻收到某目标船舶的AIS信息为
Figure FDA0002683334930000023
目标识别与对比模块在t0,t1,…,tn这个时间序列中找到与
Figure FDA0002683334930000024
最接近的时刻点tm与tm+1；其中，
Figure FDA0002683334930000025
tm与tm+1满足下式：
Figure FDA0002683334930000026
目标识别与对比模块观察tm与tm+1这两个相邻时刻的雷达运动特征
Figure FDA0002683334930000027
与
Figure FDA0002683334930000028
来与目标船舶在
Figure FDA0002683334930000029
时刻的AIS信息
Figure FDA00026833349300000210
作误差判别；同时，对位置误差、航速误差与航向误差判别需要分别设置阈值，分别记为Eloc,Evel和Ecour，这几个阈值常数需要在系统中预先设置；
利用上述规则，所述的目标识别与对比模块具体按以下步骤对未正确播发AIS信息的目标船舶进行误差判别：
步骤一：对目标船舶位置坐标进行误差判别：
Figure FDA00026833349300000211
Figure FDA00026833349300000212
其中，D1为
Figure FDA00026833349300000213
时刻目标船舶AIS信息与tm时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的位置差距，D2为
Figure FDA00026833349300000214
时刻目标船舶AIS信息与tm+1时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的位置差距；
Figure FDA00026833349300000215
代表
Figure FDA00026833349300000216
时刻目标船舶AIS信息测得的纬度坐标，
Figure FDA00026833349300000217
代表
Figure FDA00026833349300000218
时刻目标船舶AIS信息测得的经度坐标，
Figure FDA00026833349300000219
代表tm时刻雷达扫测的目标船舶的纬度坐标，
Figure FDA00026833349300000220
代表tm时刻雷达扫测的目标船舶的经度坐标，
Figure FDA00026833349300000221
代表tm+1时刻雷达扫测的目标船舶的纬度坐标，
Figure FDA00026833349300000222
代表tm+1时刻雷达扫测的目标船舶的经度坐标；
目标船舶的AIS信息与雷达探测融合得到的运动特征信息之间位置差距满足：
判别条件1：D1≤Eloc；
判别条件2：D2≤Eloc；
若判别条件1和判别条件2均不成立，则目标船舶AIS信息误差在预设范围之外，予以修正；
步骤二：对目标船舶航速信息进行误差判别：
判别条件3：
Figure FDA0002683334930000031
判别条件4：
Figure FDA0002683334930000032
其中，ΔV1为
Figure FDA0002683334930000033
时刻目标船舶AIS信息与tm时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航速差，ΔV2为
Figure FDA0002683334930000034
时刻目标船舶AIS信息与tm+1时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航速差，
Figure FDA0002683334930000035
为
Figure FDA0002683334930000036
时刻目标船舶AIS信息的船舶航速，
Figure FDA0002683334930000037
为tm时刻雷达扫测的目标船舶的航速，
Figure FDA0002683334930000038
为tm+1时刻雷达扫测的目标船舶的航速；
若判别条件3和判别条件4均不成立，则目标船舶AIS信息误差在预设范围之外，予以修正；
步骤三：对目标船舶航向信息进行误差判别：
判别条件5：
Figure FDA0002683334930000039
判别条件6：
Figure FDA00026833349300000310
其中，COG1为
Figure FDA00026833349300000311
时刻目标船舶AIS信息与tm时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航向差，COG2为
Figure FDA00026833349300000312
时刻目标船舶AIS信息与tm+1时刻雷达探测融合的运动特征信息之间的航向差，
Figure FDA00026833349300000313
代表
Figure FDA00026833349300000314
时刻目标船舶AIS信息的船舶航向，
Figure FDA00026833349300000315
代表tm时刻雷达扫测的目标船舶航向，
Figure FDA00026833349300000316
代表tm+1时刻雷达扫测的目标船舶航向；
若判别条件5和判别条件6均不成立，则目标船舶AIS信息误差在预设范围之外，予以修正；当误差判别在预设范围之外时，系统需要用雷达探测融合得到的运动特征信息对AIS报文信息误差在预设范围之外的部分进行修正；系统根据雷达运动特征
Figure FDA00026833349300000317
的航速信息，确定AIS岸台播发伪AIS的下一时刻
Figure FDA00026833349300000318
Figure FDA00026833349300000319
信息更新时间；
根据AIS国际规则，AIS信息更新时间如下表所示：
船舶航行状态 AIS信息更新时间 船速0-14节 12秒 船速14-23节 6秒 船速＞23节 2秒
利用上述规则，系统于与
Figure FDA00026833349300000320
时刻最为接近的tm+x时刻，其中tm+x∈{t0,t1,…,tm}，用雷达探测融合得到的运动特征信息
Figure FDA00026833349300000321
对AIS报文的位置、航速与航向信息进行修正，并通过AIS岸台在tm+x时刻播发相应的伪AIS信息。
7.根据权利要求6所述的基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统，其特征在于：所述的AIS报文信息转换为6bitASCII码共有168位，其中bits1-6为消息ID，规定bits1-6为000000，消息ID为0号的消息定义为目标识别与对比模块对不具备一致性的目标船舶AIS信息予以修正后的伪AIS信息；
所述的予以修正，具体为：Bits7-46采用目标船舶原始AIS信息进行填充，bits47-124为船舶航速、经度、纬度及航向信息，雷达扫测的运动特征信息针对目标船舶误差在预设范围之外的AIS信息，对其AIS报文的位置、航速与航向信息进行编码更换，对误差处在合理范围内的AIS信息保留原始AIS信息不予修改，bits125-168采用目标船舶原始AIS信息进行填充。
8.根据权利要求1所述的基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统，其特征在于：所述的伪AIS信息触发模块构造的伪AIS信息报文根据R-REC-M.1371-5-201402-I规定的B类设备位置报告为基础进行创建，具体为：
！AIVDM,1,1,,B,BX1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16X17X18X19X20wv43P06；
其中，封装信息X1X2X3X4X5X6表示伪AIS信息含有MMSI信息的字符，X7X8X9X10X11X12X13X1 4X15X16X17X18X19X20表示伪AIS信息含有备用字段、SOG船舶对地航速、位置准确度、经度、维度、COG对地航向的字符，由雷达融合数据提供；
伪AIS信息为区别于正常船舶播发的AIS信息，对进出港水域内未正常播发AIS信息的目标的未知字段MMSI用人造字段进行填充编码；
基于对雷达目标融合中关于目标运动速度的监测，伪AIS信息报文的播发频率遵循普通AIS的播发频率标准。
9.根据权利要求8所述的基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统，其特征在于：所述的MMSI由9位阿拉伯数字组成，其格式为M1I2D3X4X5X6X7X8X9。
其中船舶识别号M1I2D3由三个约定的数字进行填充，代表该AIS为伪AIS信息；
X4X5X6X7以当天日期数字进行填充；
X8X9以01～99之间任何数字进行填充，表示该日期下所识别的目标的代号，并以时间顺序进行排序。
10.利用权利要求1至9中任意一项所述的基于AIS的进出港水域目标识别与主动预警系统实现的预警方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：
S1、利用岸基雷达和部署于安全巡航船舶上的船载雷达，对整个进出港水域的目标进行雷达扫测，对雷达扫测的结果进行数据融合，得到目标的雷达融合数据；
S2、将目标雷达融合数据，与从AIS岸台接收到的进出港水域内船舶AIS信息进行比对，判断目标的雷达融合数据与AIS信息是否具备一致性；判断结果包括以下三种：目标雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之内，具备一致性；目标的雷达融合数据与对应目标的AIS信息中的数据误差在预设范围之外，不具备一致性，对目标的AIS信息进行修正；只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息；
S3、只有目标的雷达融合数据，没有探测到对应目标的AIS信息时，根据目标的雷达融合数据，构建伪AIS信息报文发送给AIS岸台，由AIS岸台向进出港水域内所有船舶播发；
伪AIS信息报文是人为构造的AIS信息，用于针对水域中相关船舶播发不准确或未播发AIS的情形，进行主动干预；伪AIS信息报文及编码规则作为本地水域通航规则的一部分，事先向全体船舶公告，并得到该水域全体船舶的认可。
CN202010968844.0A 2020-09-15 2020-09-15 一种基于ais的进出港水域目标识别与主动预警系统及方法 Active CN112133132B (zh)

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