JP2009025042A - 船舶用目標追尾装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自船の方位データに異常が発生しているか否かを知ることができる船舶用目標追尾装置を提供する。
【解決手段】Association判定部３は、目標追尾部２から出力された目標船のデータ（レーダ追尾目標データ）と、AIS処理部４から出力された他船のデータ（AIS目標データ）とを比較し、同一目標船と判定されたデータを分散判定部５へ出力する。分散判定部５は、レーダ追尾目標データに含まれる目標船の方位データと、AIS目標データに含まれる目標船の方位データとの差に基づく指標値を計算し、その指標値に基づいて、レーダ追尾目標データに含まれる方位データに異常が発生しているか否かを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、海上の目標物を追尾する船舶用目標追尾装置に関する。

従来から、船舶レーダを利用し、その受信機より得られたレーダエコーから目標船の信号を識別し、自動的にその目標船の位置を記録し、その速度とコースを推定する自動レーダ追尾装置（例えば特許文献１参照）等の船舶用目標追尾装置が知られている。
特開２０００−２９８１６９号公報

上記の船舶用目標追尾装置には、自船の方位データを取得するためのジャイロコンパスが接続されている。このジャイロコンパスがシンクロ等のアナログ伝達方式で接続されている場合、レーダを搭載した船舶が操業中に漁網を引き上げる際に、船舶が網に引っ張られて急回頭を継続するため、この急回頭にアナログ伝達方式が追従することができず、方位ずれが生じる場合がある。また、船舶が荒天に遭遇した場合にも、船体が高波に叩かれて結果的に急回頭を頻繁に繰り返し、同様に方位ずれが生じる場合がある。

このデータの伝達方式に起因する方位ずれは、レーダに接続した目標追尾回路によって追尾されている目標船の推定位置にもずれを発生させる。このため、レーダは、目標船がジグザグに航行をしているかのような表示を行ってしまう。また、追尾も不安定となり、最悪の場合、目標追尾回路が目標船を見失うことも考えられる。しかし、方位ずれが発生した場合に、自船の方位データに異常が発生しているのか、それとも目標船の動きが不安定なのかを知ることができなかった。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、自船の方位データに異常が発生しているか否かを知ることができる船舶用目標追尾装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、海上の目標物を追尾する船舶用目標追尾装置において、方位センサから得られる自船の方位データと、レーダから得られるレーダ映像とから得られる目標物の第１方位データと、船舶自動識別装置から得られる目標物の第２方位データとの差に基づく指標値を計算し、当該指標値に基づいて、前記第１方位データに異常が発生しているか否かを判定する判定手段を備えたことを特徴とする船舶用目標追尾装置である。

また、本発明の船舶用目標追尾装置において、前記判定手段によって、前記第１方位データに異常が発生していると判定された場合に、目標物の追尾処理に用いる追尾フィルタに設定する係数を、自船および目標物の少なくとも一方の方位データの平滑化を強めるように変更する変更手段をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、目標物の第１方位データと第２方位データとの差に基づく指標値を計算し、当該指標値に基づいて、第１方位データに異常が発生しているか否かを判定することによって、自船の方位データに異常が発生しているか否かを知ることができるという効果が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態による船舶用目標追尾装置の構成を示している。空中線送受信部１は電磁波を送受信し、空中線の向きを示す空中線方位信号とレーダエコーの映像とを指示機１０へ出力する。指示機１０内には、目標追尾部２とAssociation判定部３とAIS処理部４と分散判定部５とが設けられている。

目標追尾部２には、空中線送受信部１からの空中線方位信号およびレーダ映像と、ジャイロセンサ（方位センサ）からのジャイロ信号（自船の方位データ）と、電磁ログ（速度センサ）からの船速信号（自船の速度データ）とが入力される。目標追尾部２は、レーダ映像から、信号処理によって、追尾対象となる目標船（目標物）を検出し、ジャイロ信号および船速信号から目標船の位置と真速度（方位および速さ）を算出し、目標船の追尾処理を行う。また、目標追尾部２は、算出した目標船の位置および真速度を含むデータをAssociation判定部３へ出力する。

AIS処理部４には、GPS（Global Positioning System）受信機から出力された、自船の経度と緯度、HDOP（水平精度劣化係数）、およびGPS quality indicatorを含むGPSセンテンスと、船舶自動識別装置（AIS：Automatic Identification System）から出力された、他船の経度、緯度、針路、船速、position accuracy、およびtime stampを含むAISメッセージとが入力される。AIS処理部４はこれらのデータを処理し、他船の自船からの距離および方位を含むデータをAssociation判定部３へ出力すると共に、HDOP、GPS quality indicator、position accuracy、およびtime stampを含むデータを分散判定部５へ出力する。

Association判定部３は、目標追尾部２から出力された目標船のデータ（以下、レーダ追尾目標データとする）と、AIS処理部４から出力された他船のデータ（以下、AIS目標データとする）とを比較し、同一目標船と判定されたデータを分散判定部５へ出力する。分散判定部５は、レーダ追尾目標データに含まれる目標船の方位データと、AIS目標データに含まれる目標船の方位データとの差に基づく指標値を計算し、その指標値に基づいて、レーダ追尾目標データに含まれる方位データに異常が発生しているか否かを判定する。

次に、分散判定部５による判定の手順を説明する（図２参照）。なお、設計時に、各空中線の定常時における方位の標準偏差（σ_RD）が予め計測され、その値がメモリに格納されているものとする。この値は、ビーム幅の影響を含むものである。分散判定部５は、追尾対象と同一の目標船とみなされた他船に関するAIS目標データをAssociation判定部３から取得し（ステップＳ１００）、さらにAISメッセージ内のtime stampおよび目標追尾のデータ遅延等を考慮し、できるだけ近い時間の目標船のレーダ追尾目標データをAssociation判定部３から取得する（ステップＳ１０２）。

続いて、分散判定部５は、AIS目標データに含まれる目標船の方位データ（以下、AIS目標方位データＺ_ＡＩＳとする）から、レーダ追尾目標データに含まれる目標船の方位データ（以下、レーダ追尾目標方位データＺ_ＲＤとする）を減算する（ステップＳ１０４）。サンプル数が所定数（ｎ）に達していない場合（ステップＳ１０６でＮＯの場合）には、上記のステップＳ１００〜Ｓ１０４が繰り返される。サンプル数が所定数（ｎ）に達した場合（ステップＳ１０６でＹＥＳの場合）には、ステップＳ１０８に進む。

AIS目標方位データＺ_ＡＩＳとレーダ追尾目標方位データＺ_ＲＤは無相関であるので、これらの差の期待値は、レーダ側の方位調整ずれと、AISおよびレーダ追尾が想定する目標中心位置のずれとが主であると想定できる。これらのうち、目標中心位置のずれは、通常の船体長を考慮すると、数十メートルのオーダになるので、方位ずれとしては無視できる。したがって、AIS目標方位データＺ_ＡＩＳとレーダ追尾目標方位データＺ_ＲＤの差の平均値は、方位調整ずれに基づくものとし、これをθとする。

ステップＳ１０８では、分散判定部５は、ステップＳ１０４で算出した差の平均値θ（ラジアン）を以下の（１）式により算出する（ステップＳ１０８）。

続いて、分散判定部５はAIS目標方位データＺ_ＡＩＳとレーダ追尾目標方位データＺ_ＲＤの差の自乗平均を算出する（ステップＳ１１０）。上記のように、AIS目標方位データＺ_ＡＩＳとレーダ追尾目標方位データＺ_ＲＤは無相関であるので、これらの差の自乗平均は以下の（２）式のようになる。

続いて、分散判定部５はステップＳ１１２〜Ｓ１１６により、AIS目標方位データＺ_ＡＩＳの標準偏差σ_ＡＩＳの値を算出する。GPS衛星から送信されるデータの誤差は、GPSセンテンスに含まれるHDOP（水平精度劣化指数）とUERE（利用者等価測距誤差）の積として算出される。分散判定部５は、AIS処理部４から出力されたGPS quality indicatorに基づいて、UEREの適切な値（例えば1.4）を設定する（ステップＳ１１２）。

GPS受信機の位置の経度方向の分散をσ^２ _ｘ、緯度方向の分散をσ^２ _ｙとすると、HDOPとUEREの積（メートル）は以下の（３）式のようになる。

GPSによる目標船の位置の誤差は、図３に示すように、距離方向成分ｄｒと方位方向成分ｄａとに分解される。自船の位置の誤差も同様である。（３）式では位置の誤差の方位方向成分ｄａの分散を知ることはできないが、類似の値であると想定し、分散判定部５は、GPSによる自船の位置の方位方向誤差の分散σ^２ _ｄａ__ｏｗｎを以下の（４）式により算出する。自船から数マイル以上離れた目標船については、目標距離ｒと比較して、目標位置の誤差の距離方向成分は非常に小さい値となるので、目標方位には影響がないものとする。

また、AISメッセージに含まれるposition accuracyが10メートル以下のデータが選択されるものとすると、以下の（５）式を想定し、上記と同様に分散判定部５は、GPSによる目標船の位置の方位方向誤差の分散σ^２ _ｄａ__{ｔａｒｇｅｔ}を以下の（６）式により算出する。

目標船の位置は、目標船の緯度・経度から自船の緯度・経度を減算することにより求められるため、結果としての目標船の位置の方位方向誤差の分散は、自船のGPSによる方位方向誤差と目標船のGPSによる方位方向誤差との和となる。この和をσ^２ _ｄａ__{ｔｏｔａｌ}とすると、σ^２ _ｄａ__{ｔｏｔａｌ}は以下の（７）式のようになる。

この値は、目標距離ｒに対して非常に小さいと想定できるので、以下の（８）式の近似式が成り立つ。したがって、AIS目標方位データＺ_ＡＩＳの標準偏差σ_ＡＩＳは以下の（９）式で近似できる。分散判定部５は（９）式により、AIS目標方位データＺ_ＡＩＳの標準偏差σ_ＡＩＳの概略値を算出する（ステップＳ１１４）。

また、分散判定部５は、（２）式を変形した以下の（１０）式により、AIS目標方位データＺ_ＡＩＳの標準偏差σ_ＡＩＳ__{ｅｓｔｉｍａｔｅｄ}を算出し（ステップＳ１１６）、さらにステップＳ１１４で算出したσ_ＡＩＳと、ステップＳ１１６で算出したσ_ＡＩＳ__{ｅｓｔｉｍａｔｅｄ}との差を算出する（ステップＳ１１８）。ステップＳ１１８で算出した値が所定の閾値を超えた場合（ステップＳ１２０でＹＥＳの場合）、分散判定部５は、計算に用いたσ_ＲＤと比較して実際のσ_ＲＤが増大していると判断し、目標追尾部２において目標物の追尾処理に用いる追尾フィルタに設定する係数を、自船および目標船の少なくとも一方の方位データの平滑化を強めるように変更する（ステップＳ１２２）。一方、ステップＳ１１８で算出した値が所定の閾値以下であった場合（ステップＳ１２０でＮＯの場合）、分散判定部５は、目標追尾部２における追尾フィルタの係数をデフォルト値に設定する（ステップＳ１２４）。ステップＳ１２２およびＳ１２４以降、ステップＳ１００に戻り、上記の一連の処理が繰り返される。

次に、方位データの平滑化を強める方法を説明する。まず、ジャイロセンサの誤差が方位データに与える影響を説明するために、方位データの算出方法を説明する。空中線送受信部１は、自船の船首方位を基準に計測した目標船の方位（目標相対方位）を指示機１０に伝達する。図４に示す例では目標相対方位は４５°である。

続いて、目標追尾部２は、ジャイロセンサから得られる船首方位のデータを使用して、目標相対方位を目標真方位に変換する。上記の例の場合、以下の（１１）式に示すように、目標真方位は１３５°となる。このようにして目標真方位を算出するため、ジャイロセンサから得られるデータの誤差は目標真方位の誤差に影響する。また、当然、ジャイロセンサから得られるデータの誤差は自船方位の誤差にも影響する。
目標真方位＝目標相対方位（４５°）＋船首方位（９０°）
＝１３５° ・・・（１１）

以下、方位データの平滑化を強める方法の一例を説明する。追尾フィルタの係数を変更することにより方位データの平滑化を強める方法として以下の２つの方法がある。
（１）α−βフィルタの係数を変更する。
（２）カルマンフィルタの係数を変更する。

まず、α−βフィルタの係数を変更する方法を説明する。このフィルタに使用する座標系として、自船を中心とした極座標系と、自船を中心とした直交座標系とが考えられる。目標船までの距離が十分に遠い場合には、極座標系が適用できる。この場合、平滑化された自船の方位データの標準偏差は以下の（１２）式で表される。αとβの値を小さくすれば平滑化が強まる。

目標船までの距離が近い場合には、極座標系を使用すると、目標船が一定速度で直進していても、擬似的な加速が発生してしまうので、Ｙ軸を北方向、Ｘ軸を東方向とする直交座標系を使用する。極座標系を使用した場合には、目標船の座標が（目標方位、目標距離）と表されるため、目標方位のデータのみを平滑化することができる。しかし、直交座標系を使用した場合には、目標船の座標が（緯度方向の自船からの距離、経度方向の自船からの距離）と表されるため、目標方位のデータは極座標系のように分離されてはおらず、緯度方向と経度方向のそれぞれの位置（距離）のデータに含まれている。したがって、直交座標系を使用した場合には、目標方位のデータのみを平滑化することはできず、緯度方向と経度方向のそれぞれの位置（距離）のデータを平滑化することになる。

次に、カルマンフィルタの係数を変更する方法を説明する。カルマンフィルタを構成する方程式として、以下の（１３）式と（１４）式の一般式に示される線形の運動方程式を仮定する。
ｘ_ｋ＋１＝Ｆ_Ｋｘ_ｋ＋Ｇ_ｋｗ_ｋ ・・・（１３）
ｙ_ｋ＝Ｈ_Ｋｘ_ｋ＋ν_ｋ ・・・（１４）
ｘ_ｋ：目標の状態ベクトル、ｙ_ｋ：観測値、ｗ_ｋ：確率変数で表した目標船の変針、速度変更の要素、ν_ｋ：確率変数で表した観測雑音、ｋ：観測開始から数えたサンプリング数

平滑化を強めるには、ν_ｋの標準偏差σ_νを大きくすればよい。あるいは、σ_νの異なる２つのフィルタを用意し、それらを同時に動作させ、通常はσ_νの小さい方のフィルタの出力を利用し、平滑化の強化が必要な場合はσ_νの大きい方のフィルタの出力を利用してもよい。

また、追尾フィルタの係数を変更せずに、ジャイロセンサから得られるデータを直接平滑化してから、追尾フィルタにより目標船の方位データを算出するようにしてもよい。以下、この方法を説明する。単純な平滑化手法として移動平均がある。平均数をＮとする移動平均において、自船が直進していると仮定すると、移動平均により平滑化された自船の方位データの標準偏差は以下の（１５）式で表される。したがって、Ｎを増やせば平滑化が強まる。

また、以下の（１６）式で表されるフィルタを用いる場合、自船が直進していると仮定すると、平滑化された自船の方位データの標準偏差は以下の（１７）式で表される。この場合、αが小さいほど平滑化が強まる。

上述したように、本実施形態によれば、ステップＳ１１４で算出したσ_ＡＩＳと、ステップＳ１１６で算出したσ_ＡＩＳ__{ｅｓｔｉｍａｔｅｄ}との差を所定値と比較することによって、自船の方位データに異常が発生しているか否かを知ることができる。自船の方位データに異常が発生している場合には、ステップＳ１２２において追尾フィルタの係数を変更することによって、自船および目標船の少なくとも一方の方位データの平滑化を強め、レーダ画像に表示される目標船の航跡（パストポジション）がジグザグになることや目標速度ベクトルがふらつくことを防止することができる。さらに、異常の発生を検知した場合に、操作者がメニューの中の初期設定を調整し、様子を見るというような作業が不要になり、異常の発生に早期に対処することができる。この処理を複数の追尾目標に対して実施すれば、より精度が高まる。

また、追尾フィルタの係数を変更し、方位データの平滑化を強める処理を常時実施すると、目標船が変針した場合に、それに対する反応が遅くなり、レーダ画像上の目標船の針路が実際の針路と大きくずれる等の弊害が生じるが、異常が発生しなくなった場合に、ステップＳ１２４において追尾フィルタの係数を元に戻すことによって、そのような弊害が生じることを防止することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、自船の方位データに異常が発生した場合に、追尾フィルタの係数を変更すると同時に、レーダ画像上に表示される、目標船の追尾範囲を示す追尾ウィンドウを方位方向に拡大することにより、追尾の安定化を図るようにしてもよい。

本発明の一実施形態による船舶用目標物追尾装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による分散判定部が行う判定の手順を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による分散判定部が行う処理の内容を説明するための図である。 本発明の一実施形態における方位データの算出方法を説明するための図である。

符号の説明

１・・・空中線送受信部、２・・・目標追尾部、３・・・Association判定部、４・・・AIS処理部、５・・・分散判定部（判定手段、変更手段）、１０・・・指示機

Claims (2)

1. 海上の目標物を追尾する船舶用目標追尾装置において、
   方位センサから得られる自船の方位データと、レーダから得られるレーダ映像とから得られる目標物の第１方位データと、船舶自動識別装置から得られる目標物の第２方位データとの差に基づく指標値を計算し、当該指標値に基づいて、前記第１方位データに異常が発生しているか否かを判定する判定手段
   を備えたことを特徴とする船舶用目標追尾装置。
2. 前記判定手段によって、前記第１方位データに異常が発生していると判定された場合に、目標物の追尾処理に用いる追尾フィルタに設定する係数を、自船および目標物の少なくとも一方の方位データの平滑化を強めるように変更する変更手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の船舶用目標追尾装置。

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