文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190238
中文引用格式： 董云龍，黃高東，李保珠，等. 基于AIS的雷達(dá)高精度誤差校準(zhǔn)方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(6)：75-79.
英文引用格式： Dong Yunlong，Huang Gaodong，Li Baozhu，et al. High precision error calibration method for radar based on AIS[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(6)：75-79.
0 引言
受海洋環(huán)境以及機(jī)械損耗等因素的影響，對海雷達(dá)系統(tǒng)誤差會在工作中不斷積累進(jìn)而發(fā)生偏移，嚴(yán)重影響雷達(dá)的探測精度。因此，必須定期對雷達(dá)進(jìn)行系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)。
船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)作為一種新型數(shù)字助航設(shè)備，可實(shí)時向案臺設(shè)備輸送配合艦船的GPS位置[1]，配合雷達(dá)量測信息進(jìn)行誤差估計(jì)，因此應(yīng)用AIS進(jìn)行系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)逐漸成為當(dāng)前的主流。但在標(biāo)校過程中發(fā)現(xiàn)，校后的雷達(dá)精度很多時候沒有得到顯著提高。文獻(xiàn)[2]選擇某個合適的船只作為目標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，但目標(biāo)數(shù)量過少，無法對雷達(dá)探測區(qū)域進(jìn)行全覆蓋。文獻(xiàn)[3]利用海上多目標(biāo)進(jìn)行對海雷達(dá)系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)，但對目標(biāo)狀態(tài)、分布情況進(jìn)行了較多的理想假設(shè)，與真實(shí)的海上環(huán)境有較大的差距。文獻(xiàn)[4]利用海上多目標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差估計(jì)，但沒有對誤差分布進(jìn)行分析，直接將不同航跡數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均后得到誤差估計(jì)值。
一般認(rèn)為，雷達(dá)系統(tǒng)誤差在海域內(nèi)是均勻分布的，雷達(dá)探測區(qū)域的樣本較為集中，在統(tǒng)計(jì)上呈現(xiàn)出趨正態(tài)性的特點(diǎn)。但研究表明，系統(tǒng)誤差在某些海域的分布是不均勻的[5]，在進(jìn)行誤差估計(jì)時需要進(jìn)行分區(qū)域處理等操作。而目前的校準(zhǔn)流程多忽視了誤差分析這一環(huán)節(jié)，導(dǎo)致校準(zhǔn)精度不高。另外，對異常值的處理問題也是導(dǎo)致標(biāo)校后雷達(dá)精度不高的重要原因。并且當(dāng)前系統(tǒng)誤差估計(jì)方法中，主要對單目標(biāo)誤差序列中的異常值進(jìn)行了剔除，而忽視了對錯誤目標(biāo)序列的剔除。
因此，本文在對關(guān)聯(lián)、對準(zhǔn)后的實(shí)測誤差序列進(jìn)行處理之前，首先對雷達(dá)系統(tǒng)誤差在此海域的分布情況進(jìn)行分析。在確定此海域內(nèi)誤差分布滿足均勻分布的假設(shè)下，對得到的誤差序列進(jìn)行單序列異常值與錯誤關(guān)聯(lián)異常序列進(jìn)行剔除。最后得到系統(tǒng)誤差估計(jì)值，對雷達(dá)進(jìn)行誤差校準(zhǔn)與驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的方法能有效地對偏離的系統(tǒng)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。
1 誤差校準(zhǔn)的基本流程
設(shè)對海雷達(dá)與AIS可同時對海上多個目標(biāo)進(jìn)行探測，其中雷達(dá)測量值分別為距離ρ和方位θ。由于ρ和θ之間相互獨(dú)立且對其目標(biāo)序列的分析方法相同，不失一般性，本文以距離系統(tǒng)誤差為例對誤差估計(jì)方法進(jìn)行介紹。
1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理
選取一定時間段內(nèi)的雷達(dá)與AIS上報(bào)數(shù)據(jù)，對于同一目標(biāo)的數(shù)據(jù)，將雷達(dá)量測值按照錄取批次、AIS信息按照報(bào)文號統(tǒng)一按時間順序存放。
1.2 誤差序列獲取
首先，在統(tǒng)一授時設(shè)備下，讀取AIS與雷達(dá)的預(yù)處理數(shù)據(jù)。然后對雷達(dá)測量值與AIS提供的目標(biāo)信息進(jìn)行航跡粗關(guān)聯(lián)與時空對準(zhǔn)，得到雷達(dá)與AIS的目標(biāo)點(diǎn)對集，利用此點(diǎn)對集數(shù)據(jù)計(jì)算各點(diǎn)的距離、方位系統(tǒng)誤差，獲得系統(tǒng)誤差序列。
1.3 誤差序列處理
對于獲得的誤差序列，常采用海域內(nèi)所有樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)求均值的方法獲得誤差估計(jì)值。但在估計(jì)誤差值之前，仍有兩個步驟至關(guān)重要。首先，誤差序列處理之前必須對系統(tǒng)誤差在此海域的分布情況進(jìn)行分析。其次，由于目標(biāo)航跡聚集、交叉以及雷達(dá)數(shù)據(jù)與AIS的錯誤關(guān)聯(lián)，在誤差序列樣本集中區(qū)域之外，會出現(xiàn)少量的異常量測值以及錯誤關(guān)聯(lián)序列，必須對序列異常值以及錯誤關(guān)聯(lián)序列進(jìn)行篩選剔除。
誤差校準(zhǔn)的整體流程如圖1所示。
2 誤差估計(jì)方法
2.1 航跡粗關(guān)聯(lián)
2.2 時間對準(zhǔn)
2.3 誤差分布特性分析
本文利用雷達(dá)的量測信息與經(jīng)AIS處理得到的系統(tǒng)誤差值進(jìn)行多變量擬合。此時只需要對系統(tǒng)誤差的分布趨勢進(jìn)行了解，確定誤差序列的處理是否在均勻分布假設(shè)范圍之內(nèi)，而多項(xiàng)式擬合能夠一定程度上忽略量測異常值的影響，因此，本文對系統(tǒng)誤差建立雷達(dá)局部直角坐標(biāo)系下的分布函數(shù)多項(xiàng)式擬合方程：
其中，Δρ、Δθ分別為雷達(dá)的距離和方位系統(tǒng)誤差，x、y是雷達(dá)局部直角坐標(biāo)系下位置，g、h為擬合方程中的待估參數(shù)；mρ、nρ、mθ、nθ為擬合方程的階數(shù)，需要進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，由于本文關(guān)注的僅是系統(tǒng)誤差在海域內(nèi)的分布趨勢，因此擬合階數(shù)一般選擇1或2即可。
2.4 系統(tǒng)誤差異常值剔除
2.4.1 單目標(biāo)誤差序列異常值剔除
其中，u為常量，其取值可以根據(jù)不同數(shù)據(jù)分析選定。一般若選出中度異常值，u可選擇1.5左右。
i目標(biāo)誤差序列異常值剔除步驟如下：
(1)以[Δρ，i，min，Δρ，i，max]為異常值篩選區(qū)間，對區(qū)間范圍之外的誤差樣本依次進(jìn)行異常值篩選；
(2)在剔除篩選出的距離誤差異常樣本后，利用式(5)、式(6)重新對此誤差序列剩余樣本求最小、最大估計(jì)值，繼續(xù)進(jìn)行步驟(1)；
(3)直到誤差序列中所有的距離誤差值均不滿足步驟(1)，則此誤差序列異常值剔除完成。
在此需要加以說明的是，在對某距離誤差序列進(jìn)行異常值剔除的同時，所剔除異常值對應(yīng)的方位誤差樣本必須同時予以剔除。同樣，進(jìn)行方位誤差序列異常值提出時，也應(yīng)遵循此原則。
2.4.2 錯誤關(guān)聯(lián)目標(biāo)剔除
與單目標(biāo)誤差序列異常值剔除方法一樣，在剔除掉某個距離誤差序列后，將其所對應(yīng)的方位誤差序列剔除掉。在對方位誤差序列進(jìn)行處理時同樣如此。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 誤差估計(jì)實(shí)驗(yàn)
本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集中，在76 min采集時間里雷達(dá)探測到航跡68批，岸臺AIS設(shè)備接收目標(biāo)1 463個，成功關(guān)聯(lián)目標(biāo)對57個，得到誤差序列樣本3 546個。
首先，利用得到的誤差序列，對雷達(dá)距離系統(tǒng)誤差進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，探究其真實(shí)分布情況，擬合階數(shù)選擇p=2，q=1，魯棒性選擇最小絕對殘差法LAR。結(jié)果顯示擬合優(yōu)度為0.991 3，擬合情況達(dá)到要求。圖2為此海域距離偏差分布的多項(xiàng)式擬合結(jié)果。圖3中的航跡為利用配準(zhǔn)后的雷達(dá)量測航跡與AIS“真值”航跡得到的系統(tǒng)誤差航跡，并對不同大小范圍內(nèi)的航跡進(jìn)行區(qū)域劃分。
從圖2、圖3擬合結(jié)果可以看出，雖然雷達(dá)系統(tǒng)誤差大小在不同海域有明顯差距，但從總體來看，其在探測時間內(nèi)符合慢變、非隨機(jī)的特性。系統(tǒng)誤差值的范圍主要集中在400 m～600 m之間，沒有在海域內(nèi)出現(xiàn)另一個誤差范圍聚集區(qū)。在可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)均值處理的范圍內(nèi)，即均勻分布假設(shè)在此海域是合理的。因此，在下一步對異常量測值進(jìn)行剔除后，可以利用全區(qū)域誤差樣本統(tǒng)計(jì)求均值的方法來獲得誤差估計(jì)值。
對得到的系統(tǒng)誤差序列畫散點(diǎn)分布圖和數(shù)值分布直方圖，結(jié)果如圖4、圖5所示。
從圖4、圖5中可以看出，誤差序列集中分布區(qū)域之外還有大量異常樣本，需要對這些樣本進(jìn)行剔除處理。
首先，利用四分位數(shù)法對單目標(biāo)異常值進(jìn)行篩選，然后將篩選出的異常樣本進(jìn)行剔除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這一步共剔除異常樣本202個，剩余樣本3 344個。剔除后的誤差序列散點(diǎn)圖如圖6所示。
對所有誤差序列進(jìn)行單目標(biāo)異常值剔出處理后，仍有一些異常序列存在。這主要是因?yàn)椋趩文繕?biāo)序列中，異常值的標(biāo)準(zhǔn)差與集中樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差相差很大，所以易被篩選剔除。但是若對于分布密集區(qū)的目標(biāo)，往往由于雷達(dá)跟蹤不穩(wěn)定或者漏跟、錯跟后又在之后得以矯正，使得整段誤差序列偏離集中樣本區(qū)域或者部分序列在集中區(qū)域外震蕩分布，如圖6中目標(biāo)1和目標(biāo)2所示。對于這類序列，必須從錯誤關(guān)聯(lián)航跡的篩選層面入手，否則難以通過單目標(biāo)篩選予以剔除。圖7、圖8分別是利用均值序列與標(biāo)準(zhǔn)差序列進(jìn)行錯誤關(guān)聯(lián)目標(biāo)的剔除過程，在篩選出錯誤關(guān)聯(lián)目標(biāo)對的均值與標(biāo)準(zhǔn)差后，將其對應(yīng)的目標(biāo)序列予以剔除。
利用本文提出的錯誤航跡剔除方法，共剔除錯誤關(guān)聯(lián)航跡6條，剩余誤差序列樣本3 149個。剩余距離誤差序列的散點(diǎn)圖和統(tǒng)計(jì)直方圖分別如圖9、圖10所示。從圖10可以看出，剩余距離誤差序列的統(tǒng)計(jì)特性趨向于正態(tài)分布。
對異常序列進(jìn)行剔除后，剩余的距離誤差樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)均值計(jì)算得到誤差估計(jì)值。經(jīng)過計(jì)算，距離誤差偏大484.32 m，同種方法下對剩余方位誤差序列求統(tǒng)計(jì)均值，得到方位誤差偏大0.729°，均超過了雷達(dá)的探測精度。
3.2 校準(zhǔn)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
利用上文實(shí)驗(yàn)得到的誤差估計(jì)值對雷達(dá)距離和方位系統(tǒng)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對所提方法有效性加以驗(yàn)證。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與第1次數(shù)據(jù)采集選擇同一雷達(dá)站進(jìn)行，在71 min采集時間里雷達(dá)探測到航跡61批，岸臺AIS設(shè)備接收目標(biāo)1 253個，成功關(guān)聯(lián)目標(biāo)對46個。采用本文所提異常值剔除方法處理后剩余關(guān)聯(lián)對43個，距離誤差樣本2 867個。校準(zhǔn)后距離誤差序列統(tǒng)計(jì)直方圖和各目標(biāo)散點(diǎn)分布圖如圖11、圖12所示。
經(jīng)過計(jì)算，校準(zhǔn)后雷達(dá)系統(tǒng)誤差為偏大18.83 m，方位系統(tǒng)誤差為偏大0.016°，均在該型雷達(dá)的探測精度范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了本文提出方法的有效性。
4 結(jié)論
本文對影響雷達(dá)校后精度的因素進(jìn)行了分析，提出一種利用AIS設(shè)備實(shí)現(xiàn)雷達(dá)高精度校準(zhǔn)的方法。新方法在傳統(tǒng)的校準(zhǔn)流程中加入誤差分布分析這一步驟，并對實(shí)地采集得到的誤差序列進(jìn)行異常值、異常序列兩次異常剔除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文所提方法在對海雷達(dá)系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)中取得了較為理想的效果。下一步的研究工作將重點(diǎn)分析不同海域的誤差分布情況，提出針對不同分布趨勢的合理的誤差估計(jì)方法。
參考文獻(xiàn)
[1] 袁正午，何格格.一種高精度的GPS-RTK定位技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(6)：63-67.
[2] 趙永剛.一種岸海警戒雷達(dá)的標(biāo)校方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(9)：22-24.
[3] 羅軍，商允力，曾浩，等.應(yīng)用AIS信息進(jìn)行岸基對海雷達(dá)標(biāo)校[J].電訊技術(shù)，2009，49(9)：87-89.
[4] HABTEMARIAM B K，THARMARASA R，MEGER E，et al.Measurement level AIS/radar fusion for maritime surveillance[C].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2012，8393：83930I.
[5] 王珂，蔣保富，張瑤.一種非均勻系統(tǒng)誤差的傳感器空間配準(zhǔn)方法[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2010，1(4)：26-31.
[6] 朱起悅.應(yīng)用差分GPS技術(shù)進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)校[J].電訊技術(shù)，2006，46(1)：108-110.
作者信息:
董云龍，黃高東，李保珠，劉寧波，陳小龍
(海軍航空大學(xué) 信息融合研究所，山東 煙臺264001)