基于星载AIS信息的船舶模拟训练平台*

程 欢，赵 柯，陈 锋，吴钰婷，曹 波

(陆军军事交通学院镇江校区 指挥系，江苏 镇江 212003)

0 引 言

船舶模拟训练一般采用大型三维视景模拟训练系统[1]，现有系统存在真实感差、成本高和人工干预程度大等问题，无法满足海员培训、发证和值班标准国际公约(International Convention on Standards of Training,Certification and Watchkeeping for Seafarers,STCW)对航海训练模拟器的要求[2]，主要体现在：船舶避碰训练中的预案加载是由导演组负责导调，在三维视景中临时加入的机动船只，留给学员分析判断情况的时间短；模拟船舶的计划航线往往只应用经纬度位置信息在两个航路点间保向保速航行，与航道中船舶的运行状态不符，船舶会遇时应当有相应的车舵操作和信号显示。

为提高模拟训练器的真实感，文献[3-4]中提出了基于船舶自动识别系统(Automatic Identification System，AIS)的船舶驾驶实时增强仿真系统，依托真实AIS数据提取航迹，建立船舶驾驶实时增强仿真系统，形成更加逼真的航行区域环境，能够更真实地反映舰船航行时的人机互动，有助于辅助决策结果的实时性、可信性与有效性。文献[5]提出了一种能同时展示时间、空间和速度的三维可视化模型，能够准确地表现出桥区船舶的通航状态。在实际情况下受地球曲率影响，AIS信号的自组织协议通信范围为20 n mile，大多数情况下无法获取完整轨迹，这些航迹提取系统仿真的效果便会下降。与船载AIS系统不同，当卫星接收AIS信号时[6]，高度600 km的卫星对海面的观测区域半径达到1 500 n mile，能够提取实船的完整航迹和航道信息。低轨卫星搭载船舶自动识别系统，能够在更大范围内动态监测全球船舶航行，提高航运安全和国防安全。AIS数据中通常包含着多维度的时间属性、空间属性和船舶属性等信息，然而传统的二维轨迹可视化方法往往只展现出船舶轨迹数据的空间属性。文献[7]基于AIS数据提出一种船舶操纵性指数的辨识模型，通过对船舶AIS数据进行处理和解码，运用插值法对转向率值进行数据重构。国外将基于联合概率数据融合(The Joint Probabilistic Data Association，JPDA)的卡尔曼滤波算法[8-10]进行优化用于海事监控和船舶进出港口交通流量监视，提出了AIS与超视距雷达的数据融合。

本文就基于星载AIS信息的船舶模拟训练平台构建的系统框架、关键技术以及系统应用的场景开展研究，主要创新点如下：引入星载AIS数据提取实船静动态消息，经数据清洗、插值和融合后获取完整航线信息；从AIS数据中提取位置、航向航速和转向率等多维度信息，融入船舶操纵运动模型，结合导调员对模拟船进行操纵，为半实物航海模拟器中进行船舶避碰、复杂条件航行等课目的训练提供支撑;提取的AIS真实数据能够驱动二维电子海图(Electronic Navigation Chart，ENC)显示，生成模拟训练三维视景；完成各类海图数据源的集成统一的多元电子海图调用与显示引擎。

1 系统框架

1.1 系统组成

如图1所示，整个系统主要由导控中心，本船航线、模拟船航线和星载AIS处理航线模块，本船虚拟视景平台，船舶操纵运动模型，模拟雷达软件，电子海图软件和三维视景软件构成。

1.2 模拟器架构

模拟器架构主要由星载AIS地面处理服务器、控制台服务器、学员客户端(电子海图、模拟雷达、三维视景)三部分组成，如图2所示。星载AIS处理服务器因处理数据量较大，采用主从复合式处理结构实现数据的并行处理。主从复合式结构的特点是各处理节点物理上都是对等的，通过数据总线联接。从功能上看，处于主控地位节点只有一个，完成任务的分配和调度；处于从属地位的节点有多个完成数据分析和处理。控制台由本船、模拟船和虚拟船服务器组成，可执行单船训练和编队训练任务。其中本船客户端只有一台，模拟船服务器可配置多台客户端设备，配合本船执行编队训练；虚拟船服务器可拓展多个自动化目标。

图2 模拟器架构图

1.3 软件及功能

星载AIS处理航线模块包括混叠信号参数估计，下变频到基带信号，混叠信号分离、解码存储,AIS航迹自动生成算法[11]。星载AIS地面处理功能具有如下特点：一是任务时间较长，获取AIS信息丰富，处理数据量较大；二是单个任务接收AIS信号的船舶信息具有地域和时间的约束，且具有一定的连续性特征功能；三是数据分布式处理功能，应对系统的计算负担会随港口船舶的密集程度、信号收集时间的增加而剧增。

电子海图显示平台集成各类海图数据源，形成由海图、陆图(地形图)、卫星影像图、内河图江图等组成的数字海图调显引擎。ENC软件把接收到的本船运动信息，模拟船运动信息进行二维可视化显示进行航行监控，把航行区域的地理环境信息发布给船舶操纵运动模型软件进行碰撞检测计算。为了充分发挥ENC对船舶动态监控功能，可以设置航行报警区域，锚泊时走锚报警，学员进行物标方位、距离定位计算等参数。

模拟雷达软件，接收导控中心下发的本船位置数据和气象海况数据生成固定目标回波、杂波，接收模拟船运动信息生成运动目标回波。模拟雷达软件不局限于雷达的基本功能还可以仿真报警功能、雷达自动标绘功能，并能够为雷达性能测试、航海军事仿真以及航海培训还原真实的情景，具有能够达到STCW模拟器标准的雷达回波模拟图像。

船舶模拟训练平台以本船虚拟视景平台(简称本船视景平台)为核心，目的是为学员营造一个相对真实的海上航行环境。航行过程中学员如果操作动态监控系统、罗经和车舵等，专家系统会给出该设备的信息提示[1]。如果出现误操作，专家系统则会给出警告信息。

1.4 工作流程

本船视景平台接收导控中心的航线文件，将相关信息传输给三维视景库和船舶操纵运动模型数据库、雷达和电子海图，生成地形、本船、模拟船、天气条件和海况条件等船舶航行信息。在船舶操纵运动模型的驱动下，学员操作本船视景平台在三维虚拟环境中交互训练。系统将每项具体操作所产生的数据存入数据库供评估系统进行成绩评定使用，也可在训练后进行回放和总结经验教训使用。

2 关键技术

2.1 星载AIS数据的信息融合

训练平台融合船舶保障信息，具备接入星载AIS设备报告海上目标的能力，能够将雷达、AIS等信源的实时目标航迹数据自动融合生成辖区统一的海域综合态势，主要涉及星载AIS数据处理、大地坐标系到墨卡托投影变换和Douglas-Peuker算法[11]。星载AIS信号处理服务器航迹提取步骤包括：AIS数据解码、解译和清洗；数据关联、插值；航迹提取和数据发布。

卫星通信大多采用非合作式突发信号[6]，信源信宿的相对运动容易产生较大多普勒频移和同道干扰等影响信号解调性能的问题。在中心频率估计时会产生偏差，利用差分解调时基带信号发生畸变，后续处理的过程中，一般采用循环冗余校验来验证解码消息的正确性，通过校验的AIS消息即可解译。

数据清洗，即剔除水上移动通信业务标识码(Maritime Mobile Service Identify，MMSI)不完整或者无意义的船舶，包括错误的数据(例如在时间连续的记录中出现经纬度变化较大的异常点)和重复的数据(例如船舶停靠码头或者装卸载货物时在连续时间内经纬度几乎不变的点)。将AIS消息清洗后存入数据库，包含MMSI、UTC时间、纬度、经度、对地航向、对地航速和转向率。

数据关联，即设置训练起始点位置和船舶参数等，通过MMSI号码可以从历史数据库中筛选出相关船舶的AIS航迹，使得AIS目标数据具有连续性。

数据插值，将AIS的经纬度、航向和速度转换成直角坐标形式后采用匀速目标运动方程卡尔曼滤波算法进行插值，在滤波算法中船舶位置量测数据有多个，需要计算每个量测与目标航迹的关联概率，完成AIS数据与航迹信息的平滑融合。

Douglas-Peuker算法，即根据设定的阈值进行特征点的提取，循环执行得到转向点和初步航迹，初步航迹经安全性检测后生成可行航线，将压缩后的航路点转换成S57格式存储。

AIS目标数据发布，即调用发布程序，将经过上述处理的AIS目标形成的模拟船实时运动状态信息发送给总导演监控软件的仿真任务控制模块，供本船视景平台使用。

2.2 船舶操纵运动模型

通过对AIS消息中转向率数据的处理，实现船舶操纵性能指数的辨识，用于对船舶操纵性的预报和船舶未来运动轨迹的实时预测。船舶操纵运动模型应用较多的一般有MMG[7]模型和响应型模型两种。因航道中的船舶大部分时间采用定向定速的操纵模式，船舶机动的时间较少且转向率比较稳定，因此船舶模拟训练中采用响应模型建模。该模型把船舶整体看成输入与输出的动态响应系统，把操船的舵角和船舶转向率作为输入部分，把船舶操舵后生成的船舶操纵性指数T、K作为输出部分，在此特性的条件下，建立AIS数据进行T、K参数辨识的曲线拟合响应模型。舵角与转向率的差分离散关系见公式(1)：

(1)

式中：r(k)为前一时刻船舶转向率，δ(k)为舵角，Δt是采样周期。

总导演下发定制的航线后，将航线等间隔的分割成一系列元胞[12]，如图3所示。船舶(X，L，V)随机分布在长度为n的一维离散元胞链上，具有位置X、长度L和速度V三类属性。通过星载AIS数据的信息融合，可以精确地判断下一时刻这些船舶的径向距离、速度、与本船的相对位置关系以及是否构成碰撞危险等信息，从而决定本船在当前时刻的行动。本船和模拟船在满足安全航行的条件下实施追越，遵循相关的变道追越、逆行和驶回规则。两船会遇时模拟船根据设定的转向率自动的进行车舵操作，同时给出相应的音响信号、信号灯。

图3 元胞示意图

每个元胞的状态可能为：没有船舶速度为“0”，或者被一艘速度为Vi(Vi∈{1,2,…,Vmax})的船占据，其中Vmax为某类型船的最大航速，用一个时间步长内经过的元胞数量度量；船i占据从起始点的向左或向右(取决于航行方向)的相邻的Li个元胞，Li∈{1,2,…,Lmax}，Lmax为航道中最大船长占据的元胞数量。

2.3 数字海图数据源集成

海图数据源的集成如图4所示，集成各类数据组成统一的多元电子海图调用与显示引擎。海图二次开发接口要求主要包括多元海图数据解析、AIS和雷达数据融合、二维可视化表达和数据加密。数据解析模块支持S57格式海图、地形图、卫星影像和中国内河江图解析，具有基于AIS数据和船用导航雷达目标数据的船舶显示、查询、报警等功能。二维可视化包括对海图要素随比例尺变化的多尺度表达，图面整洁清晰，支持白昼模式(白背景、黑背景)、黄昏模式和夜晚模式(滤光、未滤光)等情景显示模式。多图幅的同时显示，保证用户操作无需关心海图的切换操作，支持大容量海图图幅。数据加密包括矢量数据和栅格数据加密。二次开发接口以Windows下标准ActiveX控件.DLL形式提供，可支持C++、C#等主流开发语言支持。

图4 调显引擎组成框图

3 系统应用

主界面的功能需求为总导演席位、航海教室教员机席位、学员机席位、虚拟视景席位、模拟雷达席位、电子海图席位和电子沙盘席位。导控中心的总导演统领全局负责导调，航海教室负责训练文书下达，主要进行初始化环境设置、天气条件设置、载入导调预案和添加模拟目标。

3.1 星载AIS地面处理

基于星载AIS地面处理的动态监控设备通过获取周边他船船位、船舶资料、航向和航速，驱动二维电子海图显示和标注，如图5所示。

图5 AIS消息驱动电子海图

图5中，左下角三角形表示本船位置，模拟船经纬度用墨卡托投影转换后，其位置以相对于本船的方位、距离显示。AIS服务器发布的航迹数据可用于驱动三维视景实船模型，为导控中心加载预案时本船航线、模拟船航线设置提供数据支撑。

3.2 航线制定

(1)总导演打开预案

在屏幕上显示本船航线及模拟船目标，如图6所示。在训练过程中本船应当按照航线航行，实施方法见3.3节。

图6 航线制定

(2)模拟船机动

在训练准备阶段由导演组下发模拟船航线，训练过程中模拟船按照既定航线进行保向保速航行，当模拟船与本船的运动态势形成对遇、追越或者正横前后会遇时，模拟船的航向、航速状态应当作出相应调整；危险解除时模拟船自动及时恢复到原航向航线继续保向保速航行。

3.3 本船操纵运动模型

本船航行有三种方式实施方法，如图7所示。

图7 船舶操纵运动模型

(1)按车舵操控航行。选择航海教室功能中的“按车舵操控航行”，点击“显示车舵窗口”，即可通过车舵控制航速和舵角。

(2)按定向定速航行。选择航海教室功能中的“按定向定速航行”，弹出“模拟船属性”窗口，设置初始航向、初始航速，即可进行定向定速航行。

(3)按计划航线航行。选择航海教室功能中的“按计划航线航行”，弹出模拟船属性窗口，设置“起始航路点”，即可直线航行到该航路点后，按计划航线航行。

3.4 模拟雷达软件

雷达显示屏幕和标记如图8所示。雷达显示屏幕共分为回波区、操作区和信息显示区三个区域。回波区包含回波、真北方向、方位刻度和船首方向。操作区包含:量程调整、放大、偏心；方位、距离测量；增益、海浪、雨雪抑制，鼠标位置显示；录取、报警区设置。信息显示区包含:本船位置、航向、航速；录取目标信息(方位、距离、速度、航向)。

图8 雷达显示屏幕和标记

3.5 电子海图

ENC包含一些基本的海图浏览操作，如放大、缩小、移动、重置和分层显示等，如图9所示。

图9 电子海图操作

3.6 三维视景

本船三维视景如图10所示，主要用于配合电子海图和纸质海图进行识标、选标，其中CB是当前黄线所对应的罗方位。

图10 本船三维视景

4 结束语

本文构建了基于星载AIS信息的三维虚拟船舶的驾驶员模拟训练平台，提取真实船舶实时数据驱动二维电子海图显示，构建三维虚拟视景，既可以开展船舶驾驶员的船舶操纵避碰、靠离码头、物标定位、雷达操作和电子海图操作等课目的训练，发挥模拟器训练独特的优势，也能够适当地开展复杂条件下航行(雾中航行、夜间航行)、狭水道航行和编队运动等条件设置较为苛刻课目的训练。

平台采用基于AIS双向航道的船舶交通流模型，对模拟训练中的船舶态势进行分析，得出有无碰撞危险的判断。本船和模拟船在满足安全航行的条件下实施追越，遵循相关的变道追越、逆行和驶回规则。两船会遇时，模拟船根据设定的转向率自动的进行车舵操作，同时给出相应的信号灯；危险解除时模拟船只及时地恢复原航向航速。如何通过与本船同类型的AIS模拟船运动信息来验证本船的船舶操纵性指数将是后续研究的重要内容。