レーダーリターンから安全な意思決定へ：海上自律のためのレーダー処理
全方位の状況認識能力を持つ人間が乗船していない状況では、自律航行船や遠隔操作船のセンサーシステムは、航行の安全性と任務遂行能力にとって極めて重要です。搭載カメラシステムに注目が集まりがちですが、レーダーとその関連処理もセンサーシステムの一部です。
自律航行船向けレーダーの仕様を決定する際、開発者はしばしば探知距離、解像度、アンテナサイズ、技術といった要素に注目します。これらの選択は重要ですが、自律システムや遠隔操作者が最終的に受け取る情報を決定するものではありません。最終的な情報は、レーダー処理の品質によって決まります。
自律制御システムには機械可読な情報が必要であり、遠隔操作者は意思決定を支援し認知負荷を軽減するために、海上状況をできる限り明確に把握する必要がある。どちらの場合も、データを処理・統合して利用可能な情報に変換する一連のセンサーが理想的である。
レーダーが依然として重要な理由
自律航行船には、カメラ、自動船舶識別装置（AIS）受信機、全地球航法衛星システム（GNSS）受信機、LiDAR、ソナー、その他のセンサーが搭載されている場合があります。カメラは対象物の識別に役立ち、AISは送信船の申告された識別情報、位置、針路、速度を提供します。しかし、どちらか一方だけでは完全な状況把握はできません。
カメラは暗闇、まぶしさ、霧、雨、水しぶきなどの影響を受ける可能性があります。ほとんどのカメラは方位角しか提供できず、せいぜい距離の概算しか得られません。小型で固定された接触物にはAISトランスポンダが搭載されていない可能性が高く、搭載されている場合でも、電源がオフになっていたり、設定が間違っていたりする可能性があります。しかし、レーダーは視界不良でも長距離で動作し、小型で非協力的な接触物に対しても正確な位置情報を提供できます。
レーダーは万能ではありません。性能は、設置場所、海況、天候、目標物の大きさや反射率、プロセッサの設定などによって影響を受けます。レーダーは他のセンサーを置き換えるのではなく、補完する役割を果たすべきですが、自律システムが無視すべきではない重要な独立した情報源であることに変わりはありません。
反響音から検出まで
レーダーは、アナログ形式または近年ではデジタル形式で映像を出力する。レーダー用語における「映像」とは、カメラで撮影した画像のようなものではなく、レーダーからの反射強度のストリームを指す。それは、極座標空間における、絶えず変化する反射場である。
レーダー映像は、ノイズが多く複雑な場合がある。鋼鉄製の船舶は強いレーダー反射を発するが、港の防波堤や橋も同様である。小型のゴムボートは弱いレーダーエコーしか発しない可能性があり、波による海面反射によってエコーが不明瞭になることもある。雨は不要な反射を生じさせ、陸地や港湾構造物は持続的な反射波を発生させる。したがって、効果的な処理が不可欠である。
レーダー処理ソフトウェアは、まずハードウェアインターフェースまたはデジタルネットワークストリームを介してレーダービデオデータを取得します。次に、フィルタリングおよび検出技術を適用して、背景から際立った反射波を検出します。
これは、レーダー映像の反射が接触とみなされる閾値を単純に設定するよりも複雑な問題です。背景は距離、プラットフォームの動き、天候、海況によって変化します。穏やかな水面に適した設定では、豪雨時に多くの誤検知が発生する可能性があり、誤検知を抑制する設定では、真の目標が隠れてしまう可能性があります。
適応処理は、局所的な状況に応じて動作します。動的閾値処理は、変化するノイズレベルに合わせて調整され、地理的マスクは、既知の陸地や構造物上の処理を低減します。ソフトウェアが許容する範囲では、異なる領域で異なるレーダー処理設定を適用することで、航路内や船舶の真前方における感度を高めることができます。目標は、過剰な誤警報を伴わずに、有用な検出を行うことです。
障害物の検知、追跡、および報告
有意な反射が特定されると、隣接する有意な反射をまとめてプロット（検出）を作成できます。プロットとは単一の観測結果であり、1回のレーダースキャン中に特定の位置に何らかの関心対象が存在することを示しています。
トラッキング機能は、履歴と軌跡を追加します。トラッキングソフトウェアは、連続するスキャン間のプロットを比較し、どれが同じ物体に属する可能性が高いかを判断します。これらの関連付けられた観測結果から、進路、速度、および将来の位置を推定します。信頼性テストは、無関係な検出が誤った軌跡となるのを防ぐのに役立ちます。
小型目標の場合、探知強度と信頼性が低下するため、追跡が困難になることがあります。このような場合に、ビデオによる追跡が有効です。従来の探知・追跡方法で既に取得された追跡経路を、レーダービデオから直接追跡することで、より長期間維持することが可能です。
自律航行においては、航跡が完全に確立されるまで待つことが常に適切とは限りません。浮遊コンテナや小型係留ブイなどの物体を近距離または断続的に検出した場合、航跡を生成する前に報告する必要のある危険が生じる可能性があります。レーダープロセッサによる近接検出では、船舶周辺の定義された領域内で、設定された基準を満たす最も近い反射波が報告されます。
レーダーが旋回するたびに、近接検知結果が非常に低い遅延で報告されます。安全区域は、速度、操縦性、および環境を反映します。高速では前方区域が広くなる可能性があり、港内での操縦にはより狭い区域が適している場合があります。
Cambridge Pixelは、10年以上にわたり、USV（無人水上艇）およびASV（自律航行艇）開発者向けに技術コンポーネントを提供してきました。その一つが、レーダー映像処理、近接検知、衝突回避および自律航行のための追跡機能を備えたSPx Server V2ソフトウェアです。検出サーバー構成では、プロット抽出と近接検知が可能になり、追跡サーバーでは、複数の仮説に基づく目標追跡機能が追加されます。障害物および目標データは、ASTERIX、NMEA-0183、TAK、SAPIENTなどのフォーマットを使用して、外部の自律システムまたは船舶制御システムに供給できます。
センサーを組み合わせる
レーダー追跡では、物体が接近していることや一定の方位を保っていることは分かりますが、物体を特定することはできません。AISは追跡データと関連付けられる識別情報を提供し、カメラは視覚的な確認を提供します。センサーフュージョンはこれらの観測結果を組み合わせて、より包括的な情報を提供します。
融合を成功させるには、一貫したタイミングと座標系、そして各情報源の精度、特に位置情報の精度を理解することが不可欠です。不確実性マージンを定義する境界ボックスは、接触相関の数を最大化し、誤検出を最小限に抑えるために重要です。堅牢な融合によって、複数のセンサーの情報が整合性のある航法画像へと変換されます。
相関トラックレポートは、それを裏付ける個々のセンサー観測データをリンクさせることで、受信システムが任意の入力から情報を選択できるようにします。例えば、速度と針路はレーダートラックから、物体分類と高度な方位測定はビデオトラックから、貨物情報はAISから取得できます。
Cambridge Pixel社のSPx Fusion Serverは、複数のレーダーソースとAISからの追跡レポートを相関させ、単一の統合追跡データにまとめます。提供：Cambridge Pixel
GPSなしでの位置情報の正確性
自律航行船は一般的にGNSS/GPSに依存している。信号の喪失は問題であり、妨害電波は信頼性の高い受信を妨げ、なりすましは受信機がもっともらしいが誤った位置情報を報告する原因となる。
沿岸地域では、レーダーはGNSSで取得した位置情報を独立して相互検証する手段となります。ケンブリッジ・ピクセルのGPSアシストは、リアルタイムのレーダーデータと、地形および海岸線情報から生成された予測レーダー画像を比較します。2つの画像に最もよく一致する位置合わせを見つけることで、受信するGNSSデータとは独立して船舶の位置を推定します。
位置情報に大きな差がある場合、GPSアシストはアラームを発報するとともに、バックアップの位置情報を提供する代替のNMEA-0183ストリームを生成することができます。
安全かつ効果的な海上自律航行は、単一のセンサーやアルゴリズムだけでは実現しません。独立した、タイムリーで理解しやすい証拠を提供するシステムによって実現されるのです。レーダーはその中心的な役割を担いますが、生の反射波だけでは不十分です。厳密な処理を経て初めて、レーダーは自律航行システムが依存する探知、追跡、障害物警告を提供できるのです。
