天津大学海洋学院GLAB团队在海洋环境智能感知领域取得新进展

日前，GLAB团队在海洋环境智能感知领域取得创新进展，相关成果以研究论文公开发表于海洋工程顶级期刊《Ocean Engineering》。论文题目为"Ship Detection using GNSS Wave Buoy MGB-2"，第一作者为天津大学海洋学院2021级博士研究生邸明伟，导师为张安民教授和郭博峰副教授。

【研究背景】

船舶的监测和追踪一直是航路管理、渔业监管、海上救援和军事应用中的关键研究领域。美国国防部高级研究计划局（DARPA）自2017年起一直在推进“海洋物联网（OoT）”计划的实施，旨在通过部署成千上万的低成本、环保和智能漂流浮标，增强海洋区域的持续监测能力，实现海洋水文、船只等海洋环境信息的监测及探测。而在国内，低成本浮标尤其是漂流浮标发展缓慢且感知能力不足。因此，基于低成本漂流浮标的智能船舶感知算法亟待研究。

【研究内容】

本研究对船舶的尾流特性进行了研究，对船舶产生的Kelvin尾流进行建模并分析了其对GNSS浮标产生的影响。研究的重点在于评估Kelvin尾流对GNSS浮标的影响，包括Kelvin空间域模型，浮标位移时域和频域建模，在海河开展实验测试，全面评估GNSS浮标感知船舶尾流的能力。另外，本研究还对海洋波浪进行了建模仿真，评估了GNSS浮标在海洋环境下的船舶感知能力。

图1基于GNSS浮标的船舶探测模型建立

【研究成果与意义】

本研究设计了一款低成本多天线GNSS浮标MGB-2，如图2所示，主要目标是实现海洋潮位、波浪等水文参数的原位观测。该浮标包含多个低成本GNSS模块，不仅可提升测量结果的可靠性，还可以实现自身姿态的测量。内部采用3D打印技术，可根据需求增加传感器种类和数量。整个浮标重量约20kg，无需专业设备即可完成布放，具备易布放（Easy To Deploy, EOT）特性。

图2低成本GNSS浮标MGB-2结构

本研究通过在空间域、时域、频域上建立了基于GNSS浮标的船舶探测模型，并在海河上开展了实验测试，如图3所示。通过建立环境背景场，成功实现了实验期间所有船舶经过事件的探测，如图4所示。另外根据船舶尾流的传播方向特性，通过浮标水平位移可实现船舶的运动方向探测。

图3天津海河船舶探测实验，其中（a）图为实验地点，（b）图给出了GNSS基准站和MGB-2浮标的布放位置，（c）图为过往的船只，（d）图展示了在船舶尾流的影响下，浮标发生晃动

图4不同时间段内的船舶探测结果，其中子图（a）~（g）均有船舶经过，而子图（h）时间段内无船经过

此外，进一步探究海洋环境下波浪浮标对船舶感知能力，本研究通过生成方向波浪谱以实现四维波浪场的仿真，探究了不同海况下船舶探测算法的可用性，结果表明所提方法可以有效识别海洋环境下的过往船只。

本研究首次提出了基于浮标的船舶感知方法，并构建了相应的探测模型，成功解决了GNSS浮标于船舶感知中需测哪些参数以及如何探测的难题，这对我国浮标感知网的构建具备极为重要的意义。

论文信息：

Di, M., Guo, B., Zhang, T., Hou, Z., Yu, X., & Zhang, A. (2025). Ship detection using GNSS Wave Buoy MGB-2.Ocean Engineering,317, 120066.

https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2024.120066.

全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0029801824034048