CN104049239B - 一种基于移动参考点辅助的自组织船舶定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于移动参考点辅助实现船舶自组织定位的方法，由船舶AIS导航定位解算终端设备实现。定位解算终端设备由信号处理模块、参考点选择模块、测量定位模块、推算定位模块和信息融合模块组成。若在指定时间内，船舶接收到的岸站数量小于三个，船舶则启动自组织定位模式。将AIS岸站作为一级定位参考点，AIS船站作为二级移动定位参考点，根据船站位置精度、船站运动速度以及几何精度因子三方面因素自组织选取定位参考点，并设置加权因子。采用三边测量定位方法计算船舶位置，并融合航迹位置推算信息，计算得到高精度的船舶位置数据，完成船舶的自组织定位。本发明无需额外部署新的AIS基站实现船舶的自组织定位。

Description

一种基于移动参考点辅助的自组织船舶定位方法

技术领域

本发明属于定位导航领域，涉及一种自组织船舶定位方法，具体地涉及船舶自动识别系统AIS（Automatic Identification System）中一种基于移动参考点辅助实现船舶自组织定位的方法。

背景技术

船舶自动识别系统AIS是国际海事组织（IMO）法规强制全世界船舶使用的船舶通信系统。其主要原理是船站利用甚高频频段，采用时分多址方式，以9600波特的传输速率，与周围的船站和岸站交换动态和静态信息，实现船舶的相互识别。目前，在无全球导航卫星系统（GNSS）提供定位信息的情况下，利用AIS系统进行船舶定位的高可用性新体制导航系统成为当前为了保证航行安全IMO强制配备陆基定位导航系统的最佳候选方案之一。该陆基定位系统现有技术方案是基于AIS岸站实施定位，船舶通过测量接收到的岸站电波信号，计算得到与不同AIS岸站间的距离或距离差，完成定位解算。在现有技术方案中，船舶和AIS岸站存在时钟不同步问题，至少需要同时接收到三个及以上AIS岸站的信号才能完成船舶的自主定位。但由于现有AIS系统是通信系统，AIS系统岸站的布设没有考虑其作为定位参考点的需求，因此在很多情况下，船舶很难同时收到三个及以上AIS岸站的信号，无法满足AIS岸站作为定位参考点大于等于三个的定位条件。

发明内容

本发明的目的是要设计一种在现有AIS岸站布设条件下，基于移动参考点辅助的船舶自组织定位方法。能够在AIS岸站作为定位参考点无法满足定位条件的情况下，利用已定位船舶作为移动参考点辅助定位，同时融合船舶利用自身外部传感器计算得到的航迹信息，提高船舶的定位精度，实现沿海船舶的自组织定位。

本发明所采用的技术方案是：一种基于移动参考点辅助的自组织船舶定位方法，是在现有AIS岸站测量的基础上，利用周围已定位的AIS船站作为移动参考点，进行辅助测量，实现船舶的自组织定位；该方法是由船舶AIS导航定位解算终端设备实现；定位解算终端设备由信号处理模块、参考点选择模块、测量定位模块、推算定位模块和信息融合模块组成；信号处理模块接收AIS信号，完成AIS信号的几何测量和电文解析；并根据ITU-RM.1371-4建议书定义的电文格式进行信号解析。参考点选择模块根据信号处理模块得到的参考点位置和速度信息，计算不同定位参考点下的几何精度因子，为船舶定位参考点的自组织选取提供依据；测量定位模块根据信号处理模块输出的几何测量数据，以及电文解析得到的参考点位置信息，采用三边测量定位方法计算船舶位置；推算定位模块根据船舶运动辅助信息推算船舶航迹位置；信息融合模块根据上述两个定位模块输出的船舶位置信息，利用信息融合方法得到高精度的船舶定位结果。

所述的信号处理模块，对接收到的AIS 4号电文进行解析，即可获到作为一级定位参考点的AIS岸站的位置信息和位置准确度；通过测量岸站发出的任意AIS信号，计算得到船舶到一级定位参考点AIS岸站的距离。对接收到的AIS 1、2、3号电文中的任意一条进行解析，即可得到作为二级移动定位参考点的AIS船站的位置信息、位置精度以及航行速度；通过测量船站发出的任意AIS信号，计算得到船舶到二级移动定位参考点AIS船站的距离。

所述的参考点选择模块的自组织参考点选取准则要求作为二级移动定位参考点的船站位置必须是采用传统定位模式得到的，此外还需考虑船站位置精度、船站运动速度以及几何精度因子三方面因素。本发明的处理流程为：

首先，船舶AIS导航终端设备检测接收到的可作为定位参考点的AIS岸站数量。若接收到的岸站数量大于等于三个，则船舶可采用传统定位模式实现定位。AIS岸站称为一级定位参考点。若在指定时间内，船舶接收到的岸站数量小于三个，则船舶启动自组织定位模式，从接收到的周围AIS船站中按照特定准则选择可作为辅助移动定位参考点，称为二级移动定位参考点。所述的特定准则要求作为二级移动定位参考点的船站位置必须是采用传统定位模式得到的，此外还需考虑船站位置精度、船站运动速度以及几何精度因子三方面因素。对于作为一级定位参考点的AIS岸站，船舶根据接收到的AIS 4号电文，从中提取岸站的位置信息和位置准确度；对于作为二级移动定位参考点的AIS船站，船舶根据接收到的AIS1、2、3号电文中的任意一条，即可解析得到船站的位置信息、位置精度以及航行速度；通过测量接收的岸站或船站的AIS信号得到相应的测量数据，从而计算出船舶与定位参考点之间的距离。采用三边测量定位方法计算船舶位置，可采用加权最小二乘法、Chan算法、Fang算法等完成位置求解。与此同时，船舶根据外部辅助传感器提供的航速和航向信息可以进行自身航迹位置推算。最后，采用卡尔曼滤波、粒子滤波等技术融合几何测量定位数据和航迹推算定位数据，计算出高精度的船舶位置数据，完成船舶的自组织定位。

本发明的有益效果是：利用该发明，能够在AIS基站作为定位参考点无法满足定位条件的情况下，利用已定位船舶作为移动定位参考点辅助定位，同时融合船舶利用自身外部传感器计算得到的航迹数据，完成高精度的船舶自组织定位。不需要部署额外的AIS基站实现沿海船舶的自组织定位，大大提升了AIS自主定位系统的适用范围，节省了部署成本。

附图说明

图1是本发明的船舶AIS导航定位解算终端设备结构框图；

图2是本发明的定位方法流程图；

图3是本发明的一个具体实施例示意图；

图4是本发明的信号处理框图。

图中：11、船舶AIS导航定位解算终端设备，12、AIS信号天线，13、外部辅助传感器，14、位置使用应用，111、信号处理模块，112、参考点选择模块，113、测量定位模块，114、推算定位模块，115、信息融合模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图3示例了本发明的一个实施例场景。

301、302、303为三个AIS岸站。311、312为两个AIS船站。根据AIS信号的传播距离，船站311能够收到来自301、302、303三个AIS岸站的信号；船站312仅能收到来自301、302两个AIS岸站的信号。上述船站通过解析接收到的AIS 4号电文即可获到相应岸站的位置信息和位置准确度，通过测量岸站发出的任意AIS信号，得到船站到各岸站的距离。此外，在AIS信号的传播距离内，船站还可以接收周围船站发出的AIS信号。通过解析接收到的AIS 1、2、3号电文中的任意一条，即可得到相应船站的位置信息、位置精度以及航行速度，通过测量船站发出的任意AIS信号，得到船站间的相对距离。在上述实施例场景中，船站311可采用传统定位模式实现定位；船站312则需采用自组织定位模式定位，即利用301、302两个AIS岸站和311船站作为移动定位参考点实现定位。

船站利用其上安装的船舶AIS导航定位解算终端设备11来实现定位，其定位处理步骤具体如下：

1)信号处理模块111根据接收到的AIS信号实时判断可作为定位参考点的AIS岸站个数。对于311船站，接收到的AIS岸站个数等于三个，且满足一级定位参考点的要求，AIS导航定位解算终端进入传统定位模式。311船站的信号处理模块111从接收到的AIS 4号电文中提取301、302和303岸站的位置信息和位置精度；并测量各AIS岸站发射的AIS信号，得到311船站到301、302、303三个AIS岸站的距离；与此同时，根据得到的岸站位置精度设置测量定位模块113中的三角解算加权因子，通常情况下可全部设置为1，转入步骤3)；

2)由于AIS 4号电文的播发频率为10秒，船站312在10秒钟内仅能收到来自301、302两个AIS岸站的信号，进入自组织定位模式。船站312能够接收到船站311的信号，根据其发送的1号、2号或3号电文，可从中提取船站311的位置信息和位置精度。由于船站311的位置信息是利用传统定位模式得到的，能够满足二级移动定位参考点的要求，因此对于船站312，参考点选择模块112选取AIS岸站301、302和船站311作为移动定位参考点。信号处理模块111将岸站301、302以及船站311对应的位置信息和测量距离提供给测量定位模块113，并根据位置精度和距离测量精度设置相应的三角解算加权因子；

3)测量定位模块113利用加权最小二乘法完成定位解算，解算数学模型如下：

其中，A为定位矩阵，L为测量向量，分别根据信号处理模块111输出的参考点位置信息和测量信息计算得到；C为加权因子，直接根据信号处理模块111的输出进行设置；Δx为位置校正量，可据此计算得到船舶位置，并将上述定位解算结果提供给信息融合模块115。

4)推算定位模块114根据外部传感器（罗经、计程仪等）得到船舶运动的辅助信息，包括当前时刻的航速和航向信息，计算得到船舶的航向变化量和运动距离，分别用ω与S表示。利用如下数学模型推算船舶位置。

其中，Δe和Δn分别为船舶东向和北向位置坐标校正量；φ为船舶在上一历元时刻的航向。根据上述计算模型，即可得到船舶的推算位置，输出给信息融合模块115。

5)测量定位模块113和推算定位模块114得到的定位结果，输入给信息融合模块115，利用卡尔曼滤波融合上述两个定位模块的定位结果，提高船舶的定位精度，输出船舶位置数据以供用户使用，信号处理框图如图4所示。得到船舶位置数据后，转入步骤1)重复上述过程。

Claims (2)

1.一种基于移动参考点辅助的自组织船舶定位方法，其特征在于，是在现有AIS岸站测量的基础上，利用周围已定位的AIS船站作为移动参考点，进行辅助测量，实现船舶的自组织定位；该方法是由船舶AIS导航定位解算终端设备实现；定位解算终端设备由信号处理模块、参考点选择模块、测量定位模块、推算定位模块和信息融合模块组成；信号处理模块对接收到的AIS 4号电文进行解析，即可获得作为一级定位参考点的AIS岸站的位置信息和位置准确度；参考点选择模块根据信号处理模块得到的参考点位置和速度信息，计算不同定位参考点下的几何精度因子，为船舶定位参考点的自组织选取提供依据；测量定位模块根据信号处理模块输出的几何测量数据，以及电文解析得到的参考点位置信息，采用三边测量定位方法计算船舶位置；推算定位模块根据船舶运动辅助信息推算船舶航迹位置；信息融合模块根据测量定位模块和推算定位模块输出的船舶位置信息，利用信息融合方法得到高精度的船舶定位结果；

所述的电文解析接收到的AIS 4号电文即可获得作为一级定位参考点的AIS岸站的位置信息和位置准确度；通过测量岸站发出的任意AIS信号，计算得到船舶到一级定位参考点AIS岸站的距离；

所述的电文解析接收到的AIS 1、2、3号电文中的任意一条，即可得到作为二级移动定位参考点的AIS船站的位置信息、位置精度以及航行速度，通过测量船站发出的任意AIS信号，计算得到船舶到二级移动定位参考点AIS船站的距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于移动参考点辅助的自组织船舶定位方法，其特征在于：所述参考点选择模块的自组织参考点选取准则要求作为二级移动定位参考点的船站位置必须是采用传统定位模式得到的，此外还需考虑船站位置精度、船站的航行速度以及几何精度因子三方面因素。