CN104360335A - 基于ais目标指示的电离层参数反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法。基于AIS获得海上船舶目标位置和运动信息；基于天波雷达回波谱结合AIS目标指示区域检测疑似船舶目标；将雷达探测船舶目标与AIS指示船舶进行相关、融合和匹配，获得雷达船舶目标群路径；基于天波雷达后向散射探测船舶目标定位需要的准抛物电离层模型；建立雷达船舶目标群路径均方误差方程；基于优化求解算法获得电离层参数最优解。本发明无需更多的专业电离层探测设备，即可获得电离层参数模型，减少了设备量和装备成本。由于船舶自动识别系统能实时提供海上大量船舶的静态和动态信息，作为参数反演算法输入数据多，不仅提高了电离层参数的反演精度和稳定性，还提高电离层参数反演空间分辨率。

Description

基于AIS目标指示的电离层参数反演方法

技术领域

本发明涉及电离层参数反演技术领域，尤其是涉及一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法。

背景技术

电离层具有很强的时空特性，而电离层高频无线电信道特性，直接影响着短波无线电广播、通讯和雷达等的质量。因此，实时了解电离层特性，对短波无线电技术应用有着极其重要的价值。电离层模型参数反演正是为了满足这一需求而诞生一种电离层状态参数获取技术。

目前，短波电离层探测方法应用最广泛方法有电离层斜测法、垂测法和返回散射法。为了实现天波雷达目标定位跟踪，一般要配备多部电离层斜测仪、垂测仪和返回散射仪，系统构建不仅复杂，而且建站、维护和运行成本高昂。

在电离层反演问题中，国内外学者普遍采用模式法，但这些方法大都反演的精度、稳定性和空间分辨率难以满足现代短波无线技术要求。

鉴于上述的分析，本发明提供了一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法。船舶自动识别系统(Automatic Idenfication System,AIS)是一种集通信技术、网络技术、计算机技术和显示技术一身的数字助航避险系统，通过全球定位系统配合，可以将船名、呼号、时间、位置、航速、航向等船舶静/动态信息向附近海域船舶和岸基台站广播，为船舶航行提供安全避险保障。AIS系统分为岸基AIS系统和星载AIS系统，可以提供全海域船舶航行态势。本发明主要利用AIS信息提供时间、位置和航速信息，并结合天波雷达目标探测功能，实现电离层参数模型反演。

发明内容

针对现有的电离层探测方法存在的问题，本发明提供了一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法，该方法基于现有大量的AIS提供的船舶航行信息，无需增加新的电离层探测设备，为电离层模型参数获取提供一种新的、低成本和高空间分辩反演方法。

本发明的技术方案是：

一种基于AIS(船舶自动识别系统)目标指示的天波雷达电离层参数反演方法，其特征包括：基于AIS获得海上船舶目标位置和运动信息；基于天波雷达回波谱结合AIS目标指示区域检测疑似目标；将AIS船舶目标与雷达探测船舶目标进行相关、融合和匹配，获得雷达船舶目标群路径；基于天波雷达后向散射探测船舶目标定位需要的准抛物电离层模型；建立雷达船舶目标群路径均方误差方程；基于优化求解算法获得电离层参数最优解。

具体步骤包括如下：

步骤1、根据AIS提供数据提取海上目标动/静态信息，并进行预处理；

步骤2、基于天波雷达多普勒回波谱结合AIS目标指示区域检测疑似目标，并进行测向；

步骤3、将雷达探测的船舶目标与AIS目标进行相关、融合和匹配，获得雷达目标群路径；

步骤4、假设天波雷达后向散射探测目标定位需要的电离层模型；

步骤5、建立目标群路径观测值与计算值之间的均方误差方程；

步骤6、基于最优求解算法求解均方误差方程，获得电离层参数最优解，确定当前电离层的模型参数。

所述步骤1中，根据AIS提供的数据提取海上目标动/静态信息，并分选出处于运动状态、尺寸大于200米的船只，同时将AIS指示船舶位置、时间和运动信息变换到雷达坐标系中。

所述步骤2中，剔除受电离层污染较严重而难以校正或不能校正、离海岸线小于20km的船舶数据，并利用恒虚警法重点检测AIS目标指示区域内的疑似船舶目标，同时进行方位测量。

所述步骤3中，雷达探测的疑似船舶与将AIS指示的船舶目标进行相关、融合和匹配，获得各雷达船舶目标群路径；在做数据关联和融合时，以径向速度作为第一特征，将距离和方位角作为第二和第三特征；速度、距离以及方向波门选取以天波雷达的探测精度为依据。

所述步骤4中，假设天波雷达后向散射探测目标定位需要的电离层模型为准抛物模型。

所述步骤5中，根据船舶目标的分布情况，将海面划分成100km×100km或50km×50km的网格，并根据AIS和雷达目标获得目标群路径和基于准抛物模型得到的群路径理论值，基于平方误差最小准则，分区建立均方误差方程。

所述步骤6中，基于模拟退火算法和遗传算法混合算法在搜索域内进行全局搜索，反演均方误差方程，获得电离层参数最优解，最终确定当前电离层的模型参数。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明是一种新的电离层参数反演技术，无需更多的专业电离层探测设备，即可获得电离层参数模型，减少了设备量和装备成本。由于从AIS获得的船舶数量庞大，分布范围广泛，作为参数反演算法输入数据多，可以获得比其它电离层探测方法空间分辨率更高、数据更可靠、反演精度和稳定性的电离层模型参数。

附图说明

图1为本发明电离层参数反演方法原理示意图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法。基于AIS目标指示的电离层参数反演方法的基本原理是：基于天波雷达海面目标探测原理，结合AIS提供的海面船舶目标航行态势，将雷达探测目标与AIS指示目标进行相关、融合和匹配处理，获得雷达目标群路径。通过假设电离层模型建立目标群路径均方误差方程，并在均方误差最小意义下，通过全局寻优反演得到电离层参数。图1表示基于AIS目标指示的电离层参数反演的原理图。图2为本发明所述方法的流程图。

由于AIS能提供大范围、远距离大量合作船舶的位置和运动信息，通过网格区域细分，因此，基于AIS目标指示的电离层参数反演方法，能够实现电离层参数模型更稳定、更精确、空间分辨率高更高的反演。

下面结合附图来详细说明本发明的实施例：

图2为本发明所述方法的流程图，具体可以包括如下步骤：

步骤1、根据AIS提供数据提取海上目标动/静态信息，并进行预处理；

步骤2、基于天波雷达多普勒回波谱结合AIS目标指示区域检测疑似目标，并进行测向；

步骤3、将雷达探测的船舶目标与AIS目标进行相关、融合和匹配，获得雷达目标群路径；

步骤4、假设天波雷达后向散射探测目标定位需要的电离层模型；

步骤5、建立目标群路径观测值与计算值之间的均方误差方程；

步骤6、基于最优求解算法求解均方误差方程，获得电离层参数最优解，确定当前电离层的模型参数。

具体说明如下：

1、电离层高频无线电波传播群路径与电子浓度分布和雷达工作频率之间的关系可表示为：

P′(f)＝F(N(r),f)

其中，N(r)表示电离层电子浓度。此式反映了电离层高频无线电波群路径P′和雷达工作频率f的关系。本发明电离参数模型反演P′(f)公式如下：

N(r)＝F^-1(P′(f),f)

2、由于准抛物电离层模型既反映了电离层电子浓度随高度变化规律，又提供了电离层高频无线电波射线追踪的解析表达式，并且广泛应用于电离层模型参数反演中。本发明使用的电离层参数反演模型也将采用被业内广泛接受的准抛物模型。

3、AIS可提供远距离、大范围大量的海上合作船舶时的动静态信息，为了提高目标检测、测向和定位精度，尽量挑选尺度较大的船只作为测试目标；与此同时，为了减少干扰，应尽量选择电离层污染较轻、容易校正、杂波清晰的回波谱进行分析。为了提高电离层模型参数反演精度，可根据海面目标的分布情况，对海面进行网格划分，并分别进行电离层参数建模和参数反演。为了提高电离层参数模型参数反演的稳健性，提高参数反演精度，可在每个网格中不同地方选择船舶。

4、本发明基于测量值和理论值均方误差最小准则求解参数最优解。在AIS指示下雷达获得的合作船舶目标群路径P′_n(f)与根据电离层模型参数计算得到的群路径之间的均方误差为：

${\mathrm{\δ}}^2=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(P_n^{\′}\left(f\right)-P_n(\widehat{\mathrm{\χ}},f))}^2$

式中，表示电离层模型参数向量，可写成f_c为电离层临界频率，r_m为电离层最大电子浓度对应的高度，r_b为电离层底部高度，N表示同一网格区域可用于反演电离层参数的船舶数量。电离层模型参数反演就是通过全局搜索，在电离层模型搜索域获得最优解使得δ²最小，并最终确定当前电离层模型参数f_c、r_b和r_m。

5、为了获得均方误差最小稳定的全局最优解，本发明基于模拟退火和遗传算法混合算法求解均方误差方程。

综上所述，本发明提供的一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法，由于大量使用了AIS提供的合作船舶目标的先验信息，提高了电离层模型参数反演的稳定性、精确度和空间分辨率。

Claims (7)

1.一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、根据AIS提供的数据提取海上目标动/静态信息，并进行预处理；

步骤2、基于天波雷达多普勒回波谱结合AIS目标指示区域检测疑似目标，并进行测向；

步骤3、将雷达探测的船舶目标与AIS目标进行相关、融合和匹配，获得雷达目标群路径；

步骤4、假设天波雷达后向散射探测目标定位需要的电离层模型；

步骤5、建立目标群路径观测值与计算值之间的均方误差方程；

步骤6、基于最优求解算法求解均方误差方程，获得电离层参数最优解，确定当前电离层的模型参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法，其特征在于：所述步骤1中，根据AIS提供的数据提取海上目标动/静态信息，并分选出处于运动状态、尺寸大于200米的船只，同时将AIS指示船舶位置、时间和运动信息变换到雷达坐标系中。

3.根据权利要求2所述的一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法，其特征在于：所述步骤2中，剔除受电离层污染较严重而难以校正、离海岸线小于20km的船舶数据，并利用恒虚警法重点检测AIS目标指示区域内的疑似船舶目标，同时进行方位测量。

4.根据权利要求3所述的一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法，其特征在于：所述步骤3中，雷达探测的疑似船舶与将AIS指示的船舶目标进行相关、融合和匹配，获得各雷达船舶目标群路径；在做数据关联和融合时，以径向速度作为第一特征，将距离和方位角作为第二和第三特征；速度、距离以及方向波门选取以天波雷达的探测精度为依据。

5.根据权利要求4所述的一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法，其特征在于：所述步骤4中，假设天波雷达后向散射探测目标定位需要的电离层模型为准抛物模型。

6.根据权利要求5所述的一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法，其特征在于：所述步骤5中，根据船舶目标的分布情况，将海面划分成100km×100km或50km×50km的网格，并根据AIS和雷达目标获得目标群路径和基于准抛物模型得到的群路径理论值，基于平方误差最小准则，分区建立均方误差方程。

7.根据权利要求6所述的一种基于AIS目标指示的电离层参数反演方法，其特征在于：所述步骤6中，基于模拟退火算法和遗传算法混合算法在搜索域内进行全局搜索，反演均方误差方程，获得电离层参数最优解，最终确定当前电离层的模型参数。