CN104614708A - 一种船舶远程无线自主定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶远程无线自主定位系统及方法，包括三个以上岸基地波雷达站和设置在每个待定位船舶上的船载自主无线定位终端，所有岸基地波雷达站共用或分别配置一个同步原子时钟；每个待定位船舶上的船载自主无线定位终端搜索识别岸基地波雷达站发出的雷达信号，如果满足定位使用条件则测量各个用于满足定位使用条件的岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，测量成功后进行定位计算并输出船舶位置定位结果。本发明的优势在于：船舶可共用岸基地波雷达信号进行定位，与广泛使用船舶自动识别系统相比，本系统定位距离更远，而且无需依赖卫星导航系统，满足国际航海组织提出的天基和陆基双备份定位需求。

Description

一种船舶远程无线自主定位系统及方法

技术领域

本发明属于船舶无线定位领域，具体涉及一种船舶远程无线自主定位系统及方法。

背景技术

目前，广泛使用的船舶自动定位系统工作在VHF频段，一般情况下，其作用距离只有20至30海里，并且完全依赖于卫星导航系统，但卫星导航系统具有一定的风险性，一旦卫星导航系统出现故障或遭到破坏，目前使用船舶自动识别系统将无法正常工作，给船舶航行造成巨大的安全隐患。因此，国际航海组织成员国一致认为：为了保证航行安全，未来船舶必须强制配备天基和陆基双备份定位导航系统。为了满足国际当前船舶定位导航双备份系统需求，研究一种新的船舶远程无线自主定位系统，既有广泛的应用价值，又能满足国际航海组织成员国提出的天基和陆基双备份的要求，具有重要的现实意义和巨大的经济价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用现有的岸基地波雷达网进行船舶远程无线自主定位的新技术方案，利用现有岸基地波雷达信号测量船舶到不同雷达站的距离，并根据测得的距离和岸基地波雷达站的精确位置进行船舶岸基自主定位。

本发明的技术方案提供一种船舶远程无线自主定位系统，包括三个以上岸基地波雷达站和设置在每个待定位船舶上的船载自主无线定位终端，所有岸基地波雷达站共用或分别配置一个同步原子时钟，各岸基地波雷达站发射相互正交的雷达信号；每个待定位船舶上的船载自主无线定位终端包括以下模块，

雷达信号接收模块，用于搜索识别岸基地波雷达站发出的雷达信号；

定位条件判断模块，判断搜索所得各岸基地波雷达站发出的雷达信号，如果满足定位使用条件的岸基地波雷达站超过3个，则命令距离测量模块工作，否则命令雷达信号接收模块重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；所述定位使用条件为信噪比超过预设阈值；

距离测量模块，用于测量各个用于满足定位使用条件的岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，如果有达到3个岸基地波雷达站测量成功，则输出到定位输出模块，否则命令雷达信号接收模块重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；

测量任一岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，实现方式如下，

对岸基地波雷达参考站的到达信号进行捕获，测量出到达信号的幅度延迟和相位相应公式如下，

${\hat{d}}_i\left(t\right)={\hat{A}}_i\left(t\right){\mathrm{\ρ}}_i[t-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_i\left(t\right)]\cos [2\mathrm{\πft}+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_i\left(t\right)]$

式中，f为岸基地波雷达发射信号载波频率，t表示时间，ρ_i为第i个岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，i的取值为1,2,3；

定位输出模块，利用距离测量模块所得测量所得距离ρ_i进行定位计算并输出船舶位置定位结果。

本发明相应提供一种船舶远程无线自主定位方法，基于三个以上岸基地波雷达站对每个待定位船舶进行自主定位，所有岸基地波雷达站共用或分别配置一个同步原子时钟，各岸基地波雷达站发射相互正交的雷达信号；对每个待定位船舶执行以下步骤，

步骤1，搜索识别岸基地波雷达站发出的雷达信号；

步骤2，判断搜索所得各岸基地波雷达站发出的雷达信号，如果满足定位使用条件的岸基地波雷达站超过3个，则进入步骤3，否则返回步骤1重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；所述定位使用条件为信噪比超过预设阈值；

步骤3，测量各个用于满足定位使用条件的岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，如果有达到3个岸基地波雷达站测量成功，则执行步骤4，否则返回步骤1重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；

测量任一岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，实现方式如下，

对岸基地波雷达参考站的到达信号进行捕获，测量出到达信号的幅度延迟和相位相应公式如下，

${\hat{d}}_i\left(t\right)={\hat{A}}_i\left(t\right){\mathrm{\ρ}}_i[t-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_i\left(t\right)]\cos [2\mathrm{\πft}+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_i\left(t\right)]$

式中，f为岸基地波雷达发射信号载波频率，t表示时间，ρ_i为第i个岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，i的取值为1,2,3；

步骤4，利用步骤3所得测量所得距离ρ_i进行定位计算并输出船舶位置定位结果。

本发明的优势在于：利用本发明，船舶可直接利用岸基地波雷达信号进行定位，无需星载导航定位系统，不仅满足了国际航海组织提出的天基和陆基双备份定位需求，而且定位距离达300公里以上，远大于目前广泛使用的船舶自动定位系统；利用本发明无需新建发射站，节约了系统构建成本，具有重要的现实意义和巨大的经济价值。

附图说明

图1是本发明实施例的船舶远程无线自主定位系统原理图；

图2是本发明实施例的船载自主无线定位流程图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明实施例的船舶远程无线自主定位系统包括岸基地波雷达站1、同步原子钟2和船舶远程无线自主定位终端设备3。其中，岸基地波雷达站1包括至少3个岸基地波雷达站(分别记为地波雷达站1、地波雷达站2、地波雷达站3…)，并共用或单配一个同步原子时钟2，各岸基地波雷达发射相互正交的雷达信号，通过岸基地波雷达站发射载波。在缺乏GPS条件的情况下，岸基地波雷达基站之间共用一个同步原子时钟，可以降低成本。每个待定位船舶设置船载自主无线定位终端，分别记为船载自主无线定位终端1、船载自主无线定位终端2…

如图2所示，本发明实施例中，每个待定位船舶上的船载自主无线定位终端包括以下模块，

雷达信号接收模块，用于搜索识别岸基地波雷达站发出的雷达信号；

定位条件判断模块，判断搜索所得各岸基地波雷达站发出的雷达信号，如果满足定位使用条件的岸基地波雷达站超过3个，则命令距离测量模块工作，否则命令雷达信号接收模块重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；所述定位使用条件为信噪比超过预设阈值，具体实施时本领域技术人员可自行预设阈值，例如10dB；

距离测量模块，用于测量各个用于满足定位使用条件的岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，如果有达到3个岸基地波雷达站测量成功，则输出到定位输出模块，否则命令雷达信号接收模块重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；

超出3个岸基地波雷达站测量成功时，可以随机选取或根据预设的距离优先等准则选取3个；

测量任一岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，实现方式如下，

对岸基地波雷达参考站的到达信号进行捕获，测量出到达信号的幅度延迟和相位相应公式如下，

${\hat{d}}_i\left(t\right)={\hat{A}}_i\left(t\right){\mathrm{\ρ}}_i[t-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_i\left(t\right)]\cos [2\mathrm{\πft}+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_i\left(t\right)]$

式中，f为岸基地波雷达发射信号载波频率，t表示时间，ρ_i为第i个岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，i的取值为1,2,3；

定位输出模块，利用距离测量模块所得测量所得距离ρ_i进行定位计算并输出船舶位置定位结果。

船载自主无线定位终端可以采用软件固化的模块化方式实现，也可以采用计算机软件方式实现自动运行船载自主无线定位过程，实施例提供的一种船舶远程无线自主定位方法，基于三个以上岸基地波雷达站对每个待定位船舶进行自主定位，所有岸基地波雷达站共用或分别配置一个同步原子时钟，各岸基地波雷达站发射相互正交的雷达信号；对每个待定位船舶执行以下步骤，

步骤1，搜索识别岸基地波雷达站发出的雷达信号；

步骤2，判断搜索所得各岸基地波雷达站发出的雷达信号，如果满足定位使用条件的岸基地波雷达站超过3个，则进入步骤3，否则返回步骤1重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；所述定位使用条件为信噪比超过预设阈值；

步骤3，测量各个用于满足定位使用条件的岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，如果有达到3个岸基地波雷达站测量成功，则执行步骤4，否则返回步骤1重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；

测量任一岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，实现方式如下，

对岸基地波雷达参考站的到达信号进行捕获，测量出到达信号的幅度延迟和相位相应公式如下，

${\hat{d}}_i\left(t\right)={\hat{A}}_i\left(t\right){\mathrm{\ρ}}_i[t-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_i\left(t\right)]\cos [2\mathrm{\πft}+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_i\left(t\right)]$

式中，f为岸基地波雷达发射信号载波频率，t表示时间，ρ_i为第i个岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，i的取值为1,2,3；

步骤4，利用步骤3所得测量所得距离ρ_i进行定位计算并输出船舶位置定位结果。

具体实施时，基于无线电测距定位原理进行位置计算即可得到定位结果，获取船舶的经纬度。在步骤4后，可以返回步骤1继续执行，持续不断的实现船舶定位，以适应船舶的移动定位。

具体实施时，可以基于船舶上已有的船载定位设备实现，利用船载定位设备的接收装置和处理器实现本发明，无需另外增加设备。普通的晶振即可作为工作时钟。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种船舶远程无线自主定位系统，其特征在于：包括三个以上岸基地波雷达站和设置在每个待定位船舶上的船载自主无线定位终端，所有岸基地波雷达站共用或分别配置一个同步原子时钟，各岸基地波雷达站发射相互正交的雷达信号；每个待定位船舶上的船载自主无线定位终端包括以下模块，

雷达信号接收模块，用于搜索识别岸基地波雷达站发出的雷达信号；

定位条件判断模块，判断搜索所得各岸基地波雷达站发出的雷达信号，如果满足定位使用条件的岸基地波雷达站超过3个，则命令距离测量模块工作，否则命令雷达信号接收模块重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；所述定位使用条件为信噪比超过预设阈值；

距离测量模块，用于测量各个用于满足定位使用条件的岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，如果有达到3个岸基地波雷达站测量成功，则输出到定位输出模块，否则命令雷达信号接收模块重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；

测量任一岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，实现方式如下，

对岸基地波雷达参考站的到达信号进行捕获，测量出到达信号的幅度延迟和相位相应公式如下，

${\hat{d}}_i\left(t\right)={\hat{A}}_i\left(t\right){\mathrm{\ρ}}_i[t-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_i\left(t\right)]\cos [2\mathrm{\πft}+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_i\left(t\right)]$

式中，f为岸基地波雷达发射信号载波频率，t表示时间，ρ_i为第i个岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，i的取值为1,2,3；

定位输出模块，利用距离测量模块所得测量所得距离ρ_i进行定位计算并输出船舶位置定位结果。

2.一种船舶远程无线自主定位方法，其特征在于：基于三个以上岸基地波雷达站对每个待定位船舶进行自主定位，所有岸基地波雷达站共用或分别配置一个同步原子时钟，各岸基地波雷达站发射相互正交的雷达信号；对每个待定位船舶执行以下步骤，

步骤1，搜索识别岸基地波雷达站发出的雷达信号；

步骤2，判断搜索所得各岸基地波雷达站发出的雷达信号，如果满足定位使用条件的岸基地波雷达站超过3个，则进入步骤3，否则返回步骤1重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；所述定位使用条件为信噪比超过预设阈值；

步骤3，测量各个用于满足定位使用条件的岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，如果有达到3个岸基地波雷达站测量成功，则执行步骤4，否则返回步骤1重新搜索岸基地波雷达站发出的雷达信号；

测量任一岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，实现方式如下，

对岸基地波雷达参考站的到达信号进行捕获，测量出到达信号的幅度延迟和相位相应公式如下，

${\hat{d}}_i\left(t\right)={\hat{A}}_i\left(t\right){\mathrm{\ρ}}_i[t-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_i\left(t\right)]\cos [2\mathrm{\πft}+{\widehat{\mathrm{\φ}}}_i\left(t\right)]$

式中，f为岸基地波雷达发射信号载波频率，t表示时间，ρ_i为第i个岸基地波雷达站到待定位船舶的距离，i的取值为1,2,3；

步骤4，利用步骤3所得测量所得距离ρ_i进行定位计算并输出船舶位置定位结果。