CN106093859A - 一种基于飞艇的自组织船舶定位系统及其定位方法 - Google Patents

一种基于飞艇的自组织船舶定位系统及其定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于飞艇的自组织船舶定位系统及其定位方法，所述的定位系统包括飞艇定位与控制终端和船舶定位终端；飞艇定位与控制终端包括飞艇无线收发模块、AIS基站模块、飞艇控制模块和飞艇主控模块，船舶定位终端包括船舶无线收发模块、AIS船站模块、显示模块和船舶主控模块。本发明利用飞艇搭载AIS基站，通过合理的布局规划，使飞艇与岸基AIS基站进行通信，通过岸基AIS基站精确的位置信息实现飞艇的定位。然后利用布局的飞艇网络覆盖远洋船舶，使得船舶直接与飞艇进行通信，从而实现远洋船舶的自组织定位。与单独的岸基AIS基站网络相比，本发明定位距离更远，远洋船舶可通过陆基导航系统实现自组织定位。

Description

一种基于飞艇的自组织船舶定位系统及其定位方法
技术领域
本发明涉及导航定位领域，特别是一种远洋船舶的自组织定位方法。
背景技术
为了保证船舶的航行安全，船舶应强制配备空基和陆基双备份的定位导航系统。目前，空基导航系统主要依赖于GNSS(全球卫星导航系统)，而利用AIS(船舶自动识别系统)实现船舶自主定位的导航系统成为IMO强制配备陆基导航系统的最佳候选方案之一。但该类方法由于岸基基站的局限性和船舶距离的限制，对于非近海船舶或周围没有已定位的船舶来说，陆基定位无法实现。例如，中国专利ZL201110133252.8公开了《一种AIS船舶自主定位导航系统》，该系统利用现有的AIS基站电波测量船舶到不同基站的距离，并根据测得的距离和AIS基站的精确位置进行船舶定位。
但是，现有技术存在以下问题：
1、在现有AIS系统的条件下，在岸基AIS基站无法覆盖的范围内，无法解决远洋船舶的自组织定位问题。
2、远洋船舶需要依赖全球卫星导航系统实现自组织定位。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种远洋船舶能够在岸基AIS基站无法覆盖的范围内进行定位的基于飞艇的自组织船舶定位系统及其定位方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于飞艇的自组织船舶定位系统，包括飞艇定位与控制终端和船舶定位终端；
所述的飞艇定位与控制终端包括飞艇无线收发模块、AIS基站模块、飞艇控制模块和飞艇主控模块，所述的飞艇无线收发模块分别与飞艇AIS信号天线、AIS基站模块和飞艇控制模块双向连接，所述的飞艇主控模块分别与AIS基站模块和飞艇控制模块双向连接；
所述的飞艇无线收发模块通过飞艇AIS信号天线接收与发送AIS信息以及对飞艇的控制信息；AIS基站模块包括飞艇AIS信号处理模块、飞艇AIS电文处理模块和飞艇定位解算模块，所述的AIS基站模块通过接收AIS信号，完成AIS信号的几何测量和电文格式的解析；通过解析的参考点的位置和速度信息，获取几何精度因子；通过飞艇定位解算模块，采用三边测量定位的方法实现飞艇的自组织定位；所述的飞艇控制模块包括外部传感器模块和姿态控制模块，通过接收的控制信息以及安装在飞艇头尾两端的传感器测量的飞艇速度、高度和方向信息实现飞艇方向、位置和角度姿态的调整，进而实现飞艇布局，为远洋船舶提供AIS信号；所述的飞艇主控模块实现飞艇的整体控制，通过飞艇控制模块实现飞艇布局的控制，通过AIS基站模块实现定位以及AIS信号的收发功能；
所述的船舶定位终端包括船舶无线收发模块、AIS船站模块、显示模块和船舶主控模块，所述的船舶无线收发模块分别与船舶AIS信号天线和AIS船站模块双向连接，所述的船舶主控模块分别与AIS船站模块和显示模块双向连接；
所述的船舶无线收发模块通过船舶AIS信号天线实现船舶与飞艇间或者船舶与船舶之间的AIS信息数据交换；所述的AIS船站模块包括船舶AIS信号处理模块、船舶AIS电文处理模块和船舶定位解算模块，通过接收AIS信号，完成AIS信号的几何测量和电文格式的解析；通过解析的参考点的位置和速度信息，获取几何精度因子；通过船舶定位解算模块，采用三边测量定位的方法实现船舶的自组织定位；AIS船站模块将解析后的信息传输到船舶主控模块，由船舶主控模块进行输出应用；所述的显示模块接收船舶主控模块的信息并将获取的周围船舶信息及自身位置信息标记在电子海图中。
一种基于飞艇的自组织船舶定位系统的定位方法，包括以下步骤：
A、飞艇将岸基AIS基站作为一级定位参考点，通过飞艇定位与控制终端进行自组织定位；
A1、飞艇通过飞艇无线收发模块接收岸基AIS基站或者已定位的飞艇发射的AIS信号，并检测接收到的可作为定位参考点的岸基AIS基站或者已定位飞艇的数量；
A2、若接收到的可作为定位参考点的岸基AIS基站或者已定位飞艇数量大于等于三个，则转步骤A3；否则转步骤A4；
A3、飞艇定位解算模块通过三边测量法实现飞艇自组织定位；转步骤A5；
A4、飞艇通过飞艇控制模块调整布局，重新搜寻岸基AIS基站或者已定位飞艇的AIS信号，并检测接收到的可作为定位参考点的岸基AIS基站或者已定位飞艇的数量；转步骤A2；
A5、完成飞艇的自组织定位；
B、远洋船舶将已定位的飞艇网络作为二级定位参考点，通过船舶定位终端实现自组织定位；
B1、船舶定位终端通过船舶无线收发模块接收飞艇或已定位船舶发射的AIS信号，并检测接收到的可作为定位参考点的已定位飞艇或者已定位船舶数量；
B2、若接收到的已定位飞艇或者已定位船舶数量大于等于三个，则转步骤B3；否则转步骤B4；
B3、船舶定位解算模块通过三边测量法实现船舶自组织定位；转步骤B5；
B4、检测并等待第三个已定位飞艇或船舶；转步骤B2；
B5、船舶定位成功之后将接收到的周围船舶信息与自身船舶信息标记在电子海图上，并进行数据存储；
C、结束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、传统的船舶自组织定位方案是借助岸基AIS基站或借助已定位的船舶进行定位，需要至少同时接收到三个及三个以上的信号，才能实现船舶的自组织定位。如果远洋船舶不在岸基AIS基站的覆盖范围内，则定位效果不理想；而本发明利用飞艇搭载AIS基站，通过合理的布局规划，使飞艇可以与岸基AIS基站进行通信，通过岸基AIS基站精确的位置信息实现飞艇的定位。然后利用布局的飞艇网络覆盖远洋船舶，使得船舶可以直接与飞艇进行通信，从而实现远洋船舶的自组织定位。
2、与单独的岸基AIS基站网络相比，本发明定位距离更远，且无需依赖全球卫星导航系统，远洋船舶可通过陆基导航系统实现自组织定位。
附图说明
图1是本发明的飞艇定位与控制终端设备结构图。
图2是本发明的船舶定位终端设备结构图。
图3是本发明的飞艇定位与控制流程图。
图4是本发明的船舶定位流程图。
图5是本发明的飞艇布局网络示意图。
图中：1、飞艇定位与控制终端，2、飞艇AIS信号天线，3、飞艇无线收发模块，4、AIS基站模块，5、飞艇AIS信号处理模块，6、飞艇AIS电文处理模块，7、飞艇定位解算模块，8、飞艇控制模块，9、外部传感器模块，10、姿态控制模块，11、飞艇主控模块，21、船舶定位终端，22、船舶AIS信号天线，23、船舶无线收发模块，24、AIS船站模块，25、船舶AIS信号处理模块，26、船舶AIS电文处理模块，27、船舶定位解算模块，28、显示模块，29、船舶主控模块，31、一号岸基AIS基站，32、二号岸基AIS基站，33、三号岸基AIS基站，34、近海飞艇，35、远洋飞艇，36、一号远洋船舶，37、二号远洋船舶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-2所示，一种基于飞艇的自组织船舶定位系统，包括飞艇定位与控制终端1和船舶定位终端21；
所述的飞艇定位与控制终端1包括飞艇无线收发模块3、AIS基站模块4、飞艇控制模块8和飞艇主控模块11，所述的飞艇无线收发模块3分别与飞艇AIS信号天线2、AIS基站模块4和飞艇控制模块8双向连接，所述的飞艇主控模块11分别与AIS基站模块4和飞艇控制模块8双向连接；
所述的飞艇无线收发模块3通过飞艇AIS信号天线2接收与发送AIS信息以及对飞艇的控制信息；AIS基站模块4包括飞艇AIS信号处理模块5、飞艇AIS电文处理模块6和飞艇定位解算模块7，所述的AIS基站模块4通过接收AIS信号，完成AIS信号的几何测量和电文格式的解析；通过解析的参考点的位置和速度信息，获取几何精度因子；通过飞艇定位解算模块7，采用三边测量定位的方法实现飞艇的自组织定位；所述的飞艇控制模块8包括外部传感器模块9和姿态控制模块10，通过接收的控制信息以及外部传感器模块9测量的飞艇速度、高度和方向信息实现飞艇方向、位置和角度姿态的调整，进而实现飞艇布局，为远洋船舶提供AIS信号；所述的飞艇主控模块11实现飞艇的整体控制，通过飞艇控制模块8实现飞艇布局的控制，通过AIS基站模块4实现定位以及AIS信号的收发功能；
所述的船舶定位终端21包括船舶无线收发模块23、AIS船站模块24、显示模块28和船舶主控模块29，所述的船舶无线收发模块23分别与船舶AIS信号天线22和AIS船站模块24双向连接，所述的船舶主控模块29分别与AIS船站模块24和显示模块28双向连接；
所述的船舶无线收发模块23通过船舶AIS信号天线22实现船舶与飞艇间或者船舶与船舶之间的AIS信息数据交换；所述的AIS船站模块24包括船舶AIS信号处理模块25、船舶AIS电文处理模块26和船舶定位解算模块27，通过接收AIS信号，完成AIS信号的几何测量和电文格式的解析；通过解析的参考点的位置和速度信息，获取几何精度因子；通过船舶定位解算模块27，采用三边测量定位的方法实现船舶的自组织定位；AIS船站模块将解析后的信息传输到船舶主控模块29，由船舶主控模块29进行输出应用；所述的显示模块28接收船舶主控模块29的信息并将获取的周围船舶信息及自身位置信息标记在电子海图中。
进一步地，所述的外部传感器模块9包括安装在飞艇头尾两端的传感器。
如图3-4所示，一种基于飞艇的自组织船舶定位系统的定位方法，包括以下步骤：
A、飞艇将岸基AIS基站作为一级定位参考点，通过飞艇定位与控制终端1进行自组织定位；
A1、飞艇通过飞艇无线收发模块3接收岸基AIS基站或者已定位的飞艇发射的AIS信号，并检测接收到的可作为定位参考点的岸基AIS基站或者已定位飞艇的数量；
A2、若接收到的可作为定位参考点的岸基AIS基站或者已定位飞艇数量大于等于三个，则转步骤A3；否则转步骤A4；
A3、飞艇定位解算模块7通过三边测量法实现飞艇自组织定位；转步骤A5；
A4、飞艇通过飞艇控制模块8调整布局，重新搜寻岸基AIS基站或者已定位飞艇的AIS信号，并检测接收到的可作为定位参考点的岸基AIS基站或者已定位飞艇的数量；转步骤A2；
A5、完成飞艇的自组织定位；
B、远洋船舶将已定位的飞艇网络作为二级定位参考点，通过船舶定位终端21实现自组织定位；
B1、船舶定位终端21通过船舶无线收发模块23接收飞艇或已定位船舶发射的AIS信号，并检测接收到的可作为定位参考点的已定位飞艇或者已定位船舶数量；
B2、若接收到的已定位飞艇或者已定位船舶数量大于等于三个，则转步骤B3；否则转步骤B4；
B3、船舶定位解算模块27通过三边测量法实现船舶自组织定位；转步骤B5；
B4、检测并等待第三个已定位飞艇或船舶；转步骤B2；
B5、船舶定位成功之后将接收到的周围船舶信息与自身船舶信息标记在电子海图上，并进行数据存储；
C、结束。
本发明的一个具体实施例如下：
如图5所示，设一号岸基AIS基站31、二号岸基AIS基站32和三号岸基AIS基站33为岸基AIS基站网络中的三个岸基AIS基站；近海飞艇34和远洋飞艇35为飞艇网络中的两个飞艇；一号远洋船舶36和二号远洋船舶37为航行在远洋的两个远洋船舶。按照图3-4所示的流程，首先是飞艇网络的布局与定位，近海飞艇34可以接收到一号岸基AIS基站31、二号岸基AIS基站32和三号岸基AIS基站33三个岸基AIS基站发射的AIS信号，根据ITU-R M.1371-4标准规定，通过解析岸基AIS基站的AIS消息4电文即可获取相应的三个岸基AIS基站的具体位置信息，然后通过测量近海飞艇34与三个岸基AIS基站的距离即可计算出近海飞艇34自身的位置，从而实现近海飞艇34的定位。对于远洋飞艇35，利用三个或三个以上已定位的近海飞艇如已定位近海飞艇34作为参考坐标实现自身定位。如此，多个飞艇通过合理的布局即可实现飞艇网络的自组织定位。然后是远洋船舶的定位处理，一号远洋船舶36捕获附近已定位的三个飞艇的AIS信号，通过解析飞艇的AIS消息4获取飞艇的位置信息，然后通过测量一号远洋船舶36到飞艇的距离实现一号远洋船舶36的定位。同时，一号远洋船舶36以及二号远洋船舶37的AIS信息也可以通过布局的飞艇网络实现信息交换，并且可以将自身船舶信息传输到岸边AIS信息管理中心。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于飞艇的自组织船舶定位系统，其特征在于：包括飞艇定位与控制终端(1)和船舶定位终端(21)；
所述的飞艇定位与控制终端(1)包括飞艇无线收发模块(3)、AIS基站模块(4)、飞艇控制模块(8)和飞艇主控模块(11)，所述的飞艇无线收发模块(3)分别与飞艇AIS信号天线(2)、AIS基站模块(4)和飞艇控制模块(8)双向连接，所述的飞艇主控模块(11)分别与AIS基站模块(4)和飞艇控制模块(8)双向连接；
所述的飞艇无线收发模块(3)通过飞艇AIS信号天线(2)接收与发送AIS信息以及对飞艇的控制信息；AIS基站模块(4)包括飞艇AIS信号处理模块(5)、飞艇AIS电文处理模块(6)和飞艇定位解算模块(7)，所述的AIS基站模块(4)通过接收AIS信号，完成AIS信号的几何测量和电文格式的解析；通过解析的参考点的位置和速度信息，获取几何精度因子；通过飞艇定位解算模块(7)，采用三边测量定位的方法实现飞艇的自组织定位；所述的飞艇控制模块(8)包括外部传感器模块(9)和姿态控制模块(10)，通过接收的控制信息以及外部传感器模块(9)测量的飞艇速度、高度和方向信息实现飞艇方向、位置和角度姿态的调整，进而实现飞艇布局，为远洋船舶提供AIS信号；所述的飞艇主控模块(11)实现飞艇的整体控制，通过飞艇控制模块(8)实现飞艇布局的控制，通过AIS基站模块(4)实现定位以及AIS信号的收发功能；
所述的船舶定位终端(21)包括船舶无线收发模块(23)、AIS船站模块(24)、显示模块(28)和船舶主控模块(29)，所述的船舶无线收发模块(23)分别与船舶AIS信号天线(22)和AIS船站模块(24)双向连接，所述的船舶主控模块(29)分别与AIS船站模块(24)和显示模块(28)双向连接；
所述的船舶无线收发模块(23)通过船舶AIS信号天线(22)实现船舶与飞艇间或者船舶与船舶之间的AIS信息数据交换；所述的AIS船站模块(24)包括船舶AIS信号处理模块(25)、船舶AIS电文处理模块(26)和船舶定位解算模块(27)，通过接收AIS信号，完成AIS信号的几何测量和电文格式的解析；通过解析的参考点的位置和速度信息，获取几何精度因子；通过船舶定位解算模块(27)，采用三边测量定位的方法实现船舶的自组织定位；AIS船站模块将解析后的信息传输到船舶主控模块(29)，由船舶主控模块(29)进行输出应用；所述的显示模块(28)接收船舶主控模块(29)的信息并将获取的周围船舶信息及自身位置信息标记在电子海图中。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞艇的自组织船舶定位系统，其特征在于：所述的外部传感器模块(9)包括安装在飞艇头尾两端的传感器。
3.一种基于飞艇的自组织船舶定位系统的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、飞艇将岸基AIS基站作为一级定位参考点，通过飞艇定位与控制终端(1)进行自组织定位；
A1、飞艇通过飞艇无线收发模块(3)接收岸基AIS基站或者已定位的飞艇发射的AIS信号，并检测接收到的可作为定位参考点的岸基AIS基站或者已定位飞艇的数量；
A2、若接收到的可作为定位参考点的岸基AIS基站或者已定位飞艇数量大于等于三个，则转步骤A3；否则转步骤A4；
A3、飞艇定位解算模块(7)通过三边测量法实现飞艇自组织定位；转步骤A5；
A4、飞艇通过飞艇控制模块(8)调整布局，重新搜寻岸基AIS基站或者已定位飞艇的AIS信号，并检测接收到的可作为定位参考点的岸基AIS基站或者已定位飞艇的数量；转步骤A2；
A5、完成飞艇的自组织定位；
B、远洋船舶将已定位的飞艇网络作为二级定位参考点，通过船舶定位终端(21)实现自组织定位；
B1、船舶定位终端(21)通过船舶无线收发模块(23)接收飞艇或已定位船舶发射的AIS信号，并检测接收到的可作为定位参考点的已定位飞艇或者已定位船舶数量；
B2、若接收到的已定位飞艇或者已定位船舶数量大于等于三个，则转步骤B3；否则转步骤B4；
B3、船舶定位解算模块(27)通过三边测量法实现船舶自组织定位；转步骤B5；
B4、检测并等待第三个已定位飞艇或船舶；转步骤B2；
B5、船舶定位成功之后将接收到的周围船舶信息与自身船舶信息标记在电子海图上，并进行数据存储；
C、结束。
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