CN107315164A - 一种单ais参考点的船舶自主定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于船舶定位导航领域，具体涉及一种单AIS参考点的船舶自主定位方法。本发明由单AIS参考点的船舶自主定位终端设备实现，定位解算终端设备由电源模块、液晶显示模块、单基站定位模块和AIS天线单元组成。单基站定位模块作为核心单元，由AIS信号解调子模块、定位信号提取子模块、AIS电文解析子模块和定位解算处理子模块四部分组成。当仅能收到单个AIS基站的信号时，通过在船上布设一副主天线，两副辅助天线，利用天线间已知的几何位置关系，实现船舶的自主定位。本发明不需要额外部署AIS基站，能够在仅有单个AIS基站可作为定位参考点时实现船舶自主定位，大大提高了基于AIS的测距定位系统的适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶定位导航领域，具体涉及一种单AIS参考点的船舶自主定位方法。
背景技术
船舶自动识别系统AIS是国际海事组织(International MaritimeOrganization-IMO)强制船舶配备的通信导航设备。在IMO的e-航海战略研究中，为了充分利用现有AIS资源，将基于AIS的测距定位(Range Mode)系统作为未来的陆基无线电导航系统之一，以克服全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System-GNSS)的脆弱性，建立天基陆基双备份的船舶导航定位系统，保障船舶的航行安全。
所谓基于AIS的测距定位，即在保持现有AIS通信功能不受影响的前提下，为其增加测距功能。将现有AIS基站作为定位参考点，船舶通过测量其与基站间的距离，实现船舶的自主定位。由于现有AIS的位置信息来源于AIS内置或外置的GNSS模块，一旦GNSS不可用，现有AIS则瘫痪。基于AIS的测距定位系统能够有效解决上述问题，使AIS摆脱对GNSS的依赖，使AIS成为e-航海战略下融通信、导航为一体的综合船用无线电系统。
在基于AIS的测距定位系统中，若采用传统测距定位技术，船舶需要测量其与至少三个AIS基站间的距离才能实现定位。但现有AIS的基站是作为通信系统布设的，没有考虑测距定位的需求。因此在某些海域中，船舶仅能收到两个甚至一个AIS基站参考点的信号，无法采用传统的测距方法完成定位。若船舶仅能收到两个AIS基站的信号，可通过发明专利CN201310367727.9或发明专利CN201410234851.2进行船舶定位解算。但当船舶仅能收到一个基站信号时，发明专利CN201310367727.9和发明专利CN201410234851.2也无法处理该条件下的船舶定位问题。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的是要提供一种在船舶都仅能收到单个AIS基站的信号时，通过在船上合理布设多副天线，实现船舶自主定位的方法。
为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：一种单个AIS参考点下的船舶自主定位方法，由单AIS参考点的船舶自主定位终端设备实现，所述单AIS参考点的船舶自主定位终端设备由电源模块、液晶显示模块、单基站定位模块和AIS天线单元共同配合实现船舶定位；所述电源模块用于为AIS天线单元和单基站定位模块提供电源支持；所述液晶显示模块用于实时显示船舶定位结果，可配合船端现有设备(如电子海图等)展示船舶位置信息；所述AIS天线单元由三副甚高频AIS天线构成，用于接收来自基站的AIS信号，其中一副为主天线，另外两副为辅助天线；所述单基站定位模块是单AIS参考点的船舶自主定位终端设备的核心单元，由AIS信号解调子模块、定位信号提取子模块、AIS电文解析子模块和定位解算处理子模块四部分组成，所述单AIS参考点的船舶自主定位方法的处理步骤如下：
1)首先给主天线供电，AIS信号解调子模块对对接收的AIS信号进行解调跟踪，AIS电文解析子模块实时判断主天线能够接收到的AIS定位信号的基站个数，若可作为定位参考点的基站个数大于等于2，定位解算处理子模块直接利用现有的测距方法实现船舶位置的定位解算；如果接收到的AIS基站个数等于1，则进入单AIS参考点的船舶自主定位模式；
2)进入单AIS参考点的船舶自主定位模式时，给两副辅助天线供电，AIS信号解调子模块对三副天线接收到的来自AIS基站参考点的信号分别进行解调跟踪；
3)定位信号提取子模块得到来自三副天线与AIS基站间的距离测量数据，并将该测量数据输出给定位解算处理子模块；
4)AIS电文解析子模块对来自三副天线的三路信号进行帧同步处理，在重复性判决的基础上，提取来自AIS基站的电文信息，得到AIS定位参考点精确的位置，并将该位置数据输出给定位解算处理子模块；
5)定位解算处理子模块根据定位信号提取子模块输出的三个距离测量值，AIS电文解析子模块的输出的基站位置数据，以及外部航速传感器提供的航速信息，调用单AIS参考点的船舶自主定位解算数学模型进行定位解算；
6)将定位解算结果在液晶显示模块上进行存储显示，并转入步骤1)重复上述过程。
所述AIS信号解调子模块对各副天线接收到的来自AIS基站的信号进行解调跟踪，为定位信号提取子模块提供载波测量信号，为AIS基站电文解析模块提供电文二进制数据流。
所述定位信号提取子模块对来自AIS信号解调子模块中的载波信号进行测量，得到各副天线与AIS基站之间的距离测量值，并将该测量值提供给定位解算处理子模块，用于计算船舶位置。
所述AIS电文解析子模块对来自AIS信号解调子模块中的二进制电文数据流进行同步处理，重复性判决，解析AIS电文信息，得到AIS基站的精确位置，并将该参考点的精确位置信息输出给定位解算处理子模块。
所述定位解算处理子模块根据定位信号提取子模块和AIS电文解析子模块输出的处理结果，结合船舶现有设备(如罗经)提供的航速信息，构建定位解算矩阵，完成船舶位置的解算功能。
所述单AIS参考点的船舶自主定位解算的数学模型如下：
船舶第i副天线与基站间的定位方程为：
其中，(XB,YB)为基站的坐标，(Xi,Yi)为船舶第i副天线的位置坐标，ΔT为由于船舶和基站的时间不同步引入的距离偏差，为测量得到的第i副天线到基站间的距离，此时，船舶的位置坐标用(X0,Y0)表示；
建立船舶局部坐标系，以船舶中心作为坐标系的原点，x轴指向船首向方向，y轴与x轴垂直。设(xi,yi)为船上第i副天线在船舶局部坐标系下的位置坐标，在事先测得，任意时刻，根据船上已有测定方向基准的设备(如罗经)，可得到船舶的航向角为θ，则有
其中，Rot(θ)称为旋转矩阵，将式(2)代入式(1)，令
对定位方程进行线性化处理，利用泰勒级数展开，保留一阶项，得
其中，为船舶的初始估计坐标，为根据式(2)计算得到的船舶第i副天线对应的估计坐标，为船舶与基站时间不同步引入的估计的距离偏差，δX0,δY0,δT为相应估计值的改正量；
联理三副天线对应得到的测量方程(4)，构成定位矩阵进行求解，即可得到船舶位置坐标(X0,Y0)。
本发明的有益效果是：利用本发明，能够在仅有单个AIS基站可作为定位参考点，无法满足现有测距方法定位要求的情况下，通过在船舶上布设三副天线，利用天线间的几何位置关系，实现船舶的自主定位，不需要额外部署AIS基站，大大提高了基于AIS的测距定位系统的适用范围。
附图说明
图1是本发明的单AIS参考点的船舶自主定位终端设备结构框图，其中，11、AIS天线单元，12、单基站定位模块，13、液晶显示模块，14、电源模块，15、外部航速传感器，111、主天线，112、辅助天线、121、AIS信号解调子模块，122、定位信号提取子模块，123、AIS电文解析子模块，124、定位解算处理子模块；
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，其中，301、AIS基站，302、AIS基站，303、AIS船站，311、船舶上架设的三副天线构成的三角形。
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。
如图3所示，301、302为两个AIS基站，303为一个AIS船站，311是船舶上架设的三副天线构成的三角形，根据AIS信号的传播距离，船站303仅能收到来自一个AIS基站301的信号。
在船舶局部坐标系下，主天线111的位置坐标为(0，7.5)，两副辅助天线112的位置坐标分别为(-7.5，0)和(0，7.5)。
根据AIS信号解调子模块121接收到的来自主天线111和辅助天线112的AIS基站的信号，由定位信号提取子模块122对各副天线接收到的信号进行载波测量，得到主天线111与AIS基站301之间的距离测量值为70561.94米，两副辅助天线112与AIS基站301之间的距离测量值分别为70552.76米和70567.24米。由AIS电文解析子模块123对AIS信号进行电文提取，输出AIS基站准确的位置信息为(121°8′7.97″E,38°43′38.52″N)。根据外部航速传感器14(如罗经)得到船舶的航向为45°。定位解算处理子模块124根据定位信号提取子模块122、AIS电文解析子模块123和外部航速传感器14的输出信息，利用单AIS参考点的船舶自主定位解算的数学模型构建定位矩阵，解算得到船舶位置为(121°45′9.63″E,38°35′43.44″N)，在液晶显示模块13上进行存储显示。
Claims (6)
1.一种单个AIS参考点下的船舶自主定位方法，其特征在于，由单AIS参考点的船舶自主定位终端设备实现，所述单AIS参考点的船舶自主定位终端设备由电源模块、液晶显示模块、单基站定位模块和AIS天线单元共同配合实现船舶定位；所述电源模块用于为AIS天线单元和单基站定位模块提供电源支持；所述液晶显示模块用于实时显示船舶定位结果，展示船舶位置信息；所述AIS天线单元由三副甚高频AIS天线构成，用于接收来自基站的AIS信号，其中一副为主天线，另外两副为辅助天线；所述单基站定位模块是单AIS参考点的船舶自主定位终端设备的核心单元，由AIS信号解调子模块、定位信号提取子模块、AIS电文解析子模块和定位解算处理子模块四部分组成，所述单AIS参考点的船舶自主定位方法的处理步骤如下：
1)首先给主天线供电，AIS信号解调子模块对接收的AIS信号进行解调跟踪，AIS电文解析子模块实时判断主天线能够接收到的AIS定位信号的基站个数，若可作为定位参考点的基站个数大于等于2，定位解算处理子模块直接利用现有的测距方法实现船舶位置的定位解算；如果接收到的AIS基站个数等于1，则进入单AIS参考点的船舶自主定位模式；
2)进入单AIS参考点的船舶自主定位模式时，给两副辅助天线供电，AIS信号解调子模块对三副天线接收到的来自AIS基站参考点的信号分别进行解调跟踪；
3)定位信号提取子模块得到来自三副天线与AIS基站间的距离测量数据，并将该测量数据输出给定位解算处理子模块；
4)AIS电文解析子模块对来自三副天线的三路信号进行帧同步处理，在重复性判决的基础上，提取来自AIS基站的电文信息，得到AIS定位参考点精确的位置，并将该位置数据输出给定位解算处理子模块；
5)定位解算处理子模块根据定位信号提取子模块输出的三个距离测量值，AIS电文解析子模块输出的基站位置数据，以及外部航速传感器提供的航速信息，调用单AIS参考点的船舶自主定位解算数学模型进行定位解算；
6)将定位解算结果在液晶显示模块上进行存储显示，并转入步骤1)重复上述过程。
2.根据权利要求1所述的一种单个AIS参考点下的船舶自主定位方法，其特征在于，所述AIS信号解调子模块对各副天线接收到的来自AIS基站的信号进行解调跟踪，为定位信号提取子模块提供载波测量信号，为AIS基站电文解析模块提供电文二进制数据流。
3.根据权利要求1所述的一种单个AIS参考点下的船舶自主定位方法，其特征在于，所述定位信号提取子模块对来自AIS信号解调子模块中的载波信号进行测量，得到各副天线与AIS基站之间的距离测量值，并将该测量值提供给定位解算处理子模块，用于计算船舶位置。
4.根据权利要求1所述的一种单个AIS参考点下的船舶自主定位方法，其特征在于，所述AIS电文解析子模块对来自AIS信号解调子模块中的二进制电文数据流进行同步处理，重复性判决，解析AIS电文信息，得到AIS基站的精确位置，并将该参考点的精确位置信息输出给定位解算处理子模块。
5.根据权利要求1所述的一种单个AIS参考点下的船舶自主定位方法，其特征在于，所述定位解算处理子模块根据定位信号提取子模块和AIS电文解析子模块输出的处理结果，结合船舶航速信息，构建定位解算矩阵，完成船舶位置的解算功能。
6.根据权利要求1所述的一种单个AIS参考点下的船舶自主定位方法，其特征在于，所述单AIS参考点的船舶自主定位解算数学模型如下：
船舶第i副天线与基站间的定位方程为：
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其中，(XB,YB)为基站的坐标，(Xi,Yi)为船舶第i副天线的位置坐标，ΔT为由于船舶和基站的时间不同步引入的距离偏差，为测量得到的第i副天线到基站间的距离，此时，船舶的位置坐标用(X0,Y0)表示；
建立船舶局部坐标系，以船舶中心作为坐标系的原点，x轴指向船首向方向，y轴与x轴垂直，设(xi,yi)为船上第i副天线在船舶局部坐标系下的位置坐标，在事先测得，根据船上已有测定方向基准的设备，可得到船舶的航向角为θ，则有
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对定位方程进行线性化处理，利用泰勒级数展开，保留一阶项，得
其中，为船舶的初始估计坐标，为根据式(2)计算得到的船舶第i副天线对应的估计坐标，为船舶与基站时间不同步引入的估计的距离偏差，δX0,δY0,δT为相应估计值的改正量；
联理三副天线对应得到的测量方程(4)，构成定位矩阵进行求解，即可得到船舶位置坐标(X0,Y0)。
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