CN108562923A - 一种基于ais船站的多源信息融合船舶定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于AIS的多源信息融合船舶定位方法。该方法基于AIS船站的定位终端设备实现，由AIS主控模块、导航信息融合模块、人机交互模块和电源模块组成。AIS主控模块对多源导航信息进行检测处理；导航信息融合模块用于多源导航信息的融合定位解算，得到船舶的定位结果及其性能指标；人机交互模块根据用户需求进行结果输出；电源模块为各个模块提供电源支持。本发明基于现有AIS船站，利用其现有输入端提供的多源导航信息，实现船舶多源信息融合定位，最大限度实现资源重复利用，提高船舶定位准确性、可用性和可靠性，保障船舶航行安全。

Description

一种基于AIS船站的多源信息融合船舶定位方法

技术领域

本发明属于船舶定位导航领域，涉及一种多源信息融合的船舶定位方法，具体涉及一种基于AIS的多源信息融合船舶定位方法。

背景技术

海上船舶定位导航目前主要依靠于全球导航卫星系统(GNSS)，但GNSS的脆弱性一直是国际海事组织(IMO)广泛关注的问题。e-航海作为海事技术领域的发展方向，定位、导航、授时(PNT)信息是其发展基石，e-航海提出未来将以综合PNT的方式解决船舶定位导航问题，可以有效解决GNSS的脆弱性。因此，船舶定位方法正在由单一定位导航向组合定位导航方向发展。

船舶自动识别系统(AIS)是由IMO强制船舶配备的通信系统，在保障船舶航行安全方面发挥了重要作用。AIS船站与罗经、计程仪、GNSS接收机(或AIS内嵌GNSS单元)等船端导航设备相连，根据其提供的船舶航行状态信息，周期性地向其他AIS船站或AIS岸站报送自己的航行状态和船舶位置，实现船舶间的识别避碰，保障船舶航行安全。但由于现有AIS的位置信息仅依赖于GNSS提供，一旦GNSS发生脆弱，AIS立即瘫痪，严重威胁了船舶航行安全。因此，IMO在e-航海战略中倡导研究基于AIS的陆基定位系统，即AIS R-Mode，以作为GNSS的备份系统，在GNSS失效时仍能实现船舶的定位导航，保障AIS的正常运行。

由于现有AIS船站能够获取多种船载导航设备数据，且利用自身系统也能提供位置信息，如能基于现有AIS船站设备，实现船端多源导航信息的融合定位，可有效提高船舶定位导航的精度、完好性、连续性和可用性，对于保障船舶航行安全具有重要意义。

发明内容

本发明为解决上述技术问题提供一种基于AIS船站的多源信息融合船舶定位方法，能够融合GNSS位置信息、AIS R-Mode测距信息、DGNSS的修正信息、以及罗经、计程仪等其他船载设备提供的船舶航行状态信息，通过不同来源导航信息的分析比较，对可用的多源导航信息利用滤波算法进行融合定位，实现船舶高可靠性和高可用性的定位解算，辅助船舶航行安全。

为实现上述发明的目的，本发明所采用的技术方案为提供一种基于AIS船站的多源信息融合船舶定位方法。该方法由基于AIS船站的定位终端设备实现，该设备包括：AIS主控模块、导航信息融合模块、人机交互模块及电源模块。

所述AIS主控模块，基于现有AIS船站的硬件设备，对多源导航信息进行检测处理，包括：协议栈控制模块、GNSS模块、DGNSS模块、AIS R-Mode模块及外部传感器接口模块。

协议栈控制模块，在处理正常AIS业务的同时，能够协调进行多源导航信息的接收和检测，并将可用的多源导航信息输出给导航信息融合模块进行后续处理；其中，多源导航信息包括GNSS信息、DGNSS信息、AIS R-Mode信息、船舶航行状态信息，以及AIS基站的精确位置信息。

GNSS模块，用于接收处理GNSS接收机或AIS内嵌GNSS单元输出的位置信息、航向信息、航速信息。

DGNSS模块，用于处理GNSS参考台播发的差分GNSS电文数据，包括GNSS伪距改正数、伪距改正变化量、参考站基准信息等。

AIS R-Mode模块，用于接收处理AIS定位信号，从中测量出基站到船站的距离信息。

外部传感器接口模块，用于处理根据罗经得到的船舶航向信息，根据计程仪得到的船舶航速信息，或其他船载设备提供的导航信息。

所述导航信息融合模块，用于多源导航信息的融合定位解算，得到船舶的定位结果，以及定位结果的性能指标。

所述人机交互模块，用于根据用户需求输出船舶位置数据及其定位性能指标。

所述电源模块，用于为定位解算终端中的各个模块提供电源支持。

基于AIS船站的多源信息融合船舶定位方法具体的处理步骤如下：

1)协议栈控制模块在系统启动后，监听AIS的链路信息，获取AIS基站发送的电文及其与AIS基站间的距离测量数据，传递给AIS R-Mode模块进行处理；获取DGNSS差分校正数据，传递给DGNSS模块进行处理；同时监测GNSS模块、外部传感器接口模块是否存在相应的船舶导航信息输出；若已经启动一分钟，则允许协议栈控制模块根据船站航行状态发送AIS电文。

2)协议栈控制模块一旦监测到GNSS模块、AIS R-Mode模块、DGNSS模块、外部传感器接口模块任一模块有船舶导航信息输出，则对相应的船舶导航信息的有效性和可用性进行判别；若数据可用，则输出给导航信息融合模块进行后续处理；若不可用，则继续对上述模块进行监测。

3)导航信息融合模块对协议栈控制模块输入的多源导航信息进行处理，根据可用导航信息和用户需求，动态选择定位方法进行单模式定位或融合定位；导航信息融合模块将解算出的船舶的定位结果，以及定位结果的性能指标提供给人机交互模块。

4)人机交互模块根据导航信息融合模块输出船舶的位置信息及其性能指标，按照用户需求予以显示，并能根据预先设定的门限提供报警信息。

5)协议栈控制模块保持对GNSS模块、AIS R-Mode模块、DGNSS模块、外部传感器接口模块，以及AIS基站位置信息更新的监听，并转入步骤2)，重复上述过程。

本发明所取得的有益效果为：基于现有AIS船站，利用其输入端提供的多源导航信息，实现船舶多源信息融合定位，提高船舶定位的准确性、可用性和可靠性，满足e-航海战略综合PNT的需求；利用本发明能够在几乎不增加船舶终端设备成本的前提下，实现船舶多源信息融合定位，最大限度的实现资源的重复利用。

附图说明

图1为本发明的基于AIS船站的多源信息融合定位终端设备结构框图。

图2为本发明的基于AIS船站的多源信息融合船舶定位处理过程流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1和2所示，一种基于AIS的多源信息融合船舶定位方法，该方法由基于AIS船站的定位终端设备实现，该设备包括：AIS主控模块、导航信息融合模块、人机交互模块及电源模块。

AIS主控模块是定位终端的核心处理单元之一，基于现有AIS船站的硬件设备，对多源导航信息进行检测处理，包括：协议栈控制模块、GNSS模块、DGNSS模块、AIS R-Mode模块及外部传感器接口模块。

协议栈控制模块在处理正常AIS业务的同时，能够协调进行多源导航信息的接收和检测，并将可用的多源导航信息输出给导航信息融合模块进行后续处理，所述的多源导航信息包括GNSS信息、DGNSS信息、AIS R-Mode信息、船舶航行状态信息，以及AIS基站的精确位置信息。

GNSS模块，用于接收处理GNSS接收机或AIS内嵌GNSS单元输出的位置信息、航向信息、航速信息。

DGNSS模块，用于处理GNSS参考台播发的差分GNSS电文数据，包括GNSS伪距改正数、伪距改正变化量、参考站基准信息等。

AIS R-Mode模块，用于接收处理AIS定位信号，从中测量出基站到船站的距离信息。

外部传感器接口模块，用于处理根据罗经得到的船舶航向信息，根据计程仪得到的船舶航速信息，或其他船载设备提供的导航信息。

导航信息融合模块，用于多源导航信息的融合定位解算，得到船舶的定位结果，以及定位结果的性能指标。

人机交互模块，用于根据用户需求输出船舶位置数据及其定位性能指标。

电源模块，用于为定位解算终端中的各个模块提供电源支持。

本发明所采用的技术方案处理流程如下：

1)基于AIS船站的定位终端设备的电源模块供电后，在启动的第一分钟内，由协议栈控制模块监听当前AIS链路的时隙占用情况，并正常接收AIS电文。若接收到AIS基站报告，则进行AIS基站位置数据的解析，并将解析得到的AIS基站位置数据输出给AIS R-Mode模块和导航信息融合模块。若接收到AIS全球导航卫星系统广播二进制消息，则输出给DGNSS模块进行解析处理。若接收到由基站发来的各类电文，如基站报告、寻址二进制消息、二进制广播消息、协调世界时/日期询问消息、寻址安全相关消息、安全相关广播消息、基站询问消息等，则将信号的载波测量数据输出给AIS R-Mode模块，用于测量船站与相应基站之间的距离。外部传感器接口模块用来接收解析罗经输出的HDT、HDG等语句，计程仪输出的VBW等语句。GNSS模块用来接收解析外部GNSS接收机或AIS内嵌GNSS单元输出的RMC等语句。与此同时，协议栈控制模块采用中断方式保持对GNSS模块、AIS R-Mode模块、DGNSS模块、外部传感器接口模块的监测。若系统已经启动一分钟，则允许协议栈控制模块根据船站航行状态发送AIS电文。

2)GNSS模块根据RMC语句能够得到船站的位置、航向和航速信息；AIS R-Mode模块根据AIS基站信号能够得到船站与相应基站之间的距离信息；DGNSS模块根据AIS全球导航卫星系统广播二进制消息能够得到GNSS校正数据信息；外部传感器接口模块根据HDT、HDG、VBW等语句能够得到船站的航向、航速信息。协议栈控制模块一旦检测到上述模块输出的船舶导航数据信息，则根据数据的有效性、更新率和冗余性，检查多源导航数据的正确性，并标记是否可用。若数据可用，则输出给导航信息融合模块进行后续处理；若不可用，则继续对上述模块进行监测。

3)导航信息融合模块首先对协议栈控制模块输出的可用多源导航数据进行时空统一转换，然后根据可用的导航信息，动态选择定位方法进行单模式定位或融合定位，包括GNSS定位、R-Mode定位、推算定位以及融合定位等。其中，融合定位是在时空基准统一配准的基础上，基于贝叶斯滤波实现船舶的位置解算，可采用的滤波方式包括卡尔曼滤波、粒子滤波等。首先，根据可用导航信息特性，进行状态预测；其次，再利用协议栈控制模块输入的多源导航信息测量值，选取合适的滤波算法进行状态更新，从而实现基于多源信息融合的船舶位置解算。如仅接收到了GNSS模块和DGNSS模块输出的导航信息，则可利用差分校正数据提高GNSS定位的定位精度；如仅接收到了AIS R-Mode模块和外部传感器接口模块输出的导航信息，则可进行R-Mode测距和推算航位的融合定位；如仅接收到了GNSS模块和AISR-Mode模块输出的导航信息，则可进行R-Mode测距和GNSS的融合定位。

导航信息融合模块利用融合定位方法解算出船舶的位置(定位)信息，以及定位精度信息、可靠性信息、完好性信息等性能指标提供给人机交互模块。

4)人机交互模块根据导航信息融合模块输出的船舶位置信息及性能指标，按照用户需求予以显示，如依据IEC 61162标准输出给电子海图设备或综合导航系统进行显示，并能根据预先设定的门限，当定位性能不满足用户应用需求时提供报警信息。

5)协议栈控制模块在运行过程中，始终保持对GNSS模块、AIS R-Mode模块、DGNSS模块、外部传感器接口模块的监测，并转入步骤2)，重复上述过程。

在上述处理过程中，若协议栈控制模块监测到GNSS模块输出的位置、航速、航向信息，AIS R-Mode模块输出的测距信息，以及外部传感器接口模块输出的航速、航向信息，导航信息融合模块可采用卡尔曼滤波算法进行数据的融合处理。k时刻上述不同信息源得到的观测量为：

其中，z_k表示观测量；w_k表示观测噪声；R表示噪声协方差矩阵；H表示观测矩阵。

Claims (1)

1.一种基于AIS船站的多源信息融合船舶定位方法，其特征在于，该方法由基于AIS船站的定位终端设备实现，该设备包括：AIS主控模块、导航信息融合模块、人机交互模块及电源模块；

所述AIS主控模块，基于现有AIS船站的硬件设备，对多源导航信息进行检测处理，包括：协议栈控制模块、GNSS模块、DGNSS模块、AIS R-Mode模块及外部传感器接口模块；

协议栈控制模块，在处理正常AIS业务的同时，能够协调进行多源导航信息的接收和检测，并将可用的多源导航信息输出给导航信息融合模块进行后续处理；其中，多源导航信息包括GNSS信息、DGNSS信息、AIS R-Mode信息、船舶航行状态信息，以及AIS基站的精确位置信息；

GNSS模块，用于接收处理GNSS接收机或AIS内嵌GNSS单元输出的位置信息、航向信息、航速信息；

DGNSS模块，用于处理GNSS参考台播发的差分GNSS电文数据，包括GNSS伪距改正数、伪距改正变化量、参考站基准信息等；

AIS R-Mode模块，用于接收处理AIS定位信号，从中测量出基站到船站的距离信息；

外部传感器接口模块，用于处理根据罗经得到的船舶航向信息，根据计程仪得到的船舶航速信息，或其他船载设备提供的导航信息；

所述导航信息融合模块，用于多源导航信息的融合定位解算，得到船舶的定位结果，以及定位结果的性能指标；

所述人机交互模块，用于根据用户需求输出船舶位置数据及其定位性能指标；

所述电源模块，用于为定位解算终端中的各个模块提供电源支持；

基于AIS船站的多源信息融合船舶定位方法具体的处理步骤如下：

1)协议栈控制模块在系统启动后，监听AIS的链路信息，获取AIS基站发送的电文及其与AIS基站间的距离测量数据，传递给AIS R-Mode模块进行处理；获取DGNSS差分校正数据，传递给DGNSS模块进行处理；同时监测GNSS模块、外部传感器接口模块是否存在相应的船舶导航信息输出；若已经启动一分钟，则允许协议栈控制模块根据船站航行状态发送AIS电文；

2)协议栈控制模块一旦监测到GNSS模块、AIS R-Mode模块、DGNSS模块、外部传感器接口模块任一模块有船舶导航信息输出，则对相应的船舶导航信息的有效性和可用性进行判别；若数据可用，则输出给导航信息融合模块进行后续处理；若不可用，则继续对上述模块进行监测；

3)导航信息融合模块对协议栈控制模块输入的多源导航信息进行处理，根据可用导航信息和用户需求，动态选择定位方法进行单模式定位或融合定位；导航信息融合模块将解算出的船舶的定位结果，以及定位结果的性能指标提供给人机交互模块；

4)人机交互模块根据导航信息融合模块输出船舶的位置信息及其性能指标，按照用户需求予以显示，并能根据预先设定的门限提供报警信息；

5)协议栈控制模块保持对GNSS模块、AIS R-Mode模块、DGNSS模块、外部传感器接口模块，以及AIS基站位置信息更新的监听，并转入步骤2)，重复上述过程。