CN110058284B - 基于多定位标签的高精度船舶轮廓构建方法 - Google Patents

基于多定位标签的高精度船舶轮廓构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于多定位标签的高精度船舶轮廓构建方法，具体为标定船舶的航首方向数据信息，以及全球导航卫星系统对船舶的定位坐标数据信息和船舶本体上定位标签的定位坐标数据信息，将数据信息打包获取数据包；将数据包进行广播；基站接收数据包；数据处理终端计算修正基站对船舶本体上定位标签的定位坐标；船舶接收修正后的基站对船舶本体上定位标签的定位坐标，并依据修正后的定位标签的定位坐标在可视终端的显示界面上构建船舶轮廓。本发明可有效提升岸基对定位标签定位坐标的精度，进而构建出准确的船舶轮廓保证船舶进港时的安全性。

Description

基于多定位标签的高精度船舶轮廓构建方法
技术领域
本发明涉及船舶航行技术领域，具体涉及一种基于基站的锚定定位数据与船舶本体上的定位标签获取的定位数据之间的误差修正，以获取更为精准的船体轮廓的定位数据方法。
背景技术
船舶的精确定位是船舶在港口安全作业的一个重要辅助。全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS），主要包括全球定位系统（GlobalPosition System, GPS）和北斗，是目前主流的船舶定位方式。全球导航卫星系统通过一组卫星为地表用户提供精确的导航定位服务，在地面基准站的辅助下，利用载波相位差分技术，能达到亚米级定位精度。但是全球导航卫星系统只提供GNSS设备处的坐标，这并不能很好地刻画出船舶，特别是大型船舶在港口中的轮廓位置。而构建船舶轮廓的重要性在于，在船舶进港时，相邻泊位的船舶间距是很近的。如果不能在指挥端实时知晓相邻的船舶之间的状态，就会有碰撞的风险。所以我们就需要能够在可视化的界面上体现出船舶的轮廓，以此直观判断。因此需要一套高精度并且能描绘船舶轮廓位置的定位系统来辅助船舶在港口的安全作业。
现有技术中公开了相应的构建船舶轮廓的方法，如公告号为CN102305936B的发明专利“一种基于船舶自动识别系统AIS的船舶自主定位系统”，通过岸基参考站系统发射的信号定位船舶，实现陆基定位，满足双备份系统的需求。但是AIS（AutomaticIdentification System, 船舶自动识别系统）陆基定位精度并不高。公告号为CN103901806B的发明专利“一种智能船舶靠泊辅助系统及方法”，通过信息实时采集子系统采集三维激光点云、视频影像、环境参数数据，并由数据实时处理子系统进行实时处理，构建出码头和船舶的三维模型，完成船舶位置的确定，辅助船舶靠泊。但是这种方案实现成本较高，且设备受环境因素影响较大，特别是雨天和雾天。公告号为CN103956076B的发明专利“智能靠泊辅助系统”，利用激光测距传感器辅助船舶定位和靠泊，但是激光容易被遮挡，且要求激光方向与码头边缘垂直，而船舶由于水面波动会产生起伏，实现起来较难。公告号为CN104049239B的发明专利“一种基于移动参考点辅助的自组织船舶定位方法”，在现有AIS岸站测量的基础上，利用周围已定位的AIS船站作为移动参考点，进行辅助测量，实现船舶的自组织定位。但是上述方法利用周围已定位船站作为参考点，而船站位置并不一定精确，这样容易产生累计误差。
基于对以上方案的研究，申请人提出一种新的技术方案构思，即采用基于全球导航卫星系统对设置于船舶本体上的定位传感器的坐标定位，与基于岸基参考站系统发射的信号定位船舶实现陆基定位的两种方法所产生的定位数据的纠正后产生的补偿值修正陆基定位的定位坐标高定位精度。申请人提供的技术方案的优势在于，提高了陆基定位船舶轮廓的构建精度，即能够在可视化的界面更准确的描绘出船舶的轮廓。而且仅通过很少的资源投入，主要是利用数据算法本身的处理，能够在保证精度的前提下降低成本。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于多定位标签的高精度船舶轮廓构建方法，其目的是提供一种在可视化的界面终端上高精度的构建出船舶轮廓的方法。
一种基于多定位标签的高精度船舶轮廓构建方法，通过以下步骤将船舶轮廓在可视终端的显示界面上构建出来，
标定船舶的航首方向数据信息，以及全球导航卫星系统对船舶坐标数据信息和船舶本体上定位标签的定位坐标数据信息，将数据信息打包获取数据包；
将数据包进行广播；
基站接收数据包；
数据处理终端计算修正基站对船舶本体上定位标签的定位坐标；
终端接收修正后的基站对船舶本体上定位标签的定位坐标，并依据修正后的定位标签的定位坐标在终端的显示界面上构建船舶轮廓。
本发明中，所述的定位标签应当理解为设置于船舶本体上能够被感知且确定位置的部件，如定位传感器等。所述的多定位标签即能够在船舶本体上有若干个能够产生定位数据信息的意思。其中所述的航首航行数据信息是指船舶头部所指向的方向，并将其转换为数据信息。所述的基站对定位标签的定位坐标数据信息是指，基于岸边的基站（接收船舶上定位标签所发送的数据信号的装置，同时也有发送数据信号的功能）根据到达时间差（Time Difference of Arrival, TDOA）原理获取的定位坐标。所述的全球导航卫星系统对船舶的定位坐标数据信息是指，基于全球导航卫星系统（全球导航卫星系统）下船舶本体上的GNSS设备的定位坐标。所述的基于全球导航卫星系统下标定船舶本体的定位标签的定位坐标数据信息是指，依据GNSS设备的定位坐标为原点所确定的相应定位标签的定位坐标。基于以上理解，本发明中将通过基于基站锚定的标定船舶本体的定位坐标数据参照基于GNSS设备的定位坐标为原点所确定的相应定位标签的定位坐标，测算出相应的定位标签的误差值。并根据上述的误差值修正基于基站锚定的标定船舶本体的定位坐标。
上述对基于基站锚定的标定船舶本体的定位坐标的修正的意义在于，当GNSS信号消失（如设备故障）导致相应的基于全球导航卫星系统的船舶坐标数据将会消失，相应的定位标签数据消失。因此，我们需要将GNSS信号消失前前一段时间内的数据，拟制为境况下的参照数据与岸基的基站对定位标签的坐标数据进行比照并修正岸基的定位数据，以保证岸基的基站对定位标签的坐标数据的精度使得构建出来的船舶轮廓的精准。
依据上述方法，所述的基站为若干个，且所述的基站划分区域接收数据包。
数据处理终端接收上述数据包后通过以下方法对基站对定位标签的定位坐标进行数据修正：
步骤一，记基站对某一定位标签的定位坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；而全球导航卫星系统定位船舶坐标为
Figure 669203DEST_PATH_IMAGE002
，定位标签的坐标在船舶本地笛卡尔直角坐标系中的位置为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，计算出的定位标签的定位坐标又为
Figure 375122DEST_PATH_IMAGE004
；那么基于基站的定位标签的定位坐标与全球导航卫星系统的定位标签的定位坐标，两者之间的定位坐标误差可以表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤二，将若干个基站接收数据包的区域按照矩形方块编号划分为M个，并相对应于基站接收的区域编号确定定位坐标误差集合依次记为
Figure 899776DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤三，将步骤一中计算出的定位坐标误差
Figure 624018DEST_PATH_IMAGE005
添加入步骤二中所述的某一个定位坐标误差集合中，所述的添加规则如下：如果
Figure 231717DEST_PATH_IMAGE001
映射到步骤二中划分的编号为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
的区域中，则将定位坐标误差添加入定位坐标误差集合
Figure 362615DEST_PATH_IMAGE008
中；
步骤四，当定位坐标误差添加到坐标误差集合
Figure 877910DEST_PATH_IMAGE008
中时，则
Figure 456659DEST_PATH_IMAGE008
中的元素进行位置修正模型的参数更新操作：横坐标修正参数
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，纵坐标修正参数
Figure 310958DEST_PATH_IMAGE010
，这里
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是定位坐标误差集合
Figure 116103DEST_PATH_IMAGE008
中总的元素个数；
步骤五，依据修正参数
Figure 497406DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，计算修正后的基站对定位标签的定位坐标为
Figure 71607DEST_PATH_IMAGE014
。
本发明提供的一种基于多定位标签的高精度船舶轮廓构建方法，其有益效果在于，通过基于基站锚定的标定船舶本体的定位坐标数据参照基于GNSS设备的定位坐标为原点所确定的相应定位标签的定位坐标，测算出相应的定位标签的误差值。并根据上述的误差值修正基于基站锚定的标定船舶本体的定位坐标。
上述对基于基站锚定的标定船舶本体的定位坐标的修正的意义在于，当GNSS信号消失（比如设备出现故障）而导致相应的基于全球导航卫星系统的船舶坐标数据将会消失，相应的定位标签数据消失。因此，我们需要将GNSS信号消失前一段时间内的数据，拟制为境况下的参照数据与岸基的基站对定位标签的坐标数据进行比照并修正岸基的定位数据，以保证岸基的基站对定位标签的坐标数据的精度使得构建出来的船舶轮廓的精准。可有效提升岸基对定位标签定位坐标的精度，进而构建出准确的船舶轮廓保证船舶进港时的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
附图1为本发明中基于全球导航卫星系统确定船舶上GNSS设备的坐标以及基于GNSS的坐标所构建起的船舶本地笛卡尔直角坐标系的定位标签的坐标的示意图；
附图2为本发明中的应用方案的构成图；
附图3为本发明中陆基对定位标签的定位数据进行修正的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
船舶进港时如图2所示，在港口岸边将设置若干个基站1，所述的基站形成“L”形的排布结构。这些基站所能够接受到设置于船舶本体上的定位传感器所发送的信号，所属的基站所能够探测的区域范围被分割成为若干块，如图2所示。
依据全球导航卫星系统定位出船舶本体上GNSS设备的二维平面的坐标为原点建立船舶本体的笛卡尔直角坐标系，同时依据该坐标系确定设置于船舶本体上的定位传感器的定位坐标。如图1所示，在该坐标系下，会设定出各个定位传感器的定位坐标（x1,y1）…(x6,y6)。在某一能够体现上述坐标的可视终端上（如船舶或者港口能够显示电子地图的屏幕），依次将各个坐标点连接，实际上就显示出了船舶的轮廓。
当船舶进入上述基站所能够接收船舶本体上的传感器的区域范围后，还将会采用基站对传感器进行定位，参照上述的全球导航卫星系统对定位传感器的定位坐标修正基站对传感器的定位坐标的方法如下：
步骤一，记基站对某一定位传感器的定位坐标为
Figure 630895DEST_PATH_IMAGE001
；而全球导航卫星系统定位船舶坐标为
Figure 392178DEST_PATH_IMAGE002
，定位传感器的坐标在船舶本地笛卡尔直角坐标系中的位置为
Figure 842751DEST_PATH_IMAGE003
，计算出的定位传感器的定位坐标又为
Figure 802616DEST_PATH_IMAGE004
；那么基于基站的定位传感器的定位坐标与全球导航卫星系统的定位传感器的定位坐标，两者之间的定位坐标误差可以表示为
Figure 657440DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤二，将若干个基站接收数据包的区域按照矩形方块编号划分为M个，并相对应于基站接收的区域编号确定定位坐标误差集合依次记为
Figure 46964DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤三，将步骤一中计算出的定位坐标误差
Figure 707752DEST_PATH_IMAGE005
添加入步骤二中所述的某一个定位坐标误差集合中，所述的添加规则如下：如果
Figure 459808DEST_PATH_IMAGE001
映射到步骤二中划分的编号为
Figure 141325DEST_PATH_IMAGE007
的区域中，则将定位坐标误差添加入定位坐标误差集合
Figure 673937DEST_PATH_IMAGE008
中；
步骤四，当定位坐标误差添加到坐标误差集合
Figure 76100DEST_PATH_IMAGE008
中时，则
Figure 823607DEST_PATH_IMAGE008
中的元素进行位置修正模型的参数更新操作：横坐标修正参数
Figure 348129DEST_PATH_IMAGE009
，纵坐标修正参数
Figure 305721DEST_PATH_IMAGE010
，这里
Figure 636208DEST_PATH_IMAGE011
是定位坐标误差集合
Figure 425173DEST_PATH_IMAGE008
中总的元素个数；
步骤五，依据修正参数
Figure 58279DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 393182DEST_PATH_IMAGE013
，计算修正后的基站对定位传感器的定位坐标为
Figure 402726DEST_PATH_IMAGE014
。
上述方法的应用，在GNSS设备信号良好时不断应用上述方法对陆基对定位传感器定位坐标进行修正，同时一段时间内相应的数据将会被作为历史数据保存，所述的相应数据包括了船舶的航首方向数据信息，以及全球导航卫星系统对船舶坐标数据信息和船舶本体上定位传感器的定位坐标数据信息，当然还包括相应的修正值。当GNSS信号消失时，那么就只存在陆基的对定位传感器进行标定的定位坐标数据了。此时，就需要调用一段时间内相对应的历史数据，修正陆基对定位传感器的定位数据。在GNSS信号消失的时刻为基准点，越靠近该时刻的历史数据就与实际时刻的应当数据越接近。这样一来，就能够保证在无全球导航卫星系统确定标签定位坐标情况下，也能最大程度的提高应用陆基基站对定位传感器定位坐标数据的准确性。
以上应用的逻辑流程图如图3所示,当船舶进港后位于岸边的基站将会接收到船舶上的定位传感器所发送的无线信号。相应的数据处理中心将对定位传感器发送的无线信号依据TDOA原理算出定位传感器的定位信号，完成S1步骤。同时，基站会同时接收船舶上GNSS设备所发送的全球导航卫星系统定位坐标，完成S2步骤。当全球导航卫星系统坐标信号正常时，相应的数据中心会将全球导航卫星系统的定位坐标以及基于全球导航卫星系统的定位坐标生成的对应的定位传感器的定位坐标经由基站发送给相应终端，完成S3步骤。同时，会采用全球导航卫星系统对定位传感器的定位坐标修正基站对传感器的定位坐标的方法对基站的对定位传感器的定位坐标进行修正并保存数据，完成S4步骤。当全球导航卫星系统坐标信号消失时，相应的数据处理中心将调用全球导航卫星系统坐标信号消失的时刻之前的最近的全球导航卫星系统对定位传感器的定位坐标的历史数据，完成S3`步骤。依据S3`的的修正此刻基站对传感器的定位坐标数据，完成S5步骤。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于多定位标签的高精度船舶轮廓构建方法，其特征在于，通过以下步骤将船舶轮廓在可视终端的显示界面上构建出来，
标定船舶的航首方向数据信息，以及全球导航卫星系统对船舶的定位坐标数据信息和船舶本体上定位标签的定位坐标数据信息，将数据信息打包获取数据包；将数据包进行广播；
基站接收数据包；
数据处理终端计算修正基站对船舶本体上定位标签的定位坐标；
终端接收修正后的基站对船舶本体上定位标签的定位坐标，并依据修正后的定位标签的定位坐标在终端的显示界面上构建船舶轮廓；
数据处理终端接收上述数据包后通过以下方法对基站对定位标签的定位坐标进行数据修正：
步骤一，记基站对某一对定位标签的定位坐标为(xit，yit)；而全球导航卫星系统定位船舶坐标为(xig，yig)，定位标签的坐标在船舶本地笛卡尔直角坐标系中的位置为(xil，yil)，计算出的定位标签的定位坐标又为(xig+xil，yig+yil)；那么基于基站的定位标签的定位坐标与全球导航卫星系统的定位标签的定位坐标，两者之间的定位坐标误差可以表示为(xig+xil-xit，yig+yil-yit)；
步骤二，将若干个基站接收数据包的区域按照矩形方块编号划分为M个，并相对应于基站接收的区域编号确定定位坐标误差集合依次记为S1，S2，...，SM；
步骤三，将步骤一中计算出的定位坐标误差(xig+xil-xit，yig+yil-yit)添加入步骤二中所述的某一个定位坐标误差集合中，所述的添加规则如下：如果(xit，yit)映射到步骤二中划分的编号为m的区域中，则将定位坐标误差添加入定位坐标误差集合Sm中；
步骤四，当定位坐标误差添加到坐标误差集合Sm中时，则Sm中的元素进行位置修正模型的参数更新操作：横坐标修正参数
Figure FDA0003814467560000021
纵坐标修正参数
Figure FDA0003814467560000022
这里Nm是定位坐标误差集合Sm中总的元素个数；
步骤五，依据修正参数Δx和Δy，计算修正后的基站的定位标签的定位坐标为(xit+Δx，yit+Δy)。
2.根据权利要求1所述的一种基于多定位标签的高精度船舶轮廓构建方法，其特征在于，所述的基站为若干个，且所述的基站划分区域接收数据包。
3.根据权利要求1所述的一种基于多定位标签的高精度船舶轮廓构建方法，其特征在于，修正后的基站的定位标签的定位坐标会传送至向可接收定位坐标的数据接收终端，并将相应的数据反馈给可视终端或者预警终端。
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