CN110058285B - 基于多定位传感器的高精度船舶轮廓构建系统 - Google Patents

基于多定位传感器的高精度船舶轮廓构建系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于多定位传感器的高精度船舶轮廓构建系统，包括设置于船舶本体的GNSS终端以及若干个定位传感器，设置于港口的基站；所述的船舶本体上设置有主控平台，用于生成数据信息；位于港口的基站接能够接收数据包，并转发至数据处理服务器进行数据处理；以及人机交互设备，能够将数据信息进行反馈。本发明可有效提升岸基对定位传感器定位坐标的精度，进而构建出准确的船舶轮廓保证船舶进港时的安全性。

Description

基于多定位传感器的高精度船舶轮廓构建系统
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传感器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系统。
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。GNSS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终端处的坐标，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，实现岸基定位，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定位，与基于岸基参考站系统对船舶本体上的定位传感器定位这两种方法所产生的定位数据偏差值来修正补偿岸基定位坐标，以此提高定位精度。应用上述方法申请人提供的技术方案的优势在于，提高了岸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地描绘出船舶的轮廓。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传感器的高精度船舶轮廓构建系统，其目的是提供一种在可视化的界面终端上高精度地构建出船舶轮廓的系统装置，并应用相应方法提升船舶轮廓在可视终端的显示精度。
一种基于多定位传感器的高精度船舶轮廓构建系统，包括设置于船舶本体的GNSS终端以及若干个定位传感器，设置于港口的基站；
所述的船舶本体上设置有主控平台，用于生成数据信息；
位于港口的基站接能够接收数据包，并转发至数据处理服务器进行数据处理；
以及人机交互设备，能够将数据信息进行反馈。
本发明中，所述的GNSS终端是能够接收卫星信号，获取船舶本体定位坐标的设备。而所述的若干个定位传感器的坐标是依据所述的船舶本体的定位坐标为原点，建立笛卡尔坐标系所确定的定位传感器定位坐标。一般情况下，在所述的GNSS终端信号良好时，所述的定位传感器定位坐标的精度足以达到构建精准的船舶轮廓的要求。但是，当GNSS终端的信号消失时，就需要有替代方案。这个替代方案就是利用岸边基站对定位传感器的定位坐标构建船舶的轮廓。
本发明中，所述的主控平台依据标定船舶的航首向数据信息，全球导航卫星系统能够通过置于船舶本体的GNSS终端以及若干个定位传感器对船舶的定位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打包成为数据包。所述的航首向数据信息是指船舶头部所指向的方向。所述的基站对定位传感器的定位坐标数据信息是指，基于岸边的基站（接收船舶上定位传感器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下船舶本体上的GNSS终端的定位坐标。所述的基于全球导航卫星系统下标定船舶本体的定位传感器的定位坐标数据信息是指，依据GNSS终端设备的定位坐标为原点所确定的相应定位传感器的定位坐标。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终端定位坐标为原点所确定的相应定位传感器的定位坐标，测算出相应的定位传感器的误差值。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。
修正后的基于基站锚定的标定船舶本体的定位坐标再通过基站广播至人机交互设备上，并最终依据基站对定位传感器定位坐标的修正值在可视化的界面上构建出船舶的轮廓。
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终端信号消失（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，相应的定位传感器数据消失。因此，我们需要将GNSS终端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传感器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传感器的坐标数据的精度使得构建出来的船舶轮廓的精准。
采用上述系统，配合如下方法实现对所述的系统通过以下步骤将船舶轮廓在人机交互设备的可视终端的显示界面上构建出来，
主控平台依据标定船舶的航首向数据信息，全球导航卫星系统能够通过置于船舶本体的GNSS终端以及若干个定位传感器，对船舶的定位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打包成为数据包。基站接收数据包；
数据处理服务器计算修正基站对船舶本体上定位传感器的定位坐标；
人机交互设备接收修正后的基站对船舶本体上定位传感器的定位坐标，并依据修正后的定位传感器的定位坐标在可视终端的显示界面上构建船舶轮廓。
所述的基站至少为4个。
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传感器的定位坐标进行数据修正：
步骤一，记基站对某一定位传感器的定位坐标为
Figure 207866DEST_PATH_IMAGE001
；而全球导航卫星系统定位船舶坐标为
Figure 681573DEST_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 650666DEST_PATH_IMAGE003
，计算出的定位传感器的定位坐标又为
Figure 602442DEST_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 871749DEST_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 516357DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤三，将步骤一中计算出的定位坐标误差
Figure 972746DEST_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 728212DEST_PATH_IMAGE001
映射到步骤二中划分的编号为
Figure 320868DEST_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 404886DEST_PATH_IMAGE008
中；
步骤四，当定位坐标误差添加到坐标误差集合
Figure 348571DEST_PATH_IMAGE008
中时，则
Figure 907728DEST_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 620470DEST_PATH_IMAGE009
，纵坐标修正参数
Figure 606880DEST_PATH_IMAGE010
，这里
Figure 37861DEST_PATH_IMAGE011
是定位坐标误差集合
Figure 135130DEST_PATH_IMAGE008
中总的元素个数；
步骤五，依据修正参数
Figure 967957DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 859690DEST_PATH_IMAGE013
，计算修正后的基站对定位传感器的定位坐标为
Figure 777967DEST_PATH_IMAGE014
。
本发明提供的一种基于多定位传感器的高精度船舶轮廓构建系统，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终端设备的定位坐标为原点所确定的相应定位传感器的定位坐标，测算出相应的定位传感器的误差值。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终端信号消失（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，相应的定位传感器数据消失。因此，我们需要将GNSS终端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传感器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传感器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传感器定位坐标的精度，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终端设备的坐标以及基于GNSS终端的坐标所构建起的船舶本地笛卡尔直角坐标系的定位传感器的坐标的示意图；
附图2为本发明中的应用方案的构成图；
附图3为本发明中岸基系统对定位传感器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。
船主控平台依据标定船舶的航首向数据信息，全球导航卫星系统能够通过置于船舶本体的GNSS终端以及若干个定位传感器，对船舶的定位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打包成为数据包。其中如图1所示，依据GNSS终端设备为原点建立的船舶本地笛卡尔直角坐标系，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 944506DEST_PATH_IMAGE001
；而全球导航卫星系统定位船舶坐标为
Figure 631840DEST_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 960053DEST_PATH_IMAGE003
，计算出的定位传感器的定位坐标又为
Figure 100047DEST_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 73207DEST_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 615047DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤三，将步骤一中计算出的定位坐标误差
Figure 114161DEST_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 741452DEST_PATH_IMAGE001
映射到步骤二中划分的编号为
Figure 249793DEST_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 646140DEST_PATH_IMAGE008
中；
步骤四，当定位坐标误差添加到坐标误差集合
Figure 581735DEST_PATH_IMAGE008
中时，则
Figure 696321DEST_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 477195DEST_PATH_IMAGE009
，纵坐标修正参数
Figure 259206DEST_PATH_IMAGE010
，这里
Figure 100124DEST_PATH_IMAGE011
是定位坐标误差集合
Figure 967585DEST_PATH_IMAGE008
中总的元素个数；
步骤五，依据修正参数
Figure 552150DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 191598DEST_PATH_IMAGE013
，计算修正后的基站对定位传感器的定位坐标为
Figure 468995DEST_PATH_IMAGE014
。
上述方法的应用，在GNSS终端设备信号良好时不断应用上述方法对岸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终端信号消失时，那么就只存在岸基基站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，修正岸基基站对定位传感器的定位数据。在GNSS终端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定位传感器坐标情况下，也能最大程度地提高岸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坐标，完成S1步骤。同时，基站会同时接收定位传感器发送来的数据包，分析数据包内是否包含全球导航卫星系统标定的定位坐标，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)

1.一种基于多定位传感器的高精度船舶轮廓构建系统，其特征在于，包括设置于船舶本体的GNSS终端以及若干个定位传感器，设置于港口的基站；
所述的船舶本体上设置有主控平台，用于生成数据信息；
位于港口的基站接能够接收数据包，并转发至数据处理服务器进行数据处理；以及人机交互设备，能够将数据信息进行反馈；
所述的数据处理服务器接收所述的数据包后通过以下方法对定位传感器的定位坐标进行数据修正：
步骤一，记基站对某一对定位传感器的定位坐标为(xit，yit)；而全球导航卫星系统定位船舶坐标为(xig，yig)，定位传感器的坐标在船舶本地笛卡尔直角坐标系中的位置为(xil，yil)，计算出的定位传感器的定位坐标又为(xig+xil，yig+yil)；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(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 FDA0003814466550000011
纵坐标修正参数
Figure FDA0003814466550000012
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传感器的定位坐标为(xit+Δx，yit+Δy)。
2.根据权利要求1所述的一种基于多定位传感器的高精度船舶轮廓构建系统，其特征在于，所述的基站为至少为4个。
3.根据权利要求1所述的一种基于多定位传感器的高精度船舶轮廓构建系统，其特征在于，所述的系统通过以下步骤将船舶轮廓在人机交互设备的可视终端的显示界面上构建出来，
所述的主控平台依据船舶的航首方向数据信息，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传感器的定位坐标数据信息打包成为数据包；
基站接收数据包；
数据处理服务器计算修正基站对船舶本体上定位传感器的定位坐标；人机交互设备接收修正后的基站对船舶本体上定位传感器的定位坐标，并依据修正后的定位传感器的定位坐标在可视终端的显示界面上构建船舶轮廓。
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