CN110196444A - 基于船用雷达的船舶自动定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于船用雷达的船舶自动定位方法及装置，由本船船用雷达捕获参考物标并输出；参考物标同时对比电子海图，获取参考物标经纬度并人工输入参考物标经纬度；人工输入的参考物标经纬度经闪烁修正后与输出参考物标的方位、距离等数据一同输入定位模型；定位模型解算后得到本船推算船位。定位装置包括船用雷达、雷达处理器单元和定位功能模块；所述雷达处理器单元将船用雷达与定位功能模块相连，所述定位功能模块包括自动雷达定位程序单元和计算机控制单元。为沿岸航行船舶提供快速、连续、准确的定位，解决了在卫星定位出现异常的情况下，沿岸航行船舶定位效率低、不连续和定位精度差以及在雷达上不能自动定位的问题。

Description

基于船用雷达的船舶自动定位方法及装置

技术领域

本发明涉及船舶定位技术领域，特别涉及一种基于船用雷达的船舶自动定位方法及装置。

背景技术

在船舶航行过程中，精准可靠的船舶定位与导航是保障船舶航行安全的主要措施，同时也是降低船舶运营成本的重要手段。随着电子信息技术的发展，无线电定位技术在船舶定位与导航中占据了主导地位，其中，以GPS定位为代表的卫星导航定位技术以其精度高、覆盖范围广、使用方便等特点，成为目前船舶定位的首选。但是，GPS定位依赖于接收外界的卫星信号，在特定时期、特定水域易受到干扰，影响其使用的可靠性。

近岸航行时，尤其在沿岸10海里之内，雷达能够提供较高的定位精度，是驾驶员备选的定位设备，在卫星定位设备出现异常时可提供船舶定位。但船用雷达如果不接GPS，并没有显示位置信息的功能，即船用雷达本身不具备定位功能，其能够实现的功能是测物标的距离、方位，航向和速度等，因而必须利用周围物标进行人工定位；通过驾驶员对比海图与雷达图像，选择合适的定位目标，测量目标的距离或方位，在海图上画出定位目标到本船的距离、方位位置线，两个或多个位置线交点即为本船船位。因而现有的人工雷达定位全部依靠人力，存在操作繁琐、定位误差大、难以提供连续定位的缺陷，尤其是在紧急状态下会增加船舶航行的风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于船用雷达的船舶自动定位方法及其装置，能够不依赖GPS自动获取参考物标到本船的距离、方位数据，实现雷达自动定位功能，为沿岸航行船舶提供快速、连续、准确的定位，解决了在卫星定位出现异常的情况下，沿岸航行船舶定位效率低、不连续和定位精度差以及在雷达上不能自动定位的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于船用雷达的船舶自动定位方法，其特征在于：不需要GPS或GPS故障时，通过将参考物标的位置参数和参考物标到待定位船舶的距离、方位参数代入定位模型，获取本船的位置；

包括如下步骤：

步骤S1：由本船的船用雷达捕获参考物标信息并输出，所述信息至少包括距离、方位、速度、航向数据信息；

步骤S2：将参考物标信息同时与电子海图进行对比，获取海图对比参考物标经纬度；

步骤S3：将海图对比参考物标经纬度闪烁修正得到修正参考物标经纬度，将船用雷达捕获的参考物标信息与修正参考物标经纬度一同输入定位模型；

步骤S4：通过定位模型解算后得到本船推算船位，即获取本船的经纬度。

上述方法中，步骤S3的定位模型为获取本船经纬度的船位推算模型：

本船的纬度为：

本船的经度λ₀为：λ₀＝λ_A±Δλ；

其中，参考物标A的经纬度为在雷达上测得参考物标A相对本船的真方位为θ、距离为R，距离R沿经线、纬线分解值分别为SY＝Rcosθ、SX＝Rsinθ；本船至参考物标A的纬度差DY为参考物标A沿经线移动1°所对应的弧长，本船与参考物标A的经度差Δλ为：DX为参考物标A沿纬度圈移动1°所对应的弧长。

上述方法中，雷达定位开始时以及连续自动定位过程中，输入到船位推算模型的参考物标信息要始终和雷达上该参考物标的位置值精确一致。

上述方法中，采用参考物标漂移位置点自动跟踪的方法提高定位精度，即每次定位时以原来的参考物标位置为起点，计算出参考物标漂移后到达的位置点作为定位参考物标的新位置值，代入船位推算模型，实现自动跟踪参考物标位置漂移变化的雷达定位方式。

上述方法中，在GPS正常时，参考GPS数据提取参考物标测量点值输入雷达进行船位推算验证，并对固定航线的常用参考物标位置信息进行记录备用。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种应用于上述基于船用雷达的船舶自动定位方法的定位装置，

其特征在于包括：船用雷达、雷达处理器单元和定位模块；所述雷达处理器单元包含GPS数据输出端口和雷达数据输出端口，GPS数据输出端口和雷达数据输出端口分别通过USB转串口线和若干连接线插入计算机控制单元预设的USB端口；所述雷达处理器单元将船用雷达与定位模块相连；所述定位模块包括自动雷达定位程序单元和计算机控制单元，自动雷达定位程序单元通过计算机控制单元实现定位功能；所述自动雷达定位程序单元具体包括船位推算模型、精度测算模型和闪烁修正模型；闪烁修正模型用于修正海图对比参考物标经纬度信息得到修正参考物标经纬度，所述海图对比参考物标经纬度由雷达获取的参考物标信息与电子海图进行对比而获得，通过提高人工输入参考物标经纬度或的准确度来提高船位推算的精度；所述精度测算模型和闪烁修正模型是对船位推算模型的补充或完善，依据接收的定位数据及船位推算模型获取的推算船位来计算定位精度；所述船位推算模型用于对船用雷达捕获的参考物标信息与修正参考物标经纬度进行解算处理；所述计算机控制单元还包括人机交互界面以及用于存储定位数据的数据库，所述人机交互界面用于接收GPS实时源码信息和雷达实时源码信息，并通过输入参考点经纬度以获取推算船位经纬度。

进一步的，上述装置中，所述人机交互界面包括接收GPS实时源码信息的第一模块，该GPS实时源码信息来自导航串口的输出数据；以及接收雷达实时源码信息的第二模块，雷达实时源码信息来自跟踪控制串口；第三模块，用于输入参考点经纬度以及获取推算船位经纬度。

上述装置中，所述船用雷达至少包括触发电路、发射机、天线、接收机、收发开关、显示器和电源设备。

上述装置中，所述雷达处理器单元包含用于输出GPS数据的导航串口和用于输出雷达数据的跟踪控制串口，所述导航串口和跟踪控制串口分别通过USB2.0转RS232串口线和若干连接线插入计算机控制单元预设的USB端口。

上述装置中，GPS数据输出端口在用于验证雷达定位精度时使用。

本发明的方法和装置基于参考物标的位置信息，利用雷达的目标跟踪功能，自动获取参考物标到本船的距离、方位数据，利用计算机借助航迹推算模型推算出本船的船位经纬度数据，从而不借助GPS系统而实现雷达自动定位功能，为沿岸航行船舶提供一种快速、连续、准确的雷达定位方法及其装置。解决了在卫星定位出现异常的情况下，沿岸航行船舶定位效率低、不连续和定位精度差以及在雷达上不能自动定位的问题。

本发明上述技术方案具有如下有益效果：

1.在卫星定位出现异常的情况下，为沿岸航行的船舶提供一种快速、连续、准确的定位替代手段。

2.发明人在传统的人工雷达定位的基础上，开发出了一种基于参考物标的位置信息，应用雷达的目标跟踪功能的定位模型，将计算机系统中的定位模型与雷达处理器连接，相当于同雷达相连，再利用雷达的基本功能捕获参考物标，就能在计算机系统上显示出本船位置。不借助于GPS系统，仅仅利用雷达自身功能，自动采集参考物标到船舶的距离、方位数据，借助航迹推算模型确定船舶船位的自动雷达定位方法及其装置，提高了定位的工作效率、降低航行风险。

3.通过实验验算和实船雷达数据测试结果表明，在精确获取了参考物标位置信息的情况下，可以对船舶实现较高精度的自动雷达定位。

附图说明

图1是本发明基于船用雷达的船舶自动定位方法的自动雷达定位流程框图；

图2是本发明的定位原理图(参考物标沿经线、纬线分解示意图)；

图2中：O——本船位置，N——地理北向，θ——物标A相对本船的真方位，R——物标A相对本船的距离，λ_Α——参考物标A的经度，——参考物标A的纬度。

图3是本发明的定位原理的经线弧长计算示意图；

图3中：S——地理南向，A’——A沿经线移动无限小的距离到达点，——A沿经线移动无限小的距离到达A’的纬度增加量，B——参考物标A沿经线到达的任意点，——B点的纬度。

图4是雷达3nm量程测试参考物标位置示意图；

图5是雷达3nm量程定位精度测算结果图；

图6是船用雷达基本组成框图；

图7是雷达处理器单元串口接线示意图。

图7中：Navigator(导航)——输出GPS数据，Track control(跟踪控制)——输出雷达目标跟踪的数据，AIS(Automatic Identification System)——船舶自动识别系统，ECDIS(Electronic Chart Display and Information System)——电子海图显示与信息系统。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1-7对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势更加清晰。

如图1-3所示，本发明提供了一种基于船用雷达的船舶自动定位方法，包括如下步骤：

步骤a：由本船的船用雷达捕获参考物标，并在雷达屏幕右侧的目标跟踪信息框显示参考物标的距离、方位等信息，捕获成功后即录取定向参考物标，输出参考物标方位、距离，输出参考物标速度、航向；

步骤b：参考物标同时对比电子海图，获取参考物标经纬度并人工输入参考物标经纬度；

步骤c：人工输入的参考物标经纬度经闪烁修正后与输出参考物标的方位、距离等数据一同输入定位模型；

步骤d：定位模型解算后得到本船推算船位。

其中，电子海图来自于驾驶台的ECDIS(Electronic Chart Display andInformation System，电子海图显示与信息系统英文全称)设备。

具体操作中，当船用雷达捕获参考物标时，对比驾驶台的ECDIS设备(也即电子海图)，获取粗略的参考物标经纬度数据，然后对人工输入的参考物标经纬度进行闪烁修正后得到较为精确的位置数据，再同输出参考物标的方位、距离等数据一同输入定位模型，最后由定位模型解算出本船推算船位。

本实施例中，上述定位模型也即船位推算模型，请参阅图2、图3具体包括：已知某参考物标A的经纬度为在雷达上测得物标A相对本船的真方位为θ、距离为R，为了推算出本船的经纬度数据，将物标距离R沿沿经线、纬线分解分别得到分解值为SY＝Rcosθ、SX＝Rsinθ；

参考物标A沿经线到达任意一点B的纬度为

假设A沿经线移动无限小的距离到达A’，纬度增加设参考物标A所在位置经线曲率半径为M，

则经线上对应的这一段微分弧长AA’为：

由参考物标A沿经线到达任意一点B，设其纬度为由至的经线长度s_m可通过对公式(1)进行积分计算得出，即：

将经线曲率半径M代入，经整理，得：

其中，a_e为地球椭球体长半径，e₁为子午椭圆的第一偏心率，其余各参数计算方法及数值如下：

当B点纬度取：

即可计算出参考物标A沿经线移动1°所对应的弧长DY；

因此，本船至参考点A的纬度差为：

本船的纬度即为：

同理，可以推算出本船距离参考物标的经度差，由参考物标A沿纬度圈到达任意点C的距离S_n为：

其中，r为纬度平行圈半径，K为卯酉圈曲率半径；

取λ_C-λ_A＝1，利用公式(8)，即可得到参考物标A沿纬度圈移动1°所对应的弧长DX；

本船与参考物标A的经度差Δλ为：

本船的经度λ₀为：

λ₀＝λ_A±Δλ (11)。

本发明采用的雷达定位方法是依赖于定位参考物标的位置参数和参考物标到待定位船舶的距离、方位参数代入推算模型计算出来的，所以获取的定位参数的准确性直接影响到雷达定位的精度。

首先是初始位置匹配问题，雷达定位开始时，输入到推算模型的定位参考物标的位置值一定要和雷达上该目标的位置值精确一致；另外就是在连续自动定位过程中，雷达保持着对该目标的持续跟踪，即使初始位置匹配精准，但是由于物标闪烁现象，以及雷达跟踪目标滤波处理精度等因素会产生参考物标在雷达上的漂移现象，使得参考物标的位置值出现动态变化，难以准确提供给推算模型，对定位精度影响较大。

为了减少参考物标输入的初始位置与实际位置之间的误差，船用雷达定位时精确选择参考物标测量点的几个要点：

(1)考虑船舶与定位参考标的相对位置和角度选择参考物标测量点；

(2)使用者对雷达探测目标的知识和经验；

(3)雷达捕获参考物标稳定跟踪三分钟之后，待输出数据精度提高到一定程度后再定位；

(4)GPS正常时，参考GPS数据提取参考物标测量点值，并对固定航线的常用参考物标位置信息进行记录备用；

进一步的，雷达在跟踪参考物标的过程中，由于参考物标与雷达之间的距离、方位以及雷达跟踪目标处理等因素的影响，导致雷达捕获到物标后，雷达电磁波照射参考物标的中心位置有所飘移，物标回波产生闪烁现象，即固定参考物标在雷达上变成漂移物标。

虽然每次漂移的速度较小，单次定位的影响不大，但是在连续的定位过程中误差会累积增加，导致雷达定位误差不断增大。

为了减少雷达在跟踪参考物标的过程中由于目标闪烁而造成的精度影响，显然不能把参考物标作为一个固定物标处理。本发明使用了参考物标漂移位置点自动跟踪的方法提高定位精度，即每次定位时以原来的参考物标位置为起点，使用SOG、COG(Speed overGround:对地航速，Course over Ground:对地航向)计算出参考物标漂移后到达的位置点作为定位参考物标的新位置值，代入定位模型，实现自动跟踪参考物标位置漂移变化的雷达定位方式。

为了检验前述船位推算模型的定位精度，在不同雷达量程下进行实验，通过在实验室雷达设备上设置不同距离、方位的参考物标，通过游标提取参考物标的位置数据、相对于本船的距离、方位数据，代入上述船位推算模型，分别推算出本船船位，与本船的真实船位进行比对，测算出雷达定位模型的理论定位精度。

如图4所示，以3nm量程为例，分别在与本船相对方位为45°、135°、225°、315°的1nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm处设置参考物标，获得对应推算船位与真实船位误差结果。如图5所示，在3nm量程档选择参考物标，使用本模型定位的理论误差在5米以内。

以6nm量程为例，分别在与本船相对方位为45°、135°、225°、315°的1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm处设置参考物标，获得对应推算船位与真实船位误差结果。在6nm量程档选择参考物标，使用本模型定位的理论误差在10米以内。

由测算结果可知：

1)在雷达目标跟踪范围内，即当参考物标距离船舶小于32nm时，定位误差保持在45m以下，雷达定位模型精度较高，能满足特殊情况下船舶定位的精度需求。

2)参考物标距本船越近、量程设置越小，雷达定位模型精度越高。

在实际使用雷达定位时，还必须考虑雷达测距、测方位、目标闪烁等随机误差的影响，雷达实船定位精度会低于理论定位精度，为了测试实际使用时雷达的定位精度，发明人在“长航福海”和“长航幸海”号船舶航行时，使用雷达分别选取固定参考物标进行了捕捉，获得连续的目标跟踪(Target Tracking，TT)数据，使用雷达定位模型计算出船位并与GPS真实船位进行了对比，测算实船雷达定位精度。

在“长航福海”上选取江苏南通龙爪岩作为定位参考物标，分别将定位参考物标的游标数据和TT数据代入雷达定位模型计算出理论定位船位和实际定位船位，获取定位精度结果：理论定位精度为8米以内，实际定位精度为20米以内，且波动较大，符合船舶航行时使用雷达探测物标数据具有随机误差的特点。

在“长航幸海”上选取青岛大公岛作为定位参考物标，船舶在海上航行时，可以选取大量程档进行测试(12nm)，获取测试的定位精度结果：显然12海里档量程的定位误差比前面4海里档量程定位误差要大，所以条件许可的情况下，尽可能地选择近距离目标作为定位参考物标；此外，当船舶航行时，参考物标相对船舶的位置由左前方、正横、侧后方变化时，雷达电磁波照射参考物标的中心位置有所移动，会带来较大误差。

实施2

请参阅图6、图7，相应的本发明还提供了应用于前述的基于船用雷达的船舶自动定位方法的定位装置，其特征在于包括：船用雷达、雷达处理器单元和定位模块；所述雷达处理器单元包含GPS数据输出端口和雷达数据输出端口，GPS数据输出端口和雷达数据输出端口分别通过USB转串口线和若干连接线插入计算机控制单元预设的USB端口；所述雷达处理器单元将船用雷达与定位模块相连；所述定位模块包括自动雷达定位程序单元和计算机控制单元，自动雷达定位程序单元通过计算机控制单元实现定位功能；所述自动雷达定位程序单元具体包括船位推算模型、精度测算模型和闪烁修正模型；所述计算机控制单元还包括人机交互界面以及用于存储定位数据的数据库，所述人机交互界面用于接收GPS实时源码信息和雷达实时源码信息，并通过输入参考点经纬度以获取推算船位经纬度。

图6是本发明船用雷达基本组成框图。上述船用雷达的至少包括触发电路、发射机、天线、接收机、收发开关、显示器和电源设备；其中，触发电路、发射机、接收机和收发开关装在一个机箱里，称为收发机(Transceiver)，其余三部分各自一个独立机箱，共有天线部件、收发机、显示器和中频电源四个机箱。

图7是雷达处理器单元串口接线示意图。其中，船用雷达连接雷达处理器单元包含NAVIGATOR导航串口(输出GPS数据)和TRACK CONTROL跟踪控制串口(输出雷达数据)；上述NAVIGATOR串口(输出GPS数据)和TRACK CONTROL串口(输出雷达数据)分别通过USB2.0转RS232串口线和若干连接线插入计算机控制单元预设的USB端口1、USB端口2。

进一步的，上述人机交互界面包括第一个方框接收的是GPS实时源码信息，来自NAVIGATOR串口的输出数据；第二个方框接收雷达实时源码信息，来自TRACK CONTROL串口的输出数据；然后通过输入参考点经纬度，获取推算船位经纬度。

具体操作中，在雷达上捕获目标之后，获得连续的目标跟踪(Target Tracking，TT)数据，包括到本船的距离、方位等输出至屏幕显示，因此可以通过雷达处理器单元串口将雷达与计算机连接，并通过计算机编程依据NMEA0183协议提取相关参数，代入前述雷达定位模型，实现自动计算船舶位置数据；选择周围静止物标作为定位参考物标，通过雷达捕捉使其成为跟踪目标数据(Target Tracking，TT)，在输入参考物标的经纬度之后，程序单元可以输出船舶的经纬度数据，实现船舶的自动雷达定位。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便充分理解本发明。虽然本发明实施例所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明实施例而采用的实施方式，并非用以限定本发明实施例。任何本发明实施例所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明实施例所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明实施例的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于船用雷达的船舶自动定位方法，其特征在于：不需要GPS或GPS故障时，通过将参考物标的位置参数和参考物标到待定位船舶的距离、方位参数代入定位模型，获取本船的位置；

包括如下步骤：

步骤S1：由本船的船用雷达捕获参考物标信息并输出，所述信息至少包括距离、方位、速度、航向数据信息；

步骤S2：将参考物标信息同时与电子海图进行对比，获取海图对比参考物标经纬度；

步骤S3：将海图对比参考物标经纬度闪烁修正得到修正参考物标经纬度，将船用雷达捕获的参考物标信息与修正参考物标经纬度一同输入定位模型；

步骤S4：通过定位模型解算后得到本船推算船位，即获取本船的经纬度。

2.根据权利要求1所述的基于船用雷达的船舶自动定位方法，其特征在于：步骤S3的定位模型为获取本船经纬度的船位推算模型：

本船的纬度为：

本船的经度λ₀为：λ₀＝λ_A±Δλ；

其中，参考物标A的经纬度为在雷达上测得参考物标A相对本船的真方位为θ、距离为R，距离R沿经线、纬线分解值分别为SY＝Rcosθ、SX＝Rsinθ；本船至参考物标A的纬度差DY为参考物标A沿经线移动1°所对应的弧长，本船与参考物标A的经度差Δλ为：DX为参考物标A沿纬度圈移动1°所对应的弧长。

3.根据权利要求1所述的基于船用雷达的船舶自动定位方法，其特征在于：雷达定位开始时以及连续自动定位过程中，输入到船位推算模型的参考物标信息要始终和雷达上该参考物标的位置值精确一致。

4.根据权利要求1所述的基于船用雷达的船舶自动定位方法，其特征在于：采用参考物标漂移位置点自动跟踪的方法提高定位精度，即每次定位时以原来的参考物标位置为起点，计算出参考物标漂移后到达的位置点作为定位参考物标的新位置值，代入船位推算模型，实现自动跟踪参考物标位置漂移变化的雷达定位方式。

5.根据权利要求1所述的基于船用雷达的船舶自动定位方法，其特征在于：在GPS正常时，参考GPS数据提取参考物标测量点值输入雷达进行船位推算验证，并对固定航线的常用参考物标位置信息进行记录备用。

6.一种应用于上述权利要求1-5任一项基于船用雷达的船舶自动定位方法的定位装置，其特征在于：包括：船用雷达、雷达处理器单元和定位模块；所述雷达处理器单元包含GPS数据输出端口和雷达数据输出端口，GPS数据输出端口和雷达数据输出端口分别通过USB转串口线和若干连接线插入计算机控制单元预设的USB端口；所述雷达处理器单元将船用雷达与定位模块相连；所述定位模块包括自动雷达定位程序单元和计算机控制单元，自动雷达定位程序单元通过计算机控制单元实现定位功能；所述自动雷达定位程序单元具体包括船位推算模型、精度测算模型和闪烁修正模型；闪烁修正模型用于修正海图对比参考物标经纬度信息得到修正参考物标经纬度，所述海图对比参考物标经纬度由雷达获取的参考物标信息与电子海图进行对比而获得，通过提高人工输入参考物标经纬度或的准确度来提高船位推算的精度；所述精度测算模型和闪烁修正模型是对船位推算模型的补充或完善，依据接收的定位数据及船位推算模型获取的推算船位来计算定位精度；所述船位推算模型用于对船用雷达捕获的参考物标信息与修正参考物标经纬度进行解算处理；所述计算机控制单元还包括人机交互界面以及用于存储定位数据的数据库，所述人机交互界面用于接收GPS实时源码信息和雷达实时源码信息，并通过输入参考点经纬度以获取推算船位经纬度。

7.一种根据权利要求6所述的定位装置，其特征在于：所述人机交互界面包括接收GPS实时源码信息的第一模块，该GPS实时源码信息来自导航串口的输出数据；以及接收雷达实时源码信息的第二模块，雷达实时源码信息来自跟踪控制串口；第三模块，用于输入参考点经纬度以及获取推算船位经纬度。

8.一种根据权利要求6所述的定位装置，其特征在于：所述船用雷达至少包括触发电路、发射机、天线、接收机、收发开关、显示器和电源设备。

9.一种根据权利要求6所述的定位装置，其特征在于：所述雷达处理器单元包含用于输出GPS数据的导航串口和用于输出雷达数据的跟踪控制串口，所述导航串口和跟踪控制串口分别通过USB2.0转RS232串口线和若干连接线插入计算机控制单元预设的USB端口。

10.一种根据权利要求6所述的定位装置，其特征在于：GPS数据输出端口在用于验证雷达定位精度时使用。