CN113613173A - 一种单双向功能可选择的船用自动识别仪 - Google Patents

一种单双向功能可选择的船用自动识别仪 Download PDF

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CN113613173A CN202110898125.0A CN202110898125A CN113613173A CN 113613173 A CN113613173 A CN 113613173A CN 202110898125 A CN202110898125 A CN 202110898125A CN 113613173 A CN113613173 A CN 113613173A
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肖志伟
陈路
周天
陈卓
吴佳维
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Hunan Guotian Electronic Technology Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种信号识别的技术领域，公开了一种单双向功能可选择的船用自动识别方法，包括：利用天线单元接收射频信号，并利用信号降噪算法对射频信号进行降噪抗干扰处理，得到降噪后的射频信号，并将降噪后的射频信号发送到数据处理单元；数据处理单元对降噪后的射频信号进行A/D采样处理，并对采样后的AIS数据进行异常值处理；利用AIS数据压缩算法对异常值处理后的AIS数据进行压缩处理，对压缩后的AIS数据进行行驶轨迹提取；将目标船舶的行驶轨迹显示在显控单元，并实时判断与目标船舶航行距离。本发明还提供了一种单双向功能可选择的船用自动识别仪。本发明实现了船用信号的通信识别。

Description

一种单双向功能可选择的船用自动识别仪
技术领域
本发明涉及虚拟现实的技术领域，尤其涉及一种单双向功能可选择的船用自动识别仪。
背景技术
船用自动识别系统，简称AIS，是指一种应用于船与船、船与岸之间的海事安全与通信的助航系统，可实现海上船舶之间自动交换船位、航速、航向、船名、呼号等重要信息，能对周围船舶进行识别和对其运动状态进行跟踪。
目前，市面上提供的设备均为双向AIS，装船的AIS接收VHF覆盖范围内其他船舶信息的同时，同样对外发送船舶信息，实现了船舶之间的双向自动应答。然而，海上公务船舶或特定用途船舶在执行任务或执法时，因保密和隐蔽性要求，需要自身航行信息不暴露于外界，但又需要接收其他船船舶信息，根据锁定的目标船舶信息进行航行跟踪调查。执行任务或执法结束时，公务船舶或特定用途船舶仍然需要提供双向通信功能，为海上航行提供助航参考。而传统的AIS通过简单的物理隔离开关阻断制发射信号，在开关复合后，通常会混入干扰信号，无法满足上述功能。
鉴于此，如何抑制泄露信号，改善AIS发射端性能，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种单双向功能可选择的船用自动识别方法，利用天线单元接收射频信号，并利用信号降噪算法对射频信号进行降噪抗干扰处理，将降噪后的射频信号发送到数据处理单元；数据处理单元对降噪后的射频信号进行A/D采样处理，并对转换后的AIS数据进行异常值处理，并利用AIS数据压缩算法对异常值处理后的AIS数据进行压缩处理，将压缩后的AIS数据进行行驶轨迹提取，将AIS数据以及行驶轨迹显示在显控单元，并实时判断与目标船舶航行距离。
为实现上述目的，本发明提供的一种单双向功能可选择的船用自动识别方法，包括：
利用天线单元接收射频信号，并利用信号降噪算法对射频信号进行降噪抗干扰处理，得到降噪后的射频信号，并将降噪后的射频信号发送到数据处理单元；
数据处理单元对降噪后的射频信号进行A/D采样处理，并对采样后的AIS数据进行异常值处理；
利用AIS数据压缩算法对异常值处理后的AIS数据进行压缩处理，对压缩后的AIS数据进行行驶轨迹提取；
将目标船舶的行驶轨迹显示在显控单元，并实时判断与目标船舶航行距离。
可选地，所述利用信号降噪算法对射频信号进行降噪抗干扰处理，包括：
所述天线单元内部集成北斗和GPS多频点RF芯片、前置放大器、射频通道模块和基带处理模块等，用于提供精确的GPS或北斗位置和导航信息；定位天线单元中射频通道模块的射频信号包括BD2 B1、Galileo-E1和GPS-L1三个频点的信号；
在本发明一个具体实施例中，所述AIS天线选用玻璃钢结构的垂直极化VHF天线，输入阻抗50欧，天线频率范围为158MHz至165MHz，中心频点在162MHz，因船用自动识别系统使用双频道通信，其中一个为161.975MHz(CH87)，另一个频率为162.025MHz(CH87)，频道的运行带宽为12.5kHz/25kHz；综合上述，故本发明所述AIS天线频率范围覆盖上述两个频点，且中心频点在两频点之间，具有极高的发射和接收稳定性；对于所接收到的信号，本发明设计对称型抗干扰电路，所述独特设计的对称型抗干扰电路工作过程为：本振信号和射频信号分别通过混合器得到相位差180度且幅度相等的两路信号，再经混频，加法器相加后得到射频输出信号，可以有效地提供对射频泄露信号的抑制，改善发射性能，且双体电位悬空晶体管在RX端和TX端加入叠加的晶体管，能极好地改善TX端线性度。
所述天线单元利用信号降噪算法对射频信号进行降噪抗干扰处理，所述信号降噪算法流程为：
1)将含噪的射频信号z分割为信号片段xi，建立信号片段的稀疏表示模型为：
Figure BDA0003198676050000021
其中：
x表示任意的xi；
D表示稀疏字典，在本发明一个具体实施例中，通过含噪射频信号z求解下式范数得到稀疏字典的值：
Figure BDA0003198676050000022
ε表示测量偏差，若存在一个稀疏字典D，使得存在上述含噪射频信号z的的稀疏表示x，则通过对范数进行求解
Figure BDA0003198676050000023
即可求得字典D；
2)将所有信号片段进行泛化处理：
Figure BDA0003198676050000024
其中：
Y表示降噪后的射频信号，Y′表示其更新值；
λ表示拉格朗日乘子；
ai为信号片段xi的位置因子，保证对于任意信号片段xi，都有
Figure BDA0003198676050000025
泛化处理后的第一项表示含噪射频信号z与降噪后射频信号Y之间的相似程度，第二项保证了每个信号片段都有符合偏差条件
Figure BDA0003198676050000026
的稀疏表示；
3)对每个信号片段进行稀疏分解，初始化Y＝z，求解最优的稀疏表示x′i：
Figure BDA0003198676050000027
其中：
yi表示降噪后射频信号的信号片段；
4)对每个信号的最优稀疏表示结果x′i进行平均：
Figure BDA0003198676050000028
对上式进行求解，得：
Figure BDA0003198676050000029
判断此时Y′是否小于Y，若Y′＜Y，则将Y更新为Y；
重复迭代上述步骤2)～4)，直到找到最小的Y′作为降噪后的射频信号；
将降噪后的射频信号发送到数据处理单元。
可选地，所述数据处理单元对降噪后的射频信号进行A/D采样处理，包括：
对于降噪后射频信号x(t)，设置信号的采样周期为T，则AD采样得到的采样信号为：
Figure BDA00031986760500000210
其中：
x(nT)表示采样信号；
t表示信号的接收时间；
w表示采样频率的1/2，
Figure BDA00031986760500000211
可选地，所述对采样后的AIS数据进行异常值处理，包括：
将目标船舶i的航迹信号表示为s＝{s1,s2,…,sk,…,sn}，其中sk表示目标船舶在tk时刻的航迹信号，
Figure BDA0003198676050000031
其中k表示时间索引，n表示采集到目标船舶航迹的时刻总数；
Figure BDA0003198676050000032
表示目标船舶i在tk时刻的经纬坐标，
Figure BDA0003198676050000033
表示目标船舶i在tk时刻的行驶速度，T表示矩阵的转置；
将目标船舶i的第j段航迹表示为：
Figure BDA0003198676050000034
其中：
Figure BDA0003198676050000035
表示第j段航迹起始时刻p的航迹信号，
Figure BDA0003198676050000036
表示第j段航迹的终点时刻q的航迹信号；
设置扫描半径为r，从
Figure BDA0003198676050000037
之间任意经纬坐标开始进行扫描，找出与坐标的欧氏距离在r之内的邻近点，若邻近点数目的大于N，则将该经纬坐标与邻近点形成一个簇，并将该经纬坐标标记为正常值；若该经纬坐标的邻近点数目小于N，则将该经纬坐标与邻近点形成一个簇，并将该经纬坐标标记为异常值；
删除标记为异常值的经纬坐标所对应的航迹信号，得到异常值处理后的AIS数据。
可选地，所述利用AIS数据压缩算法对异常值处理后的AIS数据进行压缩处理，包括：
1)读入AIS数据中的一条轨迹数据，依次标记轨迹上各点，将轨迹数据的两个端点入栈；
2)检测两个端点间的AIS数据是否存在驻点数据，所述驻点数据的判定方法为：对于轨迹中的任意三点(hi-1,hi,hi+1)，相邻两点的时间间隔为Δt，则
Figure BDA0003198676050000038
为轨迹hi-1hi的速度矢量，
Figure BDA0003198676050000039
为轨迹hihi+1的速度矢量：
Figure BDA00031986760500000310
若对于任意AIS数据i，其速度变化率
Figure BDA00031986760500000311
则认为AIS数据i为驻点数据，并将检测到的驻点AIS数据依次入栈；其中vj表示第轨迹中j个AIS数据的实时速度；
3)计算轨迹上点线段与端点直线线段之间的距离D，若D大于预设定的距离阈值d，则将该点入栈，将栈中的所有AIS数据点作为压缩数据。
可选地，所述将目标船舶的行驶轨迹显示在显控单元，实时判断与目标船舶航行距离，包括：
将目标船舶的行驶轨迹显示在显控单元，所述显控单元包括显示器、键盘和显控模块，所述显控单元包括核心处理器和显示主板；显控单元通过所述功能接口分别与电源单元、AIS通信处理单元和键盘连接，完成数据交互，显控模块上连接有声光报警装置，当仪器本身故障时通过声光报警装置提示操作人员；
所述数据处理单元实时计算当前船舶与目标船舶的距离
Figure BDA00031986760500000312
其中(xd,yd)表示当前船舶的经纬坐标，(xt,yt)表示目标船舶的经纬坐标，并将计算到的距离实时在显控单元显示；
所述数据处理单元实时计算当前船舶与目标船舶是否会发生碰撞：
Figure BDA00031986760500000313
Figure BDA00031986760500000314
其中：
vd表示目标船舶的行驶速度；
若满足上式，则认为当前船舶与目标船舶会发生碰撞，显控单元中的显控模块则利用声光报警装置进行报警处理。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种单双向功能可选择的船用自动识别仪，所述系统包括：
所述天线单元内部集成北斗和GPS多频点RF芯片、前置放大器、射频通道模块和基带处理模块等，用于提供精确的GPS或北斗位置和导航信息；定位天线单元中射频通道模块的射频信号包括BD2 B1、Galileo-E1和GPS-L1三个频点的信号；
所述通信处理单元由VHF发射机、VHF接收机、数据处理单元、外设接口单元、射频收发开关、发射控制按钮组成；
所述外设接口单元采用基于FPGA的CAN总线转RSS422/RS485接口设计，数据通信波特率兼容范围为1200bps∽384000bps；
所述显控单元包括显示器、键盘和显控模块，所述显控单元包括核心处理器和显示主板，显控单元通过所述功能接口分别与电源单元、AIS通信处理单元和键盘连接，完成数据交互；显控模块上连接有声光报警装置，当仪器本身故障时通过声光报警装置提示操作人员；
所述电源单元由EMI滤波电路、PFC交直流转换电路、隔离式DC/DC转换器组成，所述电源单元通过直流电源输出接口分别与通信处理单元、显控单元连接，所述电源单元电源输入电源范围为85VAC～220VAC单相，输出为直流12-31VDC。
相对于现有技术，本发明提出一种单双向功能可选择的船用自动识别方法，该技术具有以下优势：
首先，对于所接收到的信号，本发明所述船用自动识别仪通过在发射端增加开关按钮，按钮合上时，自动识别仪接收和发射功能正常，当开关断开时，发射功能物理隔离，发射中断，实现单向和双向多种通信功能，可替代传统的AIS，同时可更应用于特定用途船舶或执法船上，应用范围更广，适应性和兼容性更强；并设计对称型抗干扰电路，所述独特设计的对称型抗干扰电路工作过程为：本振信号和射频信号分别通过混合器得到相位差180度且幅度相等的两路信号，再经混频，加法器相加后得到射频输出信号，可以有效地提供对射频泄露信号的抑制，改善发射性能，且双体电位悬空晶体管在RX端和TX端加入叠加的晶体管，能极好地改善TX端线性度。VHF发射机采用锁相环式发射机，与其他类型的发射机比较，锁相发射机直接在发射端进行调试，可以达到较高频率，且频率稳定度高。
同时，由于AIS信号具有非周期非同频的特性，很难进行信号的实时计算处理，且目前并未有对AIS信号进行降噪的方法，本发明提出一种利用信号降噪算法对射频信号进行降噪抗干扰处理，所述信号降噪算法流程为：将含噪的射频信号z分割为信号片段xi，通过将信号进行分段表示并预设定降噪稀疏字典，对每段信号进行降噪处理，从而提高了算法降噪的计算速度，所建立信号片段的稀疏表示模型为：
Figure BDA0003198676050000041
其中：x表示任意的xi；D表示稀疏字典，通过含噪射频信号z求解下式范数得到稀疏字典的值：
Figure BDA0003198676050000042
ε表示测量偏差，若存在一个稀疏字典D，使得存在上述含噪射频信号z的的稀疏表示x，则通过对范数进行求解
Figure BDA0003198676050000043
即可求得字典D；本发明将稀疏表示理论引入到实时AIS信号处理领域，以少量的原子来表示AIS信号，能够获取AIS信号的完整信息，为实现AIS信号的实时检测提供了理论依据；将所有信号片段进行泛化处理：
Figure BDA0003198676050000044
其中：Y表示降噪后的射频信号，Y′表示其更新值；λ表示拉格朗日乘子；ai为信号片段xi的位置因子，保证对于任意信号片段xi，都有
Figure BDA0003198676050000045
泛化处理后的第一项表示含噪射频信号z与降噪后射频信号Y之间的相似程度，第二项保证了每个信号片段都有符合偏差条件
Figure BDA0003198676050000051
的稀疏表示；对每个信号片段进行稀疏分解，初始化Y＝z，求解最优的稀疏表示x′i：
Figure BDA0003198676050000059
其中：yi表示降噪后射频信号的信号片段；对每个信号的最优稀疏表示结果x′i进行平均：
Figure BDA0003198676050000053
对上式进行求解，得：
Figure BDA0003198676050000054
判断此时Y′是否小于Y，若Y′＜Y，则将Y更新为Y；重复迭代上述步骤，直到找到满足泛化处理后的信号稀疏表示模型的Y′作为降噪后的射频信号，实现信号的实时检测与降噪处理。
最后，原始船舶AIS数据存在大量无效和冗余信息，在汇总这些数据后将会出现大量重复冗余数据，那么这些毫无意义的重复数据是必须要剔除掉的。因此本发明提出一种AIS数据压缩方法，利用AIS数据压缩算法对异常值处理后的AIS数据进行压缩处理，所述AIS数据压缩算法流程为：读入AIS数据中的一条轨迹数据，依次标记轨迹上各点，将轨迹数据的两个端点入栈；检测两个端点间的AIS数据是否存在驻点数据，所述驻点数据的判定方法为：对于轨迹中的任意三点(hi-1,hi,hi+1)，相邻两点的时间间隔为Δt，则
Figure BDA0003198676050000055
为轨迹hi-1hi的速度矢量，
Figure BDA0003198676050000056
为轨迹hihi+1的速度矢量：
Figure BDA0003198676050000057
若对于任意AIS数据i，其速度变化率
Figure BDA0003198676050000058
则认为AIS数据i为驻点数据，并将检测到的驻点AIS数据依次入栈，驻点数据即为在该点具有较大的速率变化，相较于其余AIS数据，具有显著的特征差异；其中vj表示第轨迹中j个AIS数据的实时速度；计算轨迹上点线段与端点直线线段之间的距离D，若D大于预设定的距离阈值d，则说明该点偏离端点直线线段，有可能是轨迹拐点，并将该点入栈，将栈中的所有AIS数据点作为压缩数据。相较于原始AIS数据，压缩数据的数据量要小于原始AIS数据量，且轨迹数据中的拐点均被保留。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种单双向功能可选择的船用自动识别方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种单双向功能可选择的船用自动识别仪的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的一种单双向功能可选择的船用自动识别仪的射频收发开关组成图
图4为本发明一实施例提供的一种独特设计的对称型抗干扰电路的结构示意图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
利用天线单元接收射频信号，并利用信号降噪算法对射频信号进行降噪抗干扰处理，将降噪后的射频信号发送到数据处理单元；数据处理单元对降噪后的射频信号进行A/D采样处理，并对转换后的AIS数据进行异常值处理，并利用AIS数据压缩算法对异常值处理后的AIS数据进行压缩处理，将压缩后的AIS数据进行行驶轨迹提取，将AIS数据以及行驶轨迹显示在显控单元，并实时判断与目标船舶航行距离。参照图1所示，为本发明一实施例提供的单双向功能可选择的船用自动识别方法示意图。
在本实施例中，单双向功能可选择的船用自动识别方法包括：
S1、利用天线单元接收射频信号，并利用信号降噪算法对射频信号进行降噪抗干扰处理，得到降噪后的射频信号，并将降噪后的射频信号发送到数据处理单元。
首先，本发明利用船用自动仪中的天线单元接收射频信号，在本发明一个较佳实施例中，本发明通过在发射端增加开关按钮，按钮合上时，自动识别仪接收和发射功能正常，当开关断开时，发射功能物理隔离，发射中断；
所述天线单元内部集成北斗和GPS多频点RF芯片、前置放大器、射频通道模块和基带处理模块等，用于提供精确的GPS或北斗位置和导航信息；定位天线单元中射频通道模块的射频信号包括BD2 B1、Galileo-E1和GPS-L1三个频点的信号；
在本发明一个具体实施例中，所述AIS天线选用玻璃钢结构的垂直极化VHF天线，输入阻抗50欧，天线频率范围为158MHz至165MHz，中心频点在162MHz，因船用自动识别系统使用双频道通信，其中一个为161.975MHz(CH87)，另一个频率为162.025MHz(CH87)，频道的运行带宽为12.5kHz/25kHz；综合上述，故本发明所述AIS天线频率范围覆盖上述两个频点，且中心频点在两频点之间，具有极高的发射和接收稳定性；对于所接收到的信号，本发明设计对称型抗干扰电路，所述独特设计的对称型抗干扰电路工作过程为：本振信号和射频信号分别通过混合器得到相位差180度且幅度相等的两路信号，再经混频，加法器相加后得到射频输出信号，可以有效地提供对射频泄露信号的抑制，改善发射性能，且双体电位悬空晶体管在RX端和TX端加入叠加的晶体管，能极好地改善TX端线性度。
进一步地，所述天线单元利用信号降噪算法对射频信号进行降噪抗干扰处理，所述信号降噪算法流程为：
1)将含噪的射频信号z分割为信号片段xi，建立信号片段的稀疏表示模型为：
Figure BDA0003198676050000061
其中：
x表示任意的xi；
D表示稀疏字典，在本发明一个具体实施例中，通过含噪射频信号z求解下式范数得到稀疏字典的值：
Figure BDA0003198676050000062
ε表示测量偏差，若存在一个稀疏字典D，使得存在上述含噪射频信号z的的稀疏表示x，则通过对范数进行求解
Figure BDA0003198676050000063
即可求得字典D；
2)将所有信号片段进行泛化处理：
Figure BDA0003198676050000064
其中：
Y表示降噪后的射频信号，Y′表示其更新值；
λ表示拉格朗日乘子；
ai为信号片段xi的位置因子，保证对于任意信号片段xi，都有
Figure BDA0003198676050000065
泛化处理后的第一项表示含噪射频信号z与降噪后射频信号Y之间的相似程度，第二项保证了每个信号片段都有符合偏差条件
Figure BDA0003198676050000066
的稀疏表示；
3)对每个信号片段进行稀疏分解，初始化Y＝z，求解最优的稀疏表示x′i：
Figure BDA0003198676050000067
其中：
yi表示降噪后射频信号的信号片段；
4)对每个信号的最优稀疏表示结果x′i进行平均：
Figure BDA0003198676050000071
对上式进行求解，得：
Figure BDA0003198676050000072
判断此时Y′是否小于Y，若Y′＜Y，则将Y更新为Y；
重复迭代上述步骤2)～4)，直到找到最小的Y′作为降噪后的射频信号；
将降噪后的射频信号发送到数据处理单元。
S2、数据处理单元对降噪后的射频信号进行A/D采样处理，并对采样后的AIS数据进行异常值处理。
进一步地，所述数据处理单元接收射频信号，并对射频信号进行A/D采样处理，所述A/D采样处理的流程为：
对于降噪后射频信号x(t)，设置信号的采样周期为T，则AD采样得到的采样信号为：
Figure BDA0003198676050000073
其中：
x(nT)表示采样信号；
t表示信号的接收时间；
w表示采样频率的1/2，
Figure BDA0003198676050000074
对AIS采样信号数据进行异常值处理，所述异常值处理流程为：
将目标船舶i的航迹信号表示为s＝{s1,s2,…,sk,…,sn}，其中sk表示目标船舶在tk时刻的航迹信号，
Figure BDA0003198676050000075
其中k表示时间索引，n表示采集到目标船舶航迹的时刻总数；
Figure BDA0003198676050000076
表示目标船舶i在tk时刻的经纬坐标，
Figure BDA0003198676050000077
表示目标船舶i在tk时刻的行驶速度，T表示矩阵的转置；
将目标船舶i的第j段航迹表示为：
Figure BDA0003198676050000078
其中：
Figure BDA0003198676050000079
表示第j段航迹起始时刻p的航迹信号，
Figure BDA00031986760500000710
表示第j段航迹的终点时刻q的航迹信号；
设置扫描半径为r，从
Figure BDA00031986760500000711
之间任意经纬坐标开始进行扫描，找出与坐标的欧氏距离在r之内的邻近点，若邻近点数目的大于N，则将该经纬坐标与邻近点形成一个簇，并将该经纬坐标标记为正常值；若该经纬坐标的邻近点数目小于N，则将该经纬坐标与邻近点形成一个簇，并将该经纬坐标标记为异常值；
删除标记为异常值的经纬坐标所对应的航迹信号，得到异常值处理后的AIS数据。
S3、利用AIS数据压缩算法对异常值处理后的AIS数据进行压缩处理，对压缩后的AIS数据进行行驶轨迹提取。
进一步地，本发明利用AIS数据压缩算法对异常值处理后的AIS数据进行压缩处理，所述AIS数据压缩算法流程为：
1)读入AIS数据中的一条轨迹数据，依次标记轨迹上各点，将轨迹数据的两个端点入栈；
2)检测两个端点间的AIS数据是否存在驻点数据，所述驻点数据的判定方法为：对于轨迹中的任意三点(hi-1,hi,hi+1)，相邻两点的时间间隔为Δt，则
Figure BDA00031986760500000712
为轨迹hi-1hi的速度矢量，
Figure BDA00031986760500000713
为轨迹hihi+1的速度矢量：
Figure BDA0003198676050000081
若对于任意AIS数据i，其速度变化率
Figure BDA0003198676050000082
则认为AIS数据i为驻点数据，并将检测到的驻点AIS数据依次入栈；其中vj表示第轨迹中j个AIS数据的实时速度；
3)计算轨迹上点线段与端点直线线段之间的距离D，若D大于预设定的距离阈值d，则将该点入栈，将栈中的所有AIS数据点作为压缩数据。
对地图进行网格化处理，将压缩后的AIS数据在网格中进行表示，网格中的轨迹路径即为目标船舶的行驶轨迹。
S4、将目标船舶的行驶轨迹显示在显控单元，并实时判断与目标船舶航行距离。
进一步地，本发明将目标船舶的行驶轨迹显示在显控单元，所述显控单元包括显示器、键盘和显控模块，所述显控单元包括核心处理器和显示主板；显控单元通过所述功能接口分别与电源单元、AIS通信处理单元和键盘连接，完成数据交互，显控模块上连接有声光报警装置，当仪器本身故障时通过声光报警装置提示操作人员；
进一步地，所述数据处理单元实时计算当前船舶与目标船舶的距离
Figure BDA0003198676050000083
其中(xd,yd)表示当前船舶的经纬坐标，(xt,yt)表示目标船舶的经纬坐标，并将计算到的距离实时在显控单元显示；
所述数据处理单元实时计算当前船舶与目标船舶是否会发生碰撞：
Figure BDA0003198676050000084
Figure BDA0003198676050000085
其中：
vd表示目标船舶的行驶速度；
若满足上式，则认为当前船舶与目标船舶会发生碰撞，显控单元中的显控模块则利用声光报警装置进行报警处理。
发明还提供一种单双向功能可选择的船用自动识别仪。参照图2所示，为本发明一实施例提供的单双向功能可选择的船用自动识别仪的内部结构示意图。
在本实施例中，所述单双向功能可选择的船用自动识别仪至少包括天线单元、AIS天线、通信处理单元、显控单元和电源单元。
所述天线单元内部集成北斗和GPS多频点RF芯片、前置放大器、射频通道模块和基带处理模块等，用于提供精确的GPS或北斗位置和导航信息；定位天线单元中射频通道模块的射频信号包括BD2 B1、Galileo-E1和GPS-L1三个频点的信号。
参照图3所示，为本发明所述射频收发开关组成图，在发射端增加开关按钮，按钮合上时，自动识别仪接收和发射功能正常，当开关断开时，发射功能物理隔离，发射中断。
参照图4所示，为本发明独特设计的对称型抗干扰电路示意图，其工作过程为：本振信号和射频信号分别通过混合器得到相位差180度且幅度相等的两路信号，再经混频，加法器相加后得到射频输出信号，可以有效地提供对射频泄露信号的抑制，改善发射性能。
所述通信处理单元由VHF发射机、VHF接收机、数据处理单元、外设接口单元、射频收发开关、发射控制按钮等组成。
所述VHF发射机采用锁相环式设计，从数据处理单元发过来的GMSK/FSK信号经放大后，经调制、混频，再由射频功放模块放大输出至AIS天线；所述VHF接收机采用超外差接收机设计，由天线滤波器、混频器、中频滤波器、检波装置、放大器等组成。VHF接收机具有三个接收通道，其中两个为TDMA接收通道，1个DSC接收通道，采用TDMA接收机分别在2个独立的频道上同时接收信息，VHF接收机接收的信息传送给数据处理单元；所述数据处理单元，主要由主板、电源分配板组成。数据处理单元主要用于接收显控单元传送过来的操作指令，经D/A转换后发送给VHF发射机。同时，它接收VHF接收机发过的数据信号，经A/D转换器转换后，将VHF接收机将数据以9600bps的速率输出至显控单元显示当前数据。
所述外设接口单元，采用基于FPGA的CAN总线转RSS422/RS485接口设计，数据通信波特率兼容范围为1200bps∽384000bps。其中，两个接口用于发送内置定位信息、AIS数据信息，两个接口用于接收计程仪、罗经数据，此外，所述单双向功能可选择的船用自动识别仪预留四个接口，以后续扩展应用；
所述显控单元包括显示器、键盘和显控模块，所述显控单元包括核心处理器和显示主板。显控单元通过所述功能接口分别与电源单元、AIS通信处理单元和键盘连接，完成数据交互。显控模块上连接有声光报警装置，当仪器本身故障时通过声光报警装置提示操作人员。
所述电源单元由EMI滤波电路、PFC交直流转换电路、隔离式DC/DC转换器组成，所述电源单元通过直流电源输出接口分别与通信处理单元、显控单元连接。所述电源单元电源输入电源范围为85VAC～220VAC单相，输出为直流12-31VDC。电源单元向显控单元和AIS通信处理单元供电电压为24V，并预留有2个24V电源接口。
图2仅示出了具有上述装置及单双向功能可选择的船用自动识别仪，本领域技术人员可以理解的是，图1示出的结构并不构成对单双向功能可选择的船用自动识别仪的限定，可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种单双向功能可选择的船用自动识别方法，其特征在于，所述方法包括：
利用天线单元接收射频信号，并利用信号降噪算法对射频信号进行降噪抗干扰处理，得到降噪后的射频信号，并将降噪后的射频信号发送到数据处理单元；
数据处理单元对降噪后的射频信号进行A/D采样处理，并对采样后的AIS数据进行异常值处理；
利用AIS数据压缩算法对异常值处理后的AIS数据进行压缩处理，对压缩后的AIS数据进行行驶轨迹提取；
将目标船舶的行驶轨迹显示在显控单元，并实时判断与目标船舶航行距离。
2.如权利要求1所述的一种单双向功能可选择的船用自动识别方法，其特征在于，所述利用信号降噪算法对射频信号进行降噪抗干扰处理，包括：
1)将含噪的射频信号z分割为信号片段xi，建立信号片段的稀疏表示模型为：
Figure FDA0003198676040000011
其中：
x表示任意的xi；
D表示稀疏字典，在本发明一个具体实施例中，通过含噪射频信号z求解下式范数得到稀疏字典的值：
Figure FDA0003198676040000012
ε表示测量偏差，若存在一个稀疏字典D，使得存在上述含噪射频信号z的的稀疏表示x，则通过对范数进行求解
Figure FDA0003198676040000013
即可求得字典D；
2)将所有信号片段进行泛化处理：
Figure FDA0003198676040000014
其中：
Y表示降噪后的射频信号，Y′表示其更新值；
λ表示拉格朗日乘子；
ai为信号片段xi的位置因子，保证对于任意信号片段xi，都有
Figure FDA0003198676040000015
3)对每个信号片段进行稀疏分解，初始化Y＝z，求解最优的稀疏表示x′i：
Figure FDA0003198676040000016
其中：
yi表示降噪后射频信号的信号片段；
4)对每个信号的最优稀疏表示结果x′i进行平均：
Figure FDA0003198676040000017
对上式进行求解，得：
Figure FDA0003198676040000018
判断此时Y′是否小于Y，若Y′＜Y，则将Y更新为Y；
重复迭代上述步骤2)～4)，直到找到最小的Y′作为降噪后的射频信号；
将降噪后的射频信号发送到数据处理单元。
3.如权利要求2所述的一种单双向功能可选择的船用自动识别方法，其特征在于，所述数据处理单元对降噪后的射频信号进行A/D采样处理，包括：
对于降噪后射频信号x(t)，设置信号的采样周期为T，则AD采样得到的采样信号为：
Figure FDA0003198676040000021
其中：
x(nT)表示采样信号；
t表示信号的接收时间；
w表示采样频率的1/2，
Figure FDA0003198676040000022
4.如权利要求3所述的一种单双向功能可选择的船用自动识别方法，其特征在于，所述对采样后的AIS数据进行异常值处理，包括：
将目标船舶i的航迹信号表示为s＝{s1,s2,…,sk,…,sn}，其中sk表示目标船舶在tk时刻的航迹信号，
Figure FDA0003198676040000023
其中k表示时间索引，n表示采集到目标船舶航迹的时刻总数；
Figure FDA0003198676040000024
表示目标船舶i在tk时刻的经纬坐标，
Figure FDA0003198676040000025
表示目标船舶i在tk时刻的行驶速度，T表示矩阵的转置；
将目标船舶i的第j段航迹表示为：
Figure FDA0003198676040000026
其中：
Figure FDA0003198676040000027
表示第j段航迹起始时刻p的航迹信号，
Figure FDA0003198676040000028
表示第j段航迹的终点时刻q的航迹信号；
设置扫描半径为r，从
Figure FDA0003198676040000029
之间任意经纬坐标开始进行扫描，找出与坐标的欧氏距离在r之内的邻近点，若邻近点数目的大于N，则将该经纬坐标与邻近点形成一个簇，并将该经纬坐标标记为正常值；若该经纬坐标的邻近点数目小于N，则将该经纬坐标与邻近点形成一个簇，并将该经纬坐标标记为异常值；
删除标记为异常值的经纬坐标所对应的航迹信号，得到异常值处理后的AIS数据。
5.如权利要求4所述的一种单双向功能可选择的船用自动识别方法，其特征在于，所述利用AIS数据压缩算法对异常值处理后的AIS数据进行压缩处理，包括：
1)读入AIS数据中的一条轨迹数据，依次标记轨迹上各点，将轨迹数据的两个端点入栈；
2)检测两个端点间的AIS数据是否存在驻点数据，所述驻点数据的判定方法为：对于轨迹中的任意三点(hi-1,hi,hi+1)，相邻两点的时间间隔为Δt，则
Figure FDA00031986760400000210
为轨迹hi-1hi的速度矢量，
Figure FDA00031986760400000211
为轨迹hihi+1的速度矢量：
Figure FDA00031986760400000212
若对于任意AIS数据i，其速度变化率
Figure FDA00031986760400000213
则认为AIS数据i为驻点数据，并将检测到的驻点AIS数据依次入栈；其中vj表示第轨迹中j个AIS数据的实时速度；
3)计算轨迹上点线段与端点直线线段之间的距离D，若D大于预设定的距离阈值d，则将该点入栈，将栈中的所有AIS数据点作为压缩数据。
6.如权利要求5所述的一种单双向功能可选择的船用自动识别方法，其特征在于，所述将目标船舶的行驶轨迹显示在显控单元，实时判断与目标船舶航行距离，包括：
将目标船舶的行驶轨迹显示在显控单元；
所述数据处理单元实时计算当前船舶与目标船舶的距离
Figure FDA00031986760400000214
其中(xd,yd)表示当前船舶的经纬坐标，(xt,yt)表示目标船舶的经纬坐标，并将计算到的距离实时在显控单元显示；
所述数据处理单元实时计算当前船舶与目标船舶是否会发生碰撞：
Figure FDA00031986760400000215
Figure FDA0003198676040000031
其中：
vd表示目标船舶的行驶速度；
若满足上式，则认为当前船舶与目标船舶会发生碰撞，显控单元中的显控模块则利用声光报警装置进行报警处理。
7.一种单双向功能可选择的船用自动识别仪，其特征在于，所述船用自动识别仪包括：
所述天线单元内部集成北斗和GPS多频点RF芯片、前置放大器、射频通道模块和基带处理模块等，用于提供精确的GPS或北斗位置和导航信息；定位天线单元中射频通道模块的射频信号包括BD2 B1、Galileo-E1和GPS-L1三个频点的信号；
所述通信处理单元由VHF发射机、VHF接收机、数据处理单元、外设接口单元、射频收发开关、发射控制按钮组成；
所述外设接口单元采用基于FPGA的CAN总线转RSS422/RS485接口设计，数据通信波特率兼容范围为1200bps∽384000bps；
所述显控单元包括显示器、键盘和显控模块，所述显控单元包括核心处理器和显示主板，显控单元通过所述功能接口分别与电源单元、AIS通信处理单元和键盘连接，完成数据交互；显控模块上连接有声光报警装置，当仪器本身故障时通过声光报警装置提示操作人员；
所述电源单元由EMI滤波电路、PFC交直流转换电路、隔离式DC/DC转换器组成，所述电源单元通过直流电源输出接口分别与通信处理单元、显控单元连接，所述电源单元电源输入电源范围为85VAC～220VAC单相，输出为直流12-31VDC。
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