CN114120712B - 一种空天球载ais预警方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空天球载AIS预警方法及装置，属于雷达检测技术领域，用以解决现有技术不能通过地面基站实现全天候全区域预警，所述方法包括：基于空天球载AIS系统接收飞行器发送的飞行器数据；根据所述飞行器数据，确定飞行器的第一位置数据；采集所述飞行器的第二位置数据；对所述第一位置数据和所述第二位置数据进行数据融合，确定所述飞行器的位置置信度，所述第一位置数据和所述第二位置数据处于同一时段或同一时刻；在所述位置置信度没有达到预设值时，发出警报。本发明提供的技术方案借助气球，扩大检测范围，提高检测精度，从而实现全天候全区域预警。

Description

一种空天球载AIS预警方法及装置

技术领域

本发明涉及雷达检测技术领域，尤其涉及一种空天球载AIS预警方法及装置。

背景技术

随着无线通信的发展，特别是软件无线电定义的出现，便于人们利用无线电通信进行通信。

空中的飞行器通过无线电通信向地面基站或其他飞行器发送信息，以便于基站和其他飞行器对其进行识别或定位。

然而，无线电通信存在地域限制，因此无线电通信能控制的空域范围有限。同时，对于一些特殊的地形，如海洋、深涧、森林，很难维持地面基站进行全天候全区域预警。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种空天球载AIS预警方法及装置，以上问题中的至少一个。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种空天球载AIS预警方法，包括：

基于空天球载AIS系统接收飞行器发送的飞行器数据；

根据所述飞行器数据，确定飞行器的第一位置数据；

采集所述飞行器的第二位置数据；

对所述第一位置数据和所述第二位置数据进行数据融合，确定所述飞行器的位置置信度，所述第一位置数据和所述第二位置数据处于同一时段或同一时刻；

在所述位置置信度没有达到预设值时，发出警报。

进一步地，所述飞行器数据包括：坐标；所述基于AIS系统确定飞行器的第一位置数据，包括：

针对一个所述飞行器，连续接收所述飞行器的至少四个坐标；

确定所述至少四个坐标是否准确；

当所述至少四个坐标准确时，根据所述至少四个坐标，确定所述飞行器的航迹数据；

根据所述航迹数据，确定所述第一位置数据。

进一步地，所述确定所述至少四个坐标是否准确包括：

A1.根据所述坐标的接收顺序，依次在所述至少四个坐标中确定基准坐标；

A2.确定与所述基准坐标时间间隔最短的三个点为待测试坐标；

A3.分别确定所述待测试坐标相对于所述基准坐标的位置变化；

A4.根据所述位置变化，确定三个待测试坐标是否准确；

A5.确认待测试坐标错误时，删除错误的待测试坐标；

A6.重复A1-A5直至完成对所述至少四个坐标准确性的检测。

进一步地，所述确定所述至少四个坐标是否准确包括：

当确定接收到四个所述坐标时，以最先接到坐标为基准坐标，并开始执行A2-A5；

之后，每接收到一个新坐标时，根据接收顺序，针对最后接收到的四个坐标执行A1-A6。

进一步地，所述确定所述至少四个坐标是否准确包括：

根据所述坐标的接收时间，依次确定四个相邻的坐标P1、P2、P3和P4，其中，P1为最早接收的坐标；

分别计算P2、P3和P4相对于P1的位置变化率，分别得到X1、X2和X3；

当X1、X2和X3具有单调性或相等时，确定P2、P3和P4坐标准确；

当X1、X2和X3不具有单调性且不相等时，获取飞行器的标准航迹数据；

确定偏离所述标准航迹数据最大的点为数据异常点。

进一步地，在所述确定所述飞行器的航迹数据之后，所述方法还包括：

生成所述航迹数据的异或校验码，所述异或校验码用于校验所述航迹数据是否发生变动；

将所述航迹数据、所述异或校验码、所述飞行器的标识和所述航迹数据对应的时间戳对应存储；

在接收到服务器发送的数据请求时，将所述异或校验码、所述航迹数据、所述飞行器的标识和所述航迹数据对应的时间戳发送给服务器或地面基站。

进一步地，所述第二位置数据包括：一次雷达探测数据、二次雷达探测数据、标准航迹数据和ADS-B数据中的一个或多个。

进一步地，当所述第二位置数据为一次雷达探测数据、二次雷达探测数据和ADS-B数据中的一个或多个时，所述确定所述飞行器的位置置信度，包括：根据所述第一位置数据，确定所述飞行器的第一距离和第一方位；

根据所述第二位置数据，确定至少一个所述飞行器的第二距离和至少一个所述飞行器的第二方位，其中所述第二距离和所述第二方位一一对应；

分别确定所述第一距离、所述第一方位、各所述第二距离和各所述第二方位的权重，以及所述第一位置数据和所述第二位置数据的置信度占比；

根据所述权重和置信度占比，确定所述飞行器的位置置信度。

第二方面，本发明实施例提供的一种空天球载AIS预警装置，包括：AIS系统、数据处理模块、采集模块、置信度计算模块和报警模块；

所述AIS系统用于接收飞行器发送的飞行器数据；

所述数据处理模块用于确定所述飞行器的第一位置数据；

所述采集模块用于采集所述飞行器的第二位置数据；

所述置信度计算模块用于对所述第一位置数据和所述第二位置数据进行数据融合，确定所述飞行器的位置置信度；

所述报警模块用于在所述位置置信度没有达到预设值时，发出警报。

进一步地，所述装置设置在气球上，所述气球可以悬浮在指定的空域中。

本发明实施例提供的技术方案具有下述技术效果的至少一个：

1、借助气球将AIS系统设置在空中，可以很好排除障碍物对AIS雷达信号的影响，从而扩大了检测范围和检测精度。

2、通过将AIS接收到的位置数据(第一位置数据)和主动获取的位置数据(第二位置数据)进行数据融合，计算飞行器的位置置信度的方式，检测飞行器发送的位置数据是否真实，以提高检测精确度。

3、基于空天球载AIS系统的工作环境存在电磁干扰，对存储在AIS系统中的航迹数据进行异或操作，得到航迹数据异或校验码。当向基站或服务器传递航迹数据时，同时传递航迹数据对应的异或校验码，以便于基站或服务器根据异或校验码，确定接收到的航迹数据是否发送的航迹数据一致，从而保证了航迹数据的可靠性。

4、采用“四点法”去除电磁干扰造成的异常数据，以保证真航迹数据的准确性，进而保证第一位置数据和第二位置数据进行数据居融合时的准确性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例提供的一种空天球载AIS预警方法流程图；

图2为本发明实施例提供的飞行轨迹示意图；

图3为本发明实施例提供的一种空天球载AIS预警装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种执行空天球载AIS预警方法的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在本发明实施例中，为了实现对指定空域进行全天候全区域的预警，将AIS系统设置在可升空的气球中。

具体地，气球在天空漂浮依靠的是浮力，只要气球不破，AIS就能继续执行预警。而基站和其他飞行器执行空中预警时，需要周期性补充燃料、水、电、人等资源。在补充资源的同时可能会导致某一时段，无法完成预警工作。此外，相对于地面，天空中障碍物稀少，极大提高了预警的便利性。正因为如此，本发明选择以气球为载体进行空中预警。

飞行器之间进行无线电通信主要依赖于视距传播，而视距传播的距离最多不超够50km，对于辽阔的天空而言，50km显然不足以进行全区域预警。因此，在本发明实施例中，选用AIS作为预警系统，使得预警范围扩展至1000km以上。同时雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时预警的能力。

然而，AIS系统只能通过接收其他飞行器的数据(第一位置数据)来确定飞行器的位置。也就是AIS无法主动地对飞行器进行主动预警，为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种空天球载AIS预警方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、基于空天球载AIS系统接收飞行器发送的飞行器数据。

在本发明实施例中，空天球载AIS实时接收其他飞行器在飞行过程中飞行器信息，包括其他飞行器的身份识别号及位置信息，即其他飞行器在飞行过程中主动向空天球载AIS分享其身份识别号及位置信息(坐标、方位角等)。由于空天环境中，飞行器数量非常多，且存在部分区域密集的现象，空天中的所有的飞行器发射自身的身份识别号及位置信号时必须遵守SOTDMA入网模式，保证不同的飞行器不抢占同一发射信道时隙，提高空天球载AIS装置的接收概率。

空天球载AIS系统接收到多个飞行器发送的飞行器数据，为了便于后续处理，空天球载AIS系统对不同的飞行器分别建立不同的位置索引表，以便区分和进一步处理。

步骤2、根据飞行器数据，确定飞行器的第一位置数据。

在本发明实施例中，第一位置数据可以为某一个时刻飞行器的坐标，也可以是某一时段飞行器的飞行轨迹。针对一个飞行器，确定第一位置数据的过程为：

步骤a、连续接收飞行器的至少四个坐标。

步骤b、确定上述至少四个坐标是否准确。

气球的工作环境存在电磁干扰，会导致接收到的飞行数据存在错误数据，从而影响第一数据的准确性。飞行器在飞行过程中，其飞行惯性使得飞行器很难在极短的时间内改变飞行轨迹，因此可通过相邻多个位置信息之间变化率来确定异常信息。基于此，本发明先通过“四点法”排出错误数据，再根据校正后的飞行数据确定第一位置数据。

“四点法”的具体过程如图1所示，

根据坐标的接收时间，依次确定四个相邻的坐标P1、P2、P3和P4，其中，P1为最早接收的坐标。

分别计算P2、P3和P4相对于P1的位置变化率，分别得到X1、X2和X3。以三维坐标为例：

当X1、X2和X3具有单调性或相等时，确定P2、P3和P4坐标准确。

当X1、X2和X3不具有单调性且不相等时，获取飞行器的标准航迹数据。

在本发明实施例中，X1、X2和X3具有单调性是指X1<X2<X3或者X1>X2>X3。通常情况下飞行器的起点、目的地和航线都是记录在数据库中，因此当X1、X2和X3不具有单调性且不相等时，可以根据飞行器的身份识别号从数据库中获取该飞行器的标准航迹数据，之后确定偏离标准航迹数据最大的点为数据异常点。

在本发明实施例中，在确定数据异常之后，删除数据异常点的坐标。

需要说明的是，在实际运用时可以对接收到的坐标进行实时检测，也可以非实时检测。

对于非实时检测，执行以下操作：

A1.根据坐标的接收顺序，依次在至少四个坐标中确定基准坐标。

在本发明实施例中，通常以起始点坐标作为第一基准坐标。

A2.确定与基准坐标时间间隔最短的三个点为待测试坐标；

A3.分别确定待测试坐标相对于基准坐标的位置变化；

A4.根据位置变化，确定三个待测试坐标是否准确；

A5.确认待测试坐标错误时，删除错误的待测试坐标；

A6.重复A1-A5直至完成对至少四个坐标准确性的检测。

对于实时检测，执行以下操作：

当确定接收到四个坐标时，以最先接到坐标为基准坐标，并开始执行A2-A5；

之后，每接收到一个新坐标时，根据接收顺序，针对最后接收到的四个坐标执行A1-A6。

步骤c、当至少四个坐标准确时，根据至少四个坐标，确定飞行器的航迹数据。

在本发明实施例中，通过B样条拟合方式拟合接收到所有的坐标，以得到航迹数据。具体地，确定控制点集C＝[C1，C2，……，Cm]T，并获得B样条次数和规范B样条基函数，构造非均匀递增的节点向量。对于飞行器在飞行过程中的一条轨迹，都可以通过B样条的一个控制点集C描述，并进行B样条的节点向量NodeVector计算，计算输入参数：n+1个控制点数，k次B样条。一般地，n和k二者取值越大，曲线拟合误差越小，但计算复杂度和存储空间占用越大。本实施例中，n取8，k取4。需要说明的是，在对接收到的坐标进行实时检测时，每确认一个正确的坐标，即对该坐标进行B样条拟合。

步骤d、根据航迹数据，确定第一位置数据。

在本发明实施例中，航迹数据为相应飞行器的运行轨迹，第一位置数据为运行轨迹上的一个点或一段轨迹。

步骤3、采集所述飞行器的第二位置数据。

在本发明实施例中，采集的第二位置数据包括：一次雷达探测数据、二次雷达探测数据、标准航迹数据和ADS-B数据中的一个或多个。需要说明的是，标准航迹数据包括：飞行器的起点、目的地和航线。通常情况下飞行器的起点、目的地和航线都是记录在数据库中，在进行空中预警时，根据AIS接收到身份识别信息，通过相应的数据库查找标准航迹数据。

步骤4、对第一位置数据和第二位置数据进行数据融合，确定飞行器的位置置信度。

在本发明实施例中，针对同一时段或同一时刻的第一位置数据和第二位置数据，根据第一位置数据，确定飞行器的第一距离和第一方位。根据第二位置数据，确定飞行器的至少一个第二距离和飞行器的至少一个第二方位，其中第二距离和第二方位一一对应。需要说明的是，在本发明实施例中，为了便于对同一时段或同一时刻的第一位置数据和第二数据进行融合，在生成航迹数据的同时，还生成时间戳。进行数据融合时只要根据预设的时间戳，获取第二位置数据。

以下述公式，分别确定第一距离、第一方位、各第二距离和各第二方位的权重，以及第一位置数据和第二位置数据的置信度占比。

最后根据权重和置信度占比，确定飞行器的位置置信度。

需要说明的是，本发明确定位置置信度借助的数据方法包括但不限于飞行器与空天球载间距离数据融合和方位数据融合，还可以是距离融合和移动速度融合或者距离融合、方位融合和移动速度融合。此外，对于沿预设轨道飞行的气球，在进行距离融合时，AIS实时通过卫星获取其自身的位置信息。

具体地，采用主次因子分析法，选取一次雷达、二次雷达和ADS-B作为探测方式，并且将置信度百分比进行合理分配。

设基于AIS系统获得的距离(第一距离)、方位(第一方位)分别为x_aisdis,x_aisdir，置信度占比P_ais；

基于一次雷达探测系统获得的距离(第二距离)、方位(第二方位)分别为x_r0dis,x_r0dir，置信度占比P_r0；

基于二次雷达探测系统获得的距离(第二距离)、方位(第二方位)分别为x_r1dis,x_r1dir，置信度占比P_r1；

基于ADS-B系统获得的距离(第二距离)、方位(第二方位)分别为x_adsdis,x_adsdir，置信度占比P_ads；

考虑到，测距精度会随着距离越远越差，方位精度也越远越差。采用自定义分段函数来表征融合后的置信度P。

本实施例中，当一次雷达测距距离≤1000km时约束条件为：

P＝P_ais*(x_aisdis*0.7+x_aisdir*0.3)+P_r0*(x_r0dis*0.7+x_r0dir*0.3)+P_r1*(x_r1dis*0.7+x_r1dir*0.3)+P_ads*(x_adsdis*0.7+x_adsdir*0.3)

当一次雷达测距距离﹥1000km时约束条件为：

P＝P_ais*(x_aisdis*0.9+x_aisdir*0.1)+P_r0*(x_r0dis*0.9+x_r0dir*0.1)+P_r1*(x_r1dis*0.9+x_r1dir*0.1)+P_ads*(x_adsdis*0.9+x_adsdir*0.1)

需要说明的是，在计算置信度P的各公式中，各个数据中的距离和方位为前述的权重。权重系数为根据工程经验设定的。

步骤5、在所述位置置信度没有达到预设值时，发出警报。

在本发明实施例中，置信度的预设值为80％，即当置信度不足80％时，确定相应的飞行器异常，并发出警报。其中，飞行器异常包括：飞行偏离预设航线，超预期速度飞行和速度忽快忽慢。

在本发明实施例中，为了便于对同一时段或同一时刻的第一位置数据和第二数据进行融合，在生成航迹数据的同时，还生成时间戳。并将时间戳、飞行器的标识(身份识别号)和航迹数据按照表1的格式进行存储：

表1数据存储格式

序号	时间戳	身份识别号	航迹数据
				id..001	2021042412010245.999.58	123456789	XXXXXXXXXXXXX0
id..002	2021042412010246.599.58	123456789	XXXXXXXXXXXXX1

在本发明实施例中，空天球载的AIS还可以将表1中的数据发送给地面基站和服务器。但是由于电磁干扰，服务器或地面基站接收到航迹数据可能会与表1中的航迹数据不一致。在本发明实施例中，服务器或地面基站通过异或校验对接收到数据进行校验，以防止接收到数据出现错误。

具体地，生成航迹数据的异或校验码，异或校验码用于校验航迹数据是否发生变动。将航迹数据、异或校验码、飞行器的标识和航迹数据对应的时间戳对应存储。在接收到服务器发送的数据请求时，将异或校验码、航迹数据、飞行器的标识和航迹数据对应的时间戳发送给服务器或地面基站。如此，服务器或地面基站可以对航迹数据进行异或操作得到异或值，再与接收到的异或校验码进行比对，如果相同，确定接收到航迹数据没有变动，否则确定航迹数据发生变动。

此外，基于AIS系统本发明实施例还可以根据飞行器的身份号，对飞行器进行检测，进而实现预警。具体地，飞行器的身份识别号通常存储在预置的数据库中。从相应的数据库调取飞行器的身份识别号。接收飞行器发送的身份识别号，并根据从数据库获取到的身份识别号对其进行校验。当确定当前身份识别号预先存在于数据库时，给当前身份识别号设置第一标识；当确定当前身份识别号没有预先存在于数据库时，给当前身份识别号设置第二标识。其中，第一标识和第二标识不同，但两者均为图片、颜色、文字和符号中的一个或多个。

本发明还提供了一种空天球载AIS预警装置，如图3所示，包括：AIS系统301、数据处理模块302、采集模块303、置信度计算模块304和报警模块305；

AIS系统301用于接收飞行器发送的飞行器数据。

数据处理模块302用于确定飞行器的第一位置数据。

采集模块303用于采集飞行器的第二位置数据。

置信度计算模块304用于对第一位置数据和第二位置数据进行数据融合，确定飞行器的位置置信度。

报警模块305用于在位置置信度没有达到预设值时，发出警报。

图3中的预警装置设置在气球上，气球可以悬浮在指定的空域中。该气球可以用于载人。

如图4所示，本发明另一实施例还提供了执行上述实施例预警方法的电子设备。该电子设备包括：

一个或多个处理器401以及存储器402，图4中以一个处理器401为例。

存储器402作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本发明的实施例中的表1中的数据。处理器401通过运行存储在存储器402中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的预警方法。

存储器402可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储获取的应用程序的提醒事项的数量信息等。此外，存储器402可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。

上述产品可执行本发明的实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明的实施例所提供的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种空天球载AIS预警方法，其特征在于，包括：

基于空天球载AIS系统接收飞行器发送的飞行器数据，包括坐标；

根据所述飞行器数据，确定飞行器的第一位置数据，包括：针对一个所述飞行器，连续接收所述飞行器的至少四个坐标；确定所述至少四个坐标是否准确；当所述至少四个坐标准确时，根据所述至少四个坐标，确定所述飞行器的航迹数据；根据所述航迹数据，确定所述第一位置数据；其中，所述确定所述至少四个坐标是否准确包括四点法：根据所述坐标的接收时间，依次确定四个相邻的坐标P1、P2、P3和P4，其中，P1为最早接收的坐标；分别计算P2、P3和P4相对于P1的位置变化率，分别得到X1、X2和X3；当X1、X2和X3具有单调性或相等时，确定P2、P3和P4坐标准确；当X1、X2和X3不具有单调性且不相等时，获取飞行器的标准航迹数据；确定偏离所述标准航迹数据最大的点为数据异常点；

采集所述飞行器的第二位置数据；

对所述第一位置数据和所述第二位置数据进行数据融合，确定所述飞行器的位置置信度，包括，根据第一位置数据，确定飞行器的第一距离和第一方位，根据第二位置数据，确定飞行器的至少一个第二距离和飞行器的至少一个第二方位，然后根据下述公式确定出第一距离、第一方位、各第二距离和各述第二方位的权重，以及第一位置数据和第二位置数据的置信度占比：

根据权重和置信度占比，确定飞行器的位置置信度；其中，所述第一位置数据和所述第二位置数据处于同一时段或同一时刻；

在所述位置置信度没有达到预设值时，发出警报。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述确定所述至少四个坐标是否准确包括实时检测：

A1.根据所述坐标的接收顺序，依次在所述至少四个坐标中确定基准坐标；

A2.确定与所述基准坐标时间间隔最短的三个点为待测试坐标；

A3.分别确定所述待测试坐标相对于所述基准坐标的位置变化；

A4.根据所述位置变化，确定三个待测试坐标是否准确；

A5.确认待测试坐标错误时，删除错误的待测试坐标；

A6.重复A1-A5直至完成对所述至少四个坐标准确性的检测。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述确定所述至少四个坐标是否准确包括非实时检测：

当确定接收到四个所述坐标时，以最先接到坐标为基准坐标，并开始执行A2-A5；

之后，每接收到一个新坐标时，根据接收顺序，针对最后接收到的四个坐标执行A1-A6。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述确定所述飞行器的航迹数据之后，所述方法还包括：

生成所述航迹数据的异或校验码，所述异或校验码用于校验所述航迹数据是否发生变动；

将所述航迹数据、所述异或校验码、所述飞行器的标识和所述航迹数据对应的时间戳对应存储；

在接收到服务器发送的数据请求时，将所述异或校验码、所述航迹数据、所述飞行器的标识和所述航迹数据对应的时间戳发送给服务器或地面基站。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，

所述第二位置数据包括：一次雷达探测数据、二次雷达探测数据、标准航迹数据和ADS-B数据中的一个或多个。

6.一种空天球载AIS预警装置，用以实现权利要求1-5任一项所述空天球载AIS预警方法，其特征在于，包括：AIS系统、数据处理模块、采集模块、置信度计算模块和报警模块；

所述AIS系统用于接收飞行器发送的飞行器数据；

所述数据处理模块用于确定所述飞行器的第一位置数据；

所述采集模块用于采集所述飞行器的第二位置数据；

所述置信度计算模块用于对所述第一位置数据和所述第二位置数据进行数据融合，确定所述飞行器的位置置信度；

所述报警模块用于在所述位置置信度没有达到预设值时，发出警报。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置设置在气球上，所述气球悬浮在指定的空域中。

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