AIS自主定位系统传播路径误差及修正技术研究

发布时间：2020-08-08 21:12

【摘要】：为保障沿海航行安全,国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)已明确建议船舶应配备天基和陆基双备份的定位导航系统。船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)是 IMO 的人命安全公约(International Convention for Safety of Life at Sea,SOLAS)强制船舶装备的导航系统,其位置信息依赖于内嵌的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)芯片。一旦GNSS信号失效,将会导致AIS瘫痪,严重威胁船舶安全。因此,在国际航标协会(The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities,IALA)的世界无线电导航计划中,已呼吁各成员国积极研究基于AIS岸站的陆基定位系统,即所谓的AIS自主定位系统。决定陆基定位系统定位精度的定位误差主要来源于三个方面,包括参考台发射系统部分、信号传播路径部分和接收系统部分。本文主要研究传播路径引起的定位误差对定位精度的影响。定位系统的定位信息产生于信道,信道传播媒质对信号传播相速的影响是引起传播路径误差的主要因素,而陆基定位系统的传播路径比较复杂,因此对传播路径误差的研究具有极大的挑战性。定位信息的测量所依据的几何参量主要是 TOA(Time of Arrival,TOA)和 TDOA(Time Difference of Arrival,TDOA)。由于AIS的本质是通信系统,因此对于AIS信号的这些定位几何参量测量的研究,目前尚未有可参考的成果,也未发现对这些定位几何参量测量误差研究的成果。为了使基于AIS岸站的陆基定位系统能够成为世界认可的陆基无线电定位导航系统,应首先突破解决传播媒质对AIS信号传播相速的影响,从而影响定位测量精度这一技术难点。本文在深入研究AIS信号传播特性的基础上,解析各径信号的传播特性,给出AIS信号附加二次相位因子(Additional Secondary Phase Factor,ASF)修正的两种解决方案。解决方案之一是模型修正,即研究ASF预测算法,推导出ASF预测模型,并通过实测进行验证。解决方案之二是ASF实时修正技术,设计并研制ASF实时修正系统,并将该系统在基于AIS岸站的自主定位系统中进行实际验证。因此,本研究内容主要有以下几个方面:首先,针对AIS信号在海面传播相速受传播媒质影响的问题,根据接收端接收到的多径信号组成,分析影响各径信号的因素,对传播距离、海水温度、盐度、风速和浪高等环境条件下的AIS多径信号相位和损耗进行分析和评估。在此基础上,给出不同因素条件下AIS多径信号海面传播特性的定量算法,为AIS定位接收机的多径信号抑制设计提供理论依据,并为后续的AIS信号的ASF预测算法奠定基础。其次,针对传播媒质对AIS信号传播相速的影响从而产生TOA测量误差的问题,推导在光滑海面条件下AIS信号的ASF预测算法。利用AIS信号海面传播特性,分析各径信号的接收相位组成,并通过对接收信号相位分解重构,得到AIS信号的ASF预测算法,可用于定位误差的模型修正。之后,针对极端天气条件严重影响AIS信号定位精度的问题,提出粗糙海面条件下AIS信号的ASF预测理论模型。对各径信号的接收相位进行理论推导与数值计算,在此基础上,给出AIS信号在粗糙海面传播时的ASF理论模型与实验分析结果。该模型定量研究了由环境因素引起的ASF误差特性,可以为恶劣海况条件下AIS高精度定位提供修正参量。最后,深入研究ASF实时修正技术,给出了实时修正系统设计方案,并研制了实时修正系统。利用该实时修正系统监测的传播延时误差对本文推导的ASF预测模型进行验证。同时,在基于AIS岸站的AIS自主定位系统中,实际搭建了 ASF实时修正平台。该平台能够实时监测不同环境下收发设备之间的传播延时误差并播发ASF修正量,对定位接收机的原始测量值进行实时修正,提高了 AIS信号覆盖海域的自主定位精度。综上所述,本文提出的关于AIS自主定位系统传播路径误差与修正技术研究,其研究成果对于提高AIS自主定位系统的定位精度具有重要的理论意义和实用价值,对国际上该系统的发展做出了一定的贡献。
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U675.7
【图文】：

几何图,射线,球形,反射点

对应的地心角，为接收点Ｂ到反射点Ｃ之间对应的地心角，r2和怂为入射角逡逑和反射角。＾＇为％对应的弧长，即ＡＲ。４为Ａ应对的弧长，即ＡＲ。分逡逑别为等效发射点到反射点和等效接收点到反射点的水平距离。根据图２．２所示各逡逑参数之间的关系，推导修正收发天线高度为［１２５］：逡逑ｋ邋＾ｈ－Ａ／ｚｆ逡逑＇邋１邋１邋（２．１）逡逑Ａｈｒ逡逑ｒｘ邋＝邋＾（Ｒ邋＋邋Ａ／？ｔ）２邋－Ｒ２邋＝邋＾２ＲＡｈｔ邋＋邋ＡＡｔ２逦（２．２）逡逑ｓｉｎＱ：ｉ邋＝邋Ｐ邋７＇ａ；逦（２．３）逡逑Ｒ邋＋邋Ａ／？ｔ逡逑因为Ｒ》＾，所以叫很小，故逡逑７２ＲＡ＇逦（２．４）逡逑１邋Ｋ邋＋邋Ａｈｔ逡逑－２６邋－逡逑

平面图,信号反射,平面图

图２．３邋ＡＩＳ信号反射传播平面图逡逑Ｆｉｇ．２．３邋Ｐｌａｎ邋ｏｆ邋ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ邋ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ邋ｆｏｒ邋ＡＩＳ邋ｓｉｇｎａｌ逡逑图２．３中，＆和均是修正后的收发天线高度，单位为ｍ。Ｔ和Ｒ分别为发逡逑射点和接收点。＾是ＡＩＳ信号传播距离，单位为ｋｍ。＾是直射路径，ｒ２为反射逡逑路径，＾为掠射角。根据图２．３中所示参数之间的关系，可得：逡逑ｒ２＾ｙｊ（ｈ；＋ｈ＇ｒ）２＋ｄ２逦（２．１０）逡逑ｈ：ｆ＋ｄ２逦（２．１１）逡逑■邋Ｋ＋Ｋ逡逑ｓｍ炉二逦．逦．、２逦７逦（２．１２）逡逑７（／ｚｔ＋／ｚｒ）邋＋＜ｉ逡逑ｄ逡逑ｃｏｓ邋＾＝逦＞逦９邋—逦（？邋１３）逡逑根据参考文献［９７］中对平面电磁波电场场强的表述，ＡＩＳ信号反射信号场强逡逑可表不为：逡逑ｅ＾邋＝邋Ｊ＾ｐ＿ｒ＾－ｉｋｒ２逡逑ｒ＼逦逦（２．１４）逡逑＝丨尸｜邋Ｖ６０切Ｃ－，２价Ｆ）逡逑＇２逡逑－２８邋－逡逑

光滑海面,反射信号,相位,影响因素

图２．４光滑海面ＡＩＳ反射信号相位随影响因素的变化图逡逑Ｆｉｇ．２．４邋Ｃｈａｎｇｉｎｇ邋ｉｎ邋ｐｈａｓｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＡＩＳ邋ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ邋ｓｉｇｎａｌ邋ｗｉｔｈ邋ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ邋ｆａｃｔｏｒｓ逡逑由表２．３和图２．４的实验结果讨论数值变化特征：逡逑（１）逦ＡＩＳ反射信号的相位随传播距离的增加而增加；逡逑（２）

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