基于星载AIS系统的船舶定位研究

发布时间：2020-08-13 02:27

【摘要】：船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)是一个旨在保障海事安全,提高海事效率的助航系统,星载AIS利用搭载在低轨卫星上的AIS接收机可以接收大范围,乃至全球范围内的船舶AIS信号,实现其对海上交通的全天候、长距离、多方位的监管,保障船舶的海上航行安全。但AIS系统的正常工作需要在全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的协助下进行,当GNSS设备发生故障时,船舶将无法获悉船位所在,航行安全也将受到威胁。本文针对船舶GNSS设备失灵或信号受到干扰而无法定位的场景,提出了基于星载AIS系统的船舶定位方案。(1)通过卫星监测目标船舶的AIS信号,进而构建测频时差联合定位模型,然后结合船舶在与星载AIS的可视时间内位置变化不大的特点,将基于卡尔曼滤波预测得到的船位矢量作为新的测量矢量加入到测频时差联合定位模型中,构造改进的定位模型。在最小二乘估计基础上,采用网格搜索与高斯牛顿迭代相结合的方法进行定位解算。仿真实验结果表明,处在相同环境下,改进模型定位盲点要少于测频时差定位盲点,改进模型定位误差通常要远小于测频时差定位误差。(2)结合船舶的历史航行状态,提出应用交互式多模型(Interacting Multiple Model,IMM)算法进行船舶的定位解算,此外,考虑到扩展卡尔曼滤波鲁棒性较差,在对单一模型下的船舶状态进行估计时,在IMM的滤波阶段引入了期望最大(Expectation Maximization,EM)算法。实验结果表明,无论船舶航行轨迹近似为直线还是曲线,EM-IMM定位解算在整体上的稳定性及精确度上都要优于IMM算法。(3)利用卫星发射的下行AIS信号对船舶进行定位,研究了基于IMM算法的时差频差改进型船舶自主定位模型,并对IMM算法中的传统概率更新方式进行了改进。仿真实验分别分析了在有、无历史船位作参考的情况下,时差频差模型及其改进模型的定位效果。结果表明改进模型下的船舶自主定位有较好的准确度和可靠性。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U675.7
【图文】：

网格图,网格,船舶,测频

的新网格图 3-2 网格搜索结果上图中，图3-2(a)中确定出的最优位置网格点为 27E,127N ，再此基础上，图3-2(b)得到的搜索结果为 26.9E,127.6N 。从图 3-2 可以看出，船舶所处位置附近出现代价函数的峰值，通过网格搜索的方式可以粗略确定出船舶位置，以此作为定位过程的迭代初始值是可行的。3.2 基于卡尔曼滤波的测频时差改进型定位由网格搜索选定的初始位置矢量对船舶定位精度有很大影响。本节中，通过网格搜索获得的船舶初始位置被当作了观测向量，采用卡尔曼滤波算法以卫星运行轨迹的星下点中点作为船舶初始状态先进行初步位置预测，然后将预测得到的位置作为测量矢量加入到测频时差定位模型中，建立改进定位模型。定义目标船舶状态向量为：( ) [ ( )

时差定位,测频,误差分布,时间间隔

定位误差分布均是在接收AIS信号个数 M 3的仿真实验条件下进行的。在图3-3中，卫星接收AIS信号间的时间间隔是相同的，都为30s。图3-4中卫星接收AIS信号间的时间间隔分别为 20s 和 60s 。从这两幅图可以看出，测频时差定位的精度等值曲线是基本关于卫星星下点轨迹两边成对称分布的，在只有少部分特定区域的定位误差可达到15km以内，由于定位平面与地球球面相切，在星下点轨迹延长线的整体带状区域存在定位盲区。此外，受地球球面引起误差的影响，星下点轨迹两侧的等值误差曲线近似为椭圆且随着椭圆的变大误差也在增大。图 3-3 时间间隔相同条件下的测频时差定位误差分布（单位：千米）

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图 3-4 时间间隔不同条件下的测频时差定位误差分布（单位：千米）显示了当定位误差为15km时，测频时差定位在不同状态的时间情况，从图中可以看出，如果卫星接收 AIS 信号之间的时间间持续时间越长，定位误差小于15km的区域越大，造成这种情况的增加，在不同时刻产生的定位平面和地球球面之间相交线的低。在接收信号的时间间隔不相等的情况下，从定位误差小于，时间间隔为 A 和 B（A <B）的覆盖范围大于时间间隔均为 A间隔均为 B 的覆盖范围，但若时间间隔都为 C（A<C <B），相同隔之间的比较结果则难以确定。

【参考文献】