基于ais信息的舰船位置标校方法-任文娟.pdf
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1、第38卷 第10期 系统工程与电子技术 v0138 No102016年10月 Systems Engineering and Electronics October 2016文章编号:1001506X(2016)10238108 网址:wwwsyselecorn基于AIS信息的舰船位置标校方法任文娟12,周志鑫2,吕守业2,师栋锋2(1ee国科学院电子学研究所,北京100190;2北京遥感信息研究所,北京100854;3中国科学院空间信息处理与应用系统技术重点实验室,北京100190)摘 要:为了提高时差型卫星定位系统对舰船的定位精度,提出了一种基于船舶自动识别系统(automaticiden
2、tification system,AIS)信息的舰船位置标校方法,该方法将具有AIS信息的民船作为标校源对军舰位置进行校正。首先,针对AIS信息无法直接用于位置标校的问题,提出了标校源雷达位置及其误差估计方法;其次,针对标校源雷达位置存在的误差,建立了标校方法的误差分析模型和标校源有效性分析方法,理论分析了标校定位精度及其改善程度,为标校源的选择提供了依据。最后,仿真分析验证了提出的标校方法的有效性。关键词:自动识别系统时差;时差型卫星定位系统;标校;定位精度;误差分析中图分类号:TN 971+1 文献标志码:A DOI:103969jissn1001-506X20161023Positio
3、n calibration technique of ship based on information of AISREN Wenjuanl,2,3,ZHOU Zhixin2,LU Shouye2,SHI Dongfen92(1Institute of Electronics,ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100190,China;2Beijing Institute of RemoteSensing,Beij ing 1 00854,China;3Key Laboratory of Technology in GEO-Spatial Informat
4、ion Processing andApplication System,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)Abstract:To improve the position accuracy of ship in the satellite location system of time difference of arrival(TDOA),a technique of position calibration based on information of automatic identification system(AIS
5、)isproposedThe warship position can be calibrated by the ship with AIS information acting as a reference sourcein the methodFirstly,because the position in AIS information cannot be used to calibrate immediately,themethod for estimating the radar position of reference source and the error of radar p
6、osition is raisedSecondly,aiming at the error of reference source position,the model of error analysis and the analysis method for the validity of reference source are found,the calibration accuracy and the capability of improving on position accuracyare analyzed in theory,by which a reference sourc
7、e can be selectedFinally,the validity of the new technique istested through simulation,Keywords:automatic identification system(AIS);time difference of arrival(TDOA);satellite locationsystem of TDOA;calibration;position accuracy;error analysis0 引 言时差型卫星定位系统由3颗中低轨卫星编队组成,采用时差定位体制,利用辐射源到达3颗卫星的两个时差双曲面和地
8、球椭球面相交,对地(海)面目标进行即时定位。时差型卫星定位系统在海洋监视上具有空域、时域覆盖范围广等优势,得到了广泛的研究和应用。定位精度是定位系统的重要性能指标,由于时差等参数的测量精度仍较低,时差型卫星定位系统的定位精度较低,制约了定位信息的有效应用,因此提高定位精度就成为一个关键问题6。1“。除了研究时间精确测量方法、目标位置精确定位算法呻。“,还有学者提出和研究了位置标校方法,用来提高目标定位精度。文献123分析了系统误差和随机误差对定位精度的影响,指出时差和辅星相对位置的系统误差是影响定位精度的主要因素。文献133针对时差的系统误差引起的定位误差,提出了基于单参考源的位置校正方法。文
9、献14针对时差和辅星相对位置的系统误差引起的定位误差,提出了基于4个参考源的标校方法。但是上述文献提出的标校方法是基于地面上的固定标校源,只能对距离标校源一定范围内的陆地目标或者近海岸目标进行标校,无法在全收稿日期:2014一1104;修回日期:20151010;网络优先出版日期:20160307。网络优先出版地址:http:wwwcnkinetkcmsdetail112422TN201603071747004html基金项目:中国博士后科学基金(2012M521836)资助课题万方数据2382 系统工程与电子技术 第38卷球远海海域实现更大范围的舰船目标位置校正。近年来,随着船舶自动识别系统
10、(automatic identifieation system,AIS)口5。明在全球的推广使用,各国均大力发展AIS信号侦察系统,尤其是以航天器为平台的星载AIS信号侦察系统口“,并开展AIS信息与其他系统的融合处理研究1”j。AIS是船舶上的自动连续广播系统,它能在船舶和岸台间交换信息,而星载AIS信号侦察系统能够接收和解析AIS信号,从而获得民船的AIS信息,包括船舶准确的身份信息、高精度的位置信息等,这些信息对时差型卫星定位系统是有益的补充。将星载AIS信号侦察信息和时差型卫星定位信息进行融合处理,一方面,可以利用AIS信息识别筛选出民船,提高卫星定位系统军舰识别的效率和准确率;另一
11、方面,由于AIS信息中船舶位置精度可达米级口“,因此可以将具有AIS信息的民船作为标校源,对军舰的卫星定位位置进行标校,从而提高军舰的定位精度。本文将AIS信息引入时差型卫星定位系统,提出一种基于AIS信息的时差型卫星定位系统舰船位置标校方法,即首先将AIS信号侦察系统和时差型卫星定位系统获取的同一民船关联起来,然后将关联上AIS信息的民船作为标校源对军舰进行位置标校。本方法从全球海域客观存在的大量民船中选取标校源,实现了对全球海域军舰目标的位置标校。与基于地面固定标校源的标校方法相比,具有标校源选取方便、可标校范围大的优点。但是本方法的前提是,获取AIS信号侦察系统和时差型卫星定位系统同时相
12、数据,并实现同一民船目标的关联。在实际工程中,可以在时差型卫星定位系统卫星平台上搭载AIS侦察载荷,从而获取同时相数据,而目标关联的问题在本文中暂不考虑。除了使用前提,本方法还存在两个问题:一是AIS信息中船舶位置信息实际上是全球定位系统(global positioningsystem,GPS)天线的位置,它与船舶上辐射源位置存在偏差,不能直接用于位置标校,因此需要对标校源位置进行估计;另一方面,与具有准确位置的地面固定标校源不同,民船标校源位置存在误差,会影响标校方法的有效性,有效标校也会对标校源位置误差提出要求,因此需要对标校方法的误差进行分析。本文针对上述两个问题展开研究,提出了标校源
13、位置的估计方法,并对估计误差进行了分析;建立了标校方法的误差分析模型,对标校源位置误差以及参数测量误差对标校效果的影响进行了全面分析,验证了本文方法的有效性;建立了标校源的有效性分析方法,为标校源的选择提供了依据。1舰船位置标校方法11 AIS与AIS信号侦察系统概述近年来,为了进一步提高船舶航行的安全性和效率,AIS应运而生。随着AIS的技术发展和广泛应用,AIS信号侦察技术也快速发展,并成为广域民船监测的有效手段n51“。AIS是采用专用国际频道、自组织时分多址的自动连续广播系统,它自动向邻近的船舶和岸台播发本船信息,包含静、动态信息和与航次有关的信息及安全信息。其中,静态信息中包括船舶的
14、长和宽、定位仪天线在船舶上安装的相对位置等信息;动态信息包括船舶位置、航向、航速等信息。需要指明的是,AIS播发的船位信息主要来源于船舶上的GPS或差分全球定位系统(differential GPS,DGPS)的定位信息,该定位信息是GPS天线的位置,静态信息中给出了定位仪天线在船舶上安装的相对位置信息,包括GPS天线距离船舶首、尾及左、右船舷的距离。采用DGPS的定位精度优于10 m,采用GPS的定位精度为1020 m。可见,民船上装有GPS和AIS,其中GPS获得民船自身位置,AIS对外广播自身位置。而AIS信号侦察系统是对AIS信号进行侦察的系统,通过侦获、解析AIS信号从而获得民船位置
15、。由于AIS信息中船舶位置指的是GPS天线位置,因此AIS信号侦察系统获得的也是船舶GPS天线的位置。12舰船位置标校流程对于既安装了雷达、又安装了AIS的民船,依据时空及身份属性特征,可以将AIS信号侦察系统和时差型卫星定位系统对同一民船的侦察定位结果关联起来,该民船可以作为已知位置的标校源,对其他军舰的卫星定位系统的定位结果进行标校,提高时差型卫星定位系统的舰船定位精度。由于AIS信号侦察系统获得的是民船上GPS天线的位置,而时差型卫星定位系统获得的是民船上雷达的位置,因此将t时刻AIS信号侦察系统获得的民船位置记为P“zscrs,时差型卫星定位系统获得的同一民船的位置记为P。DOA-r。
16、“,民船上雷达的真实位置记为P。对于放置在地面上的雷达标校源,可以获得其准确的位置信息。然而对于民船标校源,PA,。,。并不是标校源上雷达的位置,因此民船标校源位置PA。scrs具有系统误差和随机误差,系统误差为船舶GPS天线与雷达之问的固定位置偏差,随机误差主要为GPS设备的定位误差。为了尽量减小民船标校源位置的系统误差,需要首先根据P。,。得到标校源上雷达的位置估计值P:。,然后将P三。作为民船标校源位置对军舰进行位置标校。综上所述,基于AIS信息的时差型卫星定位系统舰船位置校正的基本流程如图1所示。图1 基于AIS信息的舰船位置校正方法流程图Fig1 Flow chart of the
17、position calibration technique ofship based on information of AIS万方数据第10期 任文娟等:基于AIS信息的舰船位置标校方法 238313标校源雷达位置及其系统误差估计下面讨论基于AIS信息的P三。估计方法和估计误差。由于船舶上雷达安装位置未知,为了P二。的最大系统误差最小,将船舶的中心位置作为雷达位置P二如,。根据AIS信息中的民船位置信息P。,。和静态信息中GPS天线的位置,可以计算出船舶中心位置,即P:栅。根据静态信息中的船长和船宽,可以估计P:。的最大系统误差。假设GPS天线位置PA。以及船舶中心位置P:。,如图2所示。
18、从AIS信息中可知,GPS天线离船首、船尾、左船舷、右船舷的距离分别为“、l,、l,、z,船舶的船首向为0。在以P。Ps为原点的地理坐标系中,船舶上GPS天线与船舶中心的位置关系如图3所示。P:。的坐标(z。y)为T一孚再t可si删叫一lh-:l,sin 0-孚cos一 y一孚再巧刚叫=孚cos口+孚s枷最大系误差GPS天线的安装位置Posilion of GPS anten图3地理坐标系下的位置关系Fig3 Position relation under geographical coordinates基于PA。的经纬度位置,将(z,y)转换到大地坐标系下,即得到P三。的经纬度位置。由图2可
19、知,珲“,的最大系 1一统误差为(厶+t)2+(z,+z,)2。以长300 m、宽100 In的船舶为例,则民船标校源位置的最大系统误差约为158 m。14基于单船舶标校源的舰船位置标校算法文献12指出,时差和辅星相对位置的系统误差是影响时差型卫星定位系统定位精度的主要因素。采用高精度卫星导航时,由卫星位置误差引起的定位误差可以忽略,如何消除时差的系统误差对定位精度的影响成为重点需要解决的问题。因此,在本文中只研究基于单个民船标校源的舰船位置标校算法。假设某一时刻卫星位置为S一五,Yl,薯7(io,1,2),待标校的军舰位置为X一z,Y,z7,民船标校源位置为P=I-x。,Y,鄂7。军舰到达主
20、星和两个辅星的时间差测量值分别为岔。和血。,民船标校源到达主星和两个辅星的时间差测量值分别为出j和出:,则有fAtlAtl,十dl十岔lJf2一f2r+如+文2 (2)f 、u,At 7lAt 7l,+l+税lIAt 7 2一At7 z,+艿7 2+a 2式中,出,为舰船到达主星和辅星1的真实时间差;8。为到达时间的随机测量噪声;哉,为主星和辅星1的时钟同步误差,其他参数含义与之类似。在短时间内,可以认为出。和岔所包含的时钟同步误差相同,f:和f;所包含的时钟同步误差相同。用&l一出j、At:一Ate2,可得J AtlAt 7lAtl,一f 7I,+艿l一占1 (3)1f2一At2一At 2,
21、一At72,+乱一2从式(3)中可见,利用标校源的时差测量值可以消除军舰的时差测量值中的时钟同步误差。对应式(3)两个观测量的观测方程,结合地球椭球方程,形成待标校军舰的定位方程组:f(|S。一x|一|s0一x|1)c(|SlP|一|S。一P|1)cAtlAt7l(|I s:一x|一|sox Jf)f一 (4)(|s:一P I|一|s0一P|)cAt2一At 7:IT2+y2+z2(1一P2)一口2式中,f为电磁波传播速率;“为地球长半轴;e为第一偏心率。式(4)又可写为f|s,一x|一|sox|一At一f7。一(|s。一P II一|soP|)c3c1|S。一X|j一|s。一x|一At:一出7
22、。一(|s:一P J|一I|s。一P J)ffI丁2十y2+z2(1一e2)=a2(5)相比较时差型卫星定位系统的目标定位方程u,标校定位实现了对时差系统误差的修正。采用基于一阶泰勒展开的牛顿迭代方法7 3对标校定位方程式(5)进行求解,初始值取时差型卫星定位结果,当前后两次定位结果的距离小于某个门限时停止迭代,即可得到待标校军舰的位置x。万方数据系统工程与电子技术 第38卷2舰船位置标校定位误差分析簪Cz Co叠;Co纛C二引Co盱dyxla ya 1:一 : cz,一 , z。一 : l ll 2 2 zn2(一P2)J Ld2Jrdd(c出&:l-一出At!;+l(cU嘞l一-IH!;:
23、蓑;:二:;:轰+降IT-COx Cly-C:Oy C一lz-量CCC C C C蚓dy0 dz7 2:一7。 72,一7。, 72。一c7。:l p (6)O 0 。I已一(bXi)r,。;岛一(一yi)r,。;&一(zpz;)。c2 ICz。一Co。C:,一Co, C。:一Co:B阵;。一r_善跫罢;一F:专罢l-C。一c7。,C 7。,一c7。,C 7。:一C7。:f一1 C,:,一c,。,C 7:,一C吣C:一C,。:lL- o o o J由式(7)可见,标校定位误差取决于两个方面:一是军舰与卫星的相对位置关系和标校源与卫星的相对位置关系(分别体现在C、D和d、D,上);二是测量误差,
24、包括时差误差,卫星位置误差和标校源位置误差(体现在dT、dT、dS和(伊上)。3个参数的误差包含系统误差和随机误差,其中系统误差引起定位固定偏差,随机误差引起定位随机偏差。(1)下面分析时差误差对定位误差的影响。假设标校源位置误差和卫星位置误差都为0,此时dX=C-1B(drdT),可见时差的系统误差已经抵消,只存在时差的随机误差。标校定位误差不受标校源位置的影响,仅和军舰与卫星的相对位置关系有关。设到达时间的随机误差服从正态分布,均值为0,方差为Z,则时间差的随机误差也服从正态分布,且均值为0,方差为2Z,两个时差的相关系数为05。则时差测量误差的协方差矩阵为R=E(dTdr)(dTdT)7
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