【摘要】：為保障沿海航行安全,國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)已明確建議船舶應(yīng)配備天基和陸基雙備份的定位導(dǎo)航系統(tǒng)。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)是 IMO 的人命安全公約(International Convention for Safety of Life at Sea,SOLAS)強(qiáng)制船舶裝備的導(dǎo)航系統(tǒng),其位置信息依賴于內(nèi)嵌的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)芯片。一旦GNSS信號(hào)失效,將會(huì)導(dǎo)致AIS癱瘓,嚴(yán)重威脅船舶安全。因此,在國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)(The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities,IALA)的世界無(wú)線電導(dǎo)航計(jì)劃中,已呼吁各成員國(guó)積極研究基于AIS岸站的陸基定位系統(tǒng),即所謂的AIS自主定位系統(tǒng)。決定陸基定位系統(tǒng)定位精度的定位誤差主要來(lái)源于三個(gè)方面,包括參考臺(tái)發(fā)射系統(tǒng)部分、信號(hào)傳播路徑部分和接收系統(tǒng)部分。本文主要研究傳播路徑引起的定位誤差對(duì)定位精度的影響。定位系統(tǒng)的定位信息產(chǎn)生于信道,信道傳播媒質(zhì)對(duì)信號(hào)傳播相速的影響是引起傳播路徑誤差的主要因素,而陸基定位系統(tǒng)的傳播路徑比較復(fù)雜,因此對(duì)傳播路徑誤差的研究具有極大的挑戰(zhàn)性。定位信息的測(cè)量所依據(jù)的幾何參量主要是 TOA(Time of Arrival,TOA)和 TDOA(Time Difference of Arrival,TDOA)。由于AIS的本質(zhì)是通信系統(tǒng),因此對(duì)于AIS信號(hào)的這些定位幾何參量測(cè)量的研究,目前尚未有可參考的成果,也未發(fā)現(xiàn)對(duì)這些定位幾何參量測(cè)量誤差研究的成果。為了使基于AIS岸站的陸基定位系統(tǒng)能夠成為世界認(rèn)可的陸基無(wú)線電定位導(dǎo)航系統(tǒng),應(yīng)首先突破解決傳播媒質(zhì)對(duì)AIS信號(hào)傳播相速的影響,從而影響定位測(cè)量精度這一技術(shù)難點(diǎn)。本文在深入研究AIS信號(hào)傳播特性的基礎(chǔ)上,解析各徑信號(hào)的傳播特性,給出AIS信號(hào)附加二次相位因子(Additional Secondary Phase Factor,ASF)修正的兩種解決方案。解決方案之一是模型修正,即研究ASF預(yù)測(cè)算法,推導(dǎo)出ASF預(yù)測(cè)模型,并通過(guò)實(shí)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。解決方案之二是ASF實(shí)時(shí)修正技術(shù),設(shè)計(jì)并研制ASF實(shí)時(shí)修正系統(tǒng),并將該系統(tǒng)在基于AIS岸站的自主定位系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。因此,本研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方面:首先,針對(duì)AIS信號(hào)在海面?zhèn)鞑ハ嗨偈軅鞑ッ劫|(zhì)影響的問(wèn)題,根據(jù)接收端接收到的多徑信號(hào)組成,分析影響各徑信號(hào)的因素,對(duì)傳播距離、海水溫度、鹽度、風(fēng)速和浪高等環(huán)境條件下的AIS多徑信號(hào)相位和損耗進(jìn)行分析和評(píng)估。在此基礎(chǔ)上,給出不同因素條件下AIS多徑信號(hào)海面?zhèn)鞑ヌ匦缘亩克惴?為AIS定位接收機(jī)的多徑信號(hào)抑制設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),并為后續(xù)的AIS信號(hào)的ASF預(yù)測(cè)算法奠定基礎(chǔ)。其次,針對(duì)傳播媒質(zhì)對(duì)AIS信號(hào)傳播相速的影響從而產(chǎn)生TOA測(cè)量誤差的問(wèn)題,推導(dǎo)在光滑海面條件下AIS信號(hào)的ASF預(yù)測(cè)算法。利用AIS信號(hào)海面?zhèn)鞑ヌ匦?分析各徑信號(hào)的接收相位組成,并通過(guò)對(duì)接收信號(hào)相位分解重構(gòu),得到AIS信號(hào)的ASF預(yù)測(cè)算法,可用于定位誤差的模型修正。之后,針對(duì)極端天氣條件嚴(yán)重影響AIS信號(hào)定位精度的問(wèn)題,提出粗糙海面條件下AIS信號(hào)的ASF預(yù)測(cè)理論模型。對(duì)各徑信號(hào)的接收相位進(jìn)行理論推導(dǎo)與數(shù)值計(jì)算,在此基礎(chǔ)上,給出AIS信號(hào)在粗糙海面?zhèn)鞑r(shí)的ASF理論模型與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果。該模型定量研究了由環(huán)境因素引起的ASF誤差特性,可以為惡劣海況條件下AIS高精度定位提供修正參量。最后,深入研究ASF實(shí)時(shí)修正技術(shù),給出了實(shí)時(shí)修正系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并研制了實(shí)時(shí)修正系統(tǒng)。利用該實(shí)時(shí)修正系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的傳播延時(shí)誤差對(duì)本文推導(dǎo)的ASF預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí),在基于AIS岸站的AIS自主定位系統(tǒng)中,實(shí)際搭建了 ASF實(shí)時(shí)修正平臺(tái)。該平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)不同環(huán)境下收發(fā)設(shè)備之間的傳播延時(shí)誤差并播發(fā)ASF修正量,對(duì)定位接收機(jī)的原始測(cè)量值進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,提高了 AIS信號(hào)覆蓋海域的自主定位精度。綜上所述,本文提出的關(guān)于AIS自主定位系統(tǒng)傳播路徑誤差與修正技術(shù)研究,其研究成果對(duì)于提高AIS自主定位系統(tǒng)的定位精度具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值,對(duì)國(guó)際上該系統(tǒng)的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U675.7
【圖文】：

對(duì)應(yīng)的地心角，為接收點(diǎn)Ｂ到反射點(diǎn)Ｃ之間對(duì)應(yīng)的地心角，r2和慫為入射角逡逑和反射角。＾＇為％對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)，即ＡＲ。４為Ａ應(yīng)對(duì)的弧長(zhǎng)，即ＡＲ。分逡逑別為等效發(fā)射點(diǎn)到反射點(diǎn)和等效接收點(diǎn)到反射點(diǎn)的水平距離。根據(jù)圖２．２所示各逡逑參數(shù)之間的關(guān)系，推導(dǎo)修正收發(fā)天線高度為［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邐（２．２）逡逑ｓｉｎＱ：ｉ邋＝邋Ｐ邋７＇ａ；邐（２．３）逡逑Ｒ邋＋邋Ａ／？ｔ逡逑因?yàn)椋摇罚�，所以叫很小，故逡逑７２ＲＡ＇邐（２．４）逡逑１邋Ｋ邋＋邋Ａｈｔ逡逑－２６邋－逡�?

圖２．３邋ＡＩＳ信號(hào)反射傳播平面圖逡逑Ｆｉｇ．２．３邋Ｐｌａｎ邋ｏｆ邋ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ邋ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ邋ｆｏｒ邋ＡＩＳ邋ｓｉｇｎａｌ逡逑圖２．３中，＆和均是修正后的收發(fā)天線高度，單位為ｍ。Ｔ和Ｒ分別為發(fā)逡逑射點(diǎn)和接收點(diǎn)。＾是ＡＩＳ信號(hào)傳播距離，單位為ｋｍ。＾是直射路徑，ｒ２為反射逡逑路徑，＾為掠射角。根據(jù)圖２．３中所示參數(shù)之間的關(guān)系，可得：逡逑ｒ２＾ｙｊ（ｈ；＋ｈ＇ｒ）２＋ｄ２邐（２．１０）逡逑ｈ：ｆ＋ｄ２邐（２．１１）逡逑■邋Ｋ＋Ｋ逡逑ｓｍ爐二邐．邐．、２邐７邐（２．１２）逡逑７（／ｚｔ＋／ｚｒ）邋＋＜ｉ逡逑ｄ逡逑ｃｏｓ邋＾＝邐＞邐９邋—邐（？邋１３）逡逑根據(jù)參考文獻(xiàn)［９７］中對(duì)平面電磁波電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的表述，ＡＩＳ信號(hào)反射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)逡逑可表不為：逡逑ｅ＾邋＝邋Ｊ＾ｐ＿ｒ＾－ｉｋｒ２逡逑ｒ＼邐邐（２．１４）逡逑＝丨尸｜邋Ｖ６０切Ｃ－，２價(jià)Ｆ）逡逑＇２逡逑－２８邋－逡逑

圖２．４光滑海面ＡＩＳ反射信號(hào)相位隨影響因素的變化圖逡逑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和圖２．４的實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論數(shù)值變化特征：逡逑（１）邐ＡＩＳ反射信號(hào)的相位隨傳播距離的增加而增加；逡逑（２）

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本文編號(hào)：2786118