【摘要】：為保障沿海航行安全,國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)已明確建議船舶應配備天基和陸基雙備份的定位導航系統(tǒng)。船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)是 IMO 的人命安全公約(International Convention for Safety of Life at Sea,SOLAS)強制船舶裝備的導航系統(tǒng),其位置信息依賴于內嵌的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)芯片。一旦GNSS信號失效,將會導致AIS癱瘓,嚴重威脅船舶安全。因此,在國際航標協(xié)會(The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities,IALA)的世界無線電導航計劃中,已呼吁各成員國積極研究基于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源于三個方面,包括參考臺發(fā)射系統(tǒng)部分、信號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,信道傳播媒質對信號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)的傳播路徑比較復雜,因此對傳播路徑誤差的研究具有極大的挑戰(zhàn)性。定位信息的測量所依據(jù)的幾何參量主要是 TOA(Time of Arrival,TOA)和 TDOA(Time Difference of Arrival,TDOA)。由于AIS的本質是通信系統(tǒng),因此對于AIS信號的這些定位幾何參量測量的研究,目前尚未有可參考的成果,也未發(fā)現(xiàn)對這些定位幾何參量測量誤差研究的成果。為了使基于AIS岸站的陸基定位系統(tǒng)能夠成為世界認可的陸基無線電定位導航系統(tǒng),應首先突破解決傳播媒質對AIS信號傳播相速的影響,從而影響定位測量精度這一技術難點。本文在深入研究AIS信號傳播特性的基礎上,解析各徑信號的傳播特性,給出AIS信號附加二次相位因子(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預測算法,推導出ASF預測模型,并通過實測進行驗證。解決方案之二是ASF實時修正技術,設計并研制ASF實時修正系統(tǒng),并將該系統(tǒng)在基于AIS岸站的自主定位系統(tǒng)中進行實際驗證。因此,本研究內容主要有以下幾個方面:首先,針對AIS信號在海面?zhèn)鞑ハ嗨偈軅鞑ッ劫|影響的問題,根據(jù)接收端接收到的多徑信號組成,分析影響各徑信號的因素,對傳播距離、海水溫度、鹽度、風速和浪高等環(huán)境條件下的AIS多徑信號相位和損耗進行分析和評估。在此基礎上,給出不同因素條件下AIS多徑信號海面?zhèn)鞑ヌ匦缘亩克惴?為AIS定位接收機的多徑信號抑制設計提供理論依據(jù),并為后續(xù)的AIS信號的ASF預測算法奠定基礎。其次,針對傳播媒質對AIS信號傳播相速的影響從而產(chǎn)生TOA測量誤差的問題,推導在光滑海面條件下AIS信號的ASF預測算法。利用AIS信號海面?zhèn)鞑ヌ匦?分析各徑信號的接收相位組成,并通過對接收信號相位分解重構,得到AIS信號的ASF預測算法,可用于定位誤差的模型修正。之后,針對極端天氣條件嚴重影響AIS信號定位精度的問題,提出粗糙海面條件下AIS信號的ASF預測理論模型。對各徑信號的接收相位進行理論推導與數(shù)值計算,在此基礎上,給出AIS信號在粗糙海面?zhèn)鞑r的ASF理論模型與實驗分析結果。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實時修正技術,給出了實時修正系統(tǒng)設計方案,并研制了實時修正系統(tǒng)。利用該實時修正系統(tǒng)監(jiān)測的傳播延時誤差對本文推導的ASF預測模型進行驗證。同時,在基于AIS岸站的AIS自主定位系統(tǒng)中,實際搭建了 ASF實時修正平臺。該平臺能夠實時監(jiān)測不同環(huán)境下收發(fā)設備之間的傳播延時誤差并播發(fā)ASF修正量,對定位接收機的原始測量值進行實時修正,提高了 AIS信號覆蓋海域的自主定位精度。綜上所述,本文提出的關于AIS自主定位系統(tǒng)傳播路徑誤差與修正技術研究,其研究成果對于提高AIS自主定位系統(tǒng)的定位精度具有重要的理論意義和實用價值,對國際上該系統(tǒng)的發(fā)展做出了一定的貢獻。
【學位授予單位】：大連海事大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U675.7
【圖文】：

對應的地心角，為接收點Ｂ到反射點Ｃ之間對應的地心角，r2和慫為入射角逡逑和反射角。＾＇為％對應的弧長，即ＡＲ。４為Ａ應對的弧長，即ＡＲ。分逡逑別為等效發(fā)射點到反射點和等效接收點到反射點的水平距離。根據(jù)圖２．２所示各逡逑參數(shù)之間的關系，推導修正收發(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逡逑因為Ｒ》＾，所以叫很小，故逡逑７２ＲＡ＇邐（２．４）逡逑１邋Ｋ邋＋邋Ａｈｔ逡逑－２６邋－逡逑

圖２．３邋ＡＩＳ信號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)逡逑射點和接收點。＾是ＡＩＳ信號傳播距離，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［９７］中對平面電磁波電場場強的表述，ＡＩＳ信號反射信號場強逡逑可表不為：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Ｆ）逡逑＇２逡逑－２８邋－逡逑

圖２．４光滑海面ＡＩＳ反射信號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的實驗結果討論數(shù)值變化特征：逡逑（１）邐ＡＩＳ反射信號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：2786118