【摘要】：船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)是一個(gè)旨在保障海事安全,提高海事效率的助航系統(tǒng),星載AIS利用搭載在低軌衛(wèi)星上的AIS接收機(jī)可以接收大范圍,乃至全球范圍內(nèi)的船舶AIS信號(hào),實(shí)現(xiàn)其對(duì)海上交通的全天候、長(zhǎng)距離、多方位的監(jiān)管,保障船舶的海上航行安全。但AIS系統(tǒng)的正常工作需要在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的協(xié)助下進(jìn)行,當(dāng)GNSS設(shè)備發(fā)生故障時(shí),船舶將無法獲悉船位所在,航行安全也將受到威脅。本文針對(duì)船舶GNSS設(shè)備失靈或信號(hào)受到干擾而無法定位的場(chǎng)景,提出了基于星載AIS系統(tǒng)的船舶定位方案。(1)通過衛(wèi)星監(jiān)測(cè)目標(biāo)船舶的AIS信號(hào),進(jìn)而構(gòu)建測(cè)頻時(shí)差聯(lián)合定位模型,然后結(jié)合船舶在與星載AIS的可視時(shí)間內(nèi)位置變化不大的特點(diǎn),將基于卡爾曼濾波預(yù)測(cè)得到的船位矢量作為新的測(cè)量矢量加入到測(cè)頻時(shí)差聯(lián)合定位模型中,構(gòu)造改進(jìn)的定位模型。在最小二乘估計(jì)基礎(chǔ)上,采用網(wǎng)格搜索與高斯牛頓迭代相結(jié)合的方法進(jìn)行定位解算。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,處在相同環(huán)境下,改進(jìn)模型定位盲點(diǎn)要少于測(cè)頻時(shí)差定位盲點(diǎn),改進(jìn)模型定位誤差通常要遠(yuǎn)小于測(cè)頻時(shí)差定位誤差。(2)結(jié)合船舶的歷史航行狀態(tài),提出應(yīng)用交互式多模型(Interacting Multiple Model,IMM)算法進(jìn)行船舶的定位解算,此外,考慮到擴(kuò)展卡爾曼濾波魯棒性較差,在對(duì)單一模型下的船舶狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)時(shí),在IMM的濾波階段引入了期望最大(Expectation Maximization,EM)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,無論船舶航行軌跡近似為直線還是曲線,EM-IMM定位解算在整體上的穩(wěn)定性及精確度上都要優(yōu)于IMM算法。(3)利用衛(wèi)星發(fā)射的下行AIS信號(hào)對(duì)船舶進(jìn)行定位,研究了基于IMM算法的時(shí)差頻差改進(jìn)型船舶自主定位模型,并對(duì)IMM算法中的傳統(tǒng)概率更新方式進(jìn)行了改進(jìn)。仿真實(shí)驗(yàn)分別分析了在有、無歷史船位作參考的情況下,時(shí)差頻差模型及其改進(jìn)模型的定位效果。結(jié)果表明改進(jìn)模型下的船舶自主定位有較好的準(zhǔn)確度和可靠性。
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U675.7
【圖文】：

的新網(wǎng)格圖 3-2 網(wǎng)格搜索結(jié)果上圖中，圖3-2(a)中確定出的最優(yōu)位置網(wǎng)格點(diǎn)為 27E,127N ，再此基礎(chǔ)上，圖3-2(b)得到的搜索結(jié)果為 26.9E,127.6N 。從圖 3-2 可以看出，船舶所處位置附近出現(xiàn)代價(jià)函數(shù)的峰值，通過網(wǎng)格搜索的方式可以粗略確定出船舶位置，以此作為定位過程的迭代初始值是可行的。3.2 基于卡爾曼濾波的測(cè)頻時(shí)差改進(jìn)型定位由網(wǎng)格搜索選定的初始位置矢量對(duì)船舶定位精度有很大影響。本節(jié)中，通過網(wǎng)格搜索獲得的船舶初始位置被當(dāng)作了觀測(cè)向量，采用卡爾曼濾波算法以衛(wèi)星運(yùn)行軌跡的星下點(diǎn)中點(diǎn)作為船舶初始狀態(tài)先進(jìn)行初步位置預(yù)測(cè)，然后將預(yù)測(cè)得到的位置作為測(cè)量矢量加入到測(cè)頻時(shí)差定位模型中，建立改進(jìn)定位模型。定義目標(biāo)船舶狀態(tài)向量為：( ) [ ( )

定位誤差分布均是在接收AIS信號(hào)個(gè)數(shù) M 3的仿真實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的。在圖3-3中，衛(wèi)星接收AIS信號(hào)間的時(shí)間間隔是相同的，都為30s。圖3-4中衛(wèi)星接收AIS信號(hào)間的時(shí)間間隔分別為 20s 和 60s 。從這兩幅圖可以看出，測(cè)頻時(shí)差定位的精度等值曲線是基本關(guān)于衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡兩邊成對(duì)稱分布的，在只有少部分特定區(qū)域的定位誤差可達(dá)到15km以內(nèi)，由于定位平面與地球球面相切，在星下點(diǎn)軌跡延長(zhǎng)線的整體帶狀區(qū)域存在定位盲區(qū)。此外，受地球球面引起誤差的影響，星下點(diǎn)軌跡兩側(cè)的等值誤差曲線近似為橢圓且隨著橢圓的變大誤差也在增大。圖 3-3 時(shí)間間隔相同條件下的測(cè)頻時(shí)差定位誤差分布（單位：千米）

圖 3-4 時(shí)間間隔不同條件下的測(cè)頻時(shí)差定位誤差分布（單位：千米） 顯示了當(dāng)定位誤差為15km時(shí)，測(cè)頻時(shí)差定位在不同狀態(tài)的時(shí)間情況，從圖中可以看出，如果衛(wèi)星接收 AIS 信號(hào)之間的時(shí)間間持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，定位誤差小于15km的區(qū)域越大，造成這種情況的增加，在不同時(shí)刻產(chǎn)生的定位平面和地球球面之間相交線的低。在接收信號(hào)的時(shí)間間隔不相等的情況下，從定位誤差小于，時(shí)間間隔為 A 和 B（A <B）的覆蓋范圍大于時(shí)間間隔均為 A間隔均為 B 的覆蓋范圍，但若時(shí)間間隔都為 C（A<C <B），相同隔之間的比較結(jié)果則難以確定。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 潘寶鳳;梁先明;;星載AIS接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)[J];電訊技術(shù);2011年05期

2 何民;許斌;鐘杰;;星載AIS接收鏈路設(shè)計(jì)與仿真[J];電訊技術(shù);2010年09期

3 高元鋒;王玉林;李艷斌;;基于WGS-84地球模型的三站時(shí)差定位[J];無線電工程;2007年07期

4 李延興;張靜華;張俊青;張中伏;杜雪松;;一種由地心直角坐標(biāo)到大地坐標(biāo)的直接轉(zhuǎn)換[J];大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué);2007年02期

5 曹正文,羅銳,彭進(jìn)業(yè);北斗/羅蘭C組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位算法的研究[J];西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2005年05期

6 行鴻彥,劉照泉,萬明習(xí);基于小波變換的廣義相關(guān)時(shí)延估計(jì)算法[J];聲學(xué)學(xué)報(bào);2002年01期

7 李鴻艷;馮新喜;王芳;;一種新的機(jī)動(dòng)目標(biāo)模型及其自適應(yīng)跟蹤算法[J];電子與信息學(xué)報(bào);2004年06期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 任源博;多星時(shí)差無源定位系統(tǒng)研究[D];西安電子科技大學(xué);2014年

2 李紅姝;時(shí)差估計(jì)及三星定位算法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

3 朱馮U

本文編號(hào)：2791382