海上搜救模擬器中模擬實時AIS信息的航位推算

周晨璨(南通大學交通學院,江蘇南通　226019)

海上搜救模擬器中模擬實時AIS信息的航位推算

周晨璨
(南通大學交通學院,江蘇南通226019)

摘要:以海上搜救模擬器為平臺,獲取船舶航行過程中真實的船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)信息,對同一目標船舶相鄰兩次動態AIS信息之間的航位進行推算,使目標船舶平滑、動態地顯示在模擬器中的電子海圖與顯示系統(ECDIS)、模擬雷達和三維視景上。

關鍵詞:AIS;航位推算;中分緯度算法

船舶自動識別系統由岸基(基站)設施和船載設備組成,是船舶發射和接收動、靜態信息的一種信息機制,是一種新型的集網絡技術、現代通訊技術、計算機技術、電子信息顯示技術為一體的數字助航系統和設備［1－2]。將真實的AIS信息引入到海上搜救模擬器中,海上搜救模擬器可以真實地模擬各個港口、航道在各種海況、天氣下的三維場景。特別是將實際發生的海事或緊迫局面船舶周圍的AIS信息重現在海上搜救模擬器中作為訓練環境,能有效促進船員訓練的積極性,提高船員的訓練水平。但是AIS消息最快是2 s更新一次,根據AIS信息表示的船舶無法在三維場景中平滑顯示,需要進行航位推算。國內外有諸多學者開發了將AIS信息與電子海圖(或雷達、三維場景)相結合的模擬器系統［3－9]。

本文針對船舶航行過程中的真實AIS信息,解碼［10－11]后對同一目標船舶相鄰兩次動態AIS信息之間的航位進行推算,使其能夠平滑、動態地顯示在模擬器中的電子海圖與顯示系統(ECDIS)、模擬雷達和三維視景上。本文將大量的AIS信息進行解碼并存儲到數據庫中,在此基礎上直接進行推算。

1　航位推算

航位推算(Dead Reckoning,DR)算法［12]是指從一個已知的坐標位置開始,根據運載體在該點的航向、航速和航行時間,推算下一時刻的坐標位置的導航過程。

1.1航位推算求緯度差

設已知船舶航行起始點的地理坐標為(φ1,λ1),需要推算的下一時刻的地理坐標為(φ2,λ2),則它們的關系式［13－15]為:

式中:φ1、λ1分別為起始點的緯度和經度;φ2、λ2分別為需要推算的下一時刻的緯度和經度; Dφ為起始點和到達點之間的緯度差,('); Dλ為起始點和到達點之間的經度差,(')。

從式(1)可以看出,航位推算的核心問題是根據已知的航速和航向來計算經度差和緯度差。如圖1所示,假設船舶從A點(φ1,λ1)沿恒向線航行到B點(φ2,λ2),航向為銳角α,航程為s。將s分成n等分［16],可得n個球面三角形,如果n足夠大,這n個很小的球面三角形可以認為是全等平面直角三角形,其各自的斜邊ds和銳角α都相等。

圖1　船舶航行示意圖

用dφ表示恒向線航程ds南北分量上的緯度差,dw表示ds東西分量上的經度差,由于緯度差和經度差可以用弧長表示［17],可得:

對其積分可得:

因此

式中ldep為東西方向的距離,n mile。

式(2)中的ldep是船舶起始點與終點之間的東西距,不是要求的經度差。常用的求經度差的方法有中分緯度算法、墨卡托算法及約定緯度算法3種。3種算法各有特點,本文采用中分緯度算法求經度差。

1.2中分緯度算法求經度差

從圖1中可以看到,當起始點A和到達點B在同一個半球的時候,它們之間的東西距比緯度圈弧長AA1短,比BB1長。因此,在點A和點B所在子午線之間,一定存在一個緯度圈CD,它在A、B子午線之間的等緯圈弧長恰好等于AB的東西距。則緯度圈CD所在的緯度也就是中分緯度(middle latitude,φn)。假設EF位于赤道上,將地球視為半徑為R的圓球體,可得CD的弧長WCD為:

WCD= EFcos φn。

而當把地球作為圓球體時,赤道上1'經度的弧長等于1 n mile,所以有:

Dλ= ldepsec φn= ssinαsec φn。

在低緯海區和中緯海區且航程不長時,中分緯度φn與起止點AB的平均緯度(middle latitude,φm)相差不大,可以用φm=(φ1+φ2)/2代替φn來求經度差,即

因此,求中分緯度的實質就是求平均緯度。

通過研究和模擬計算發現,當把地球當成橢圓體時,在低緯海區和中緯海區且航程不長時,用式(3)求經度差,產生的誤差非常小,因此可以使用。

1.3基于實時AIS信息的航位推算

AIS消息最快是2 s更新一次,但是本研究采用的模擬器中的三維視景顯示至少要保證30幀/s,為了防止目標船舶在視景中顯示的抖動,需要對目標船舶相鄰2次AIS信息進行航位推算。本文從數據庫中選出一條船進行推算,為了便于看出推算效果,這里選出船速較快而且能在一段時間內持續航行的船舶,水上移動通信業務標識碼(簡稱MMSI)為235010590,具體數據見表1。

從表1中可以看到,船舶并不是勻速運動,而且轉向率r≠0,在推算時需要考慮到船舶的加速度和推算位置的真航向。

設船舶在t0時刻的速度為v0,真航向為H0,在t1時刻的速度為v1,t0～t1時刻的轉向率為r,則加速度a和t1時刻的真航向H1分別為:

式中r =(rAIS/4.733)2(°)/min。

表1　MMSI為235010590時某段時間內的航行數據

但是,當本船收到某條目標船舶的第一條AIS消息時,無法推算其加速度,因此設置所有目標船舶的初始加速度為0,直到收到該條船舶的第二條AIS消息為止,然后根據式(4)修改其加速度。

表1是MMSI為235010590的船舶的一定時間段內的運動參數,設: t0時刻的速度v0=20.9 kn,經度λLan0=120.215 827°,緯度λLan0=38.676 387°; t1時刻的速度v1=21.0 kn,經度λLon=120.216 073°,緯度λLat=38.676 352°,真航向H1=103°。推算t2時刻的位置: 1)求船舶航行的加速度a; 2)根據加速度求出航程s; 3)由式(2)求得緯度差從而得到t2時刻的緯度; 4)求得t1～t2的平均緯度,根據式(3)求得經度差,進而得到t2時刻的經度。

在實際應用中,可根據運動對象的運動水平及實際數據傳輸率,分析DR算法中參數的取值范圍,來確定更新時間間隔［18]。本研究中,為了防止視景的抖動,航位推算的時間步長應等于三維視景每幀顯示的時間［3],為了計算方便,取Δt =0.033 33 s。設ti～ti +1時刻間隔ns,則ti～ti +1需推算n/ΔT次。從數據庫中讀取船舶信息并判斷是否進行航位推算的流程圖如圖2所示。

圖3記錄了MMSI為235010590的船舶在步長Δt =0. 03 333 s,從ti時刻開始推算的第n/ΔT次航位與ti +1時刻的真實航位在坐標系中的位置關系。

N次航位推算得到的航位時刻正好是下一條AIS消息到達的時刻,通過圖3可以看出,該時刻推算的航位與實際AIS消息包含的實際航位的誤差非常小,兩者幾乎在同一條線上,最大誤差不超過0.5 m。

圖2　航位推算流程圖

圖3　推算航位與實際航位的比較

2　結語

真實有效的AIS信息是將其運用到海上搜救模擬器中的前提,而將這些AIS信息融合到海上搜救模擬器中,則需要進行航位推算。本文應用中分緯度算法對實時的AIS信息進行航位推算,與真實的航行數據進行比較,結果驗證了該算法的有效性。

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(責任編輯:郎偉鋒)

Dead Reckoning of Real-Time Simulation of AIS Information in Maritime Search and Rescue Simulator

ZHOU Chencan
(School of Transportation,Nantong University,Nantong 226019,China)

Abstract:Base on the maritime search and rescue simulator,real Automatic Identification System(AIS)data are obtained in the ship voyage.The data are used to make the dead reckoning for two adjacent dynamic AIS data at the same target ship,so that the target ship can smoothly and dynamically display on the Electronic Chart and Display System(ECDIS),radars and three-dimensional scene in the simulator.

Key words:AIS; dead-reckoning; middle latitude algorithm

作者簡介:周晨璨(1988—),女,重慶人,助教,工學碩士,主要研究方向為航海動態模擬仿真.

收稿日期:2015－03－18

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.014

文章編號:1672－0032(2015)03－0068－05

文獻標志碼:A

中圖分類號:U675.7