基于AIS信息的艦船位置標校方法

任文娟, 周志鑫, 呂守業, 師棟鋒

(1. 中國科學院電子學研究所, 北京 100190; 2. 北京遙感信息研究所, 北京 100854;3. 中國科學院空間信息處理與應用系統技術重點實驗室, 北京 100190)

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基于AIS信息的艦船位置標校方法

任文娟1,2,3, 周志鑫2, 呂守業2, 師棟鋒2

(1. 中國科學院電子學研究所, 北京 100190; 2. 北京遙感信息研究所, 北京 100854;3. 中國科學院空間信息處理與應用系統技術重點實驗室, 北京 100190)

為了提高時差型衛星定位系統對艦船的定位精度,提出了一種基于船舶自動識別系統(automatic identification system,AIS)信息的艦船位置標校方法,該方法將具有AIS信息的民船作為標校源對軍艦位置進行校正。首先,針對AIS信息無法直接用于位置標校的問題,提出了標校源雷達位置及其誤差估計方法;其次,針對標校源雷達位置存在的誤差,建立了標校方法的誤差分析模型和標校源有效性分析方法,理論分析了標校定位精度及其改善程度,為標校源的選擇提供了依據。最后,仿真分析驗證了提出的標校方法的有效性。

自動識別系統; 時差; 時差型衛星定位系統; 標校; 定位精度; 誤差分析

0　引　言

時差型衛星定位系統由3顆中低軌衛星編隊組成,采用時差定位體制,利用輻射源到達3顆衛星的兩個時差雙曲面和地球橢球面相交,對地(海)面目標進行即時定位。時差型衛星定位系統在海洋監視上具有空域、時域覆蓋范圍廣等優勢,得到了廣泛的研究和應用[1-5]。

定位精度是定位系統的重要性能指標,由于時差等參數的測量精度仍較低,時差型衛星定位系統的定位精度較低,制約了定位信息的有效應用,因此提高定位精度就成為一個關鍵問題[6-14]。除了研究時間精確測量方法、目標位置精確定位算法[6-11],還有學者提出和研究了位置標校方法,用來提高目標定位精度。文獻[12]分析了系統誤差和隨機誤差對定位精度的影響,指出時差和輔星相對位置的系統誤差是影響定位精度的主要因素。文獻[13]針對時差的系統誤差引起的定位誤差,提出了基于單參考源的位置校正方法。文獻[14]針對時差和輔星相對位置的系統誤差引起的定位誤差,提出了基于4個參考源的標校方法。但是上述文獻提出的標校方法是基于地面上的固定標校源,只能對距離標校源一定范圍內的陸地目標或者近海岸目標進行標校,無法在全球遠海海域實現更大范圍的艦船目標位置校正。

近年來,隨著船舶自動識別系統(automatic identification system,AIS)[15-16]在全球的推廣使用,各國均大力發展AIS信號偵察系統,尤其是以航天器為平臺的星載AIS信號偵察系統[17],并開展AIS信息與其他系統的融合處理研究[18-20]。AIS是船舶上的自動連續廣播系統,它能在船舶和岸臺間交換信息,而星載AIS信號偵察系統能夠接收和解析AIS信號,從而獲得民船的AIS信息,包括船舶準確的身份信息、高精度的位置信息等,這些信息對時差型衛星定位系統是有益的補充。將星載AIS信號偵察信息和時差型衛星定位信息進行融合處理,一方面,可以利用AIS信息識別篩選出民船,提高衛星定位系統軍艦識別的效率和準確率；另一方面,由于AIS信息中船舶位置精度可達米級[16],因此可以將具有AIS信息的民船作為標校源,對軍艦的衛星定位位置進行標校,從而提高軍艦的定位精度。

本文將AIS信息引入時差型衛星定位系統,提出一種基于AIS信息的時差型衛星定位系統艦船位置標校方法,即首先將AIS信號偵察系統和時差型衛星定位系統獲取的同一民船關聯起來,然后將關聯上AIS信息的民船作為標校源對軍艦進行位置標校。本方法從全球海域客觀存在的大量民船中選取標校源,實現了對全球海域軍艦目標的位置標校。與基于地面固定標校源的標校方法相比,具有標校源選取方便、可標校范圍大的優點。但是本方法的前提是,獲取AIS信號偵察系統和時差型衛星定位系統同時相數據,并實現同一民船目標的關聯。在實際工程中,可以在時差型衛星定位系統衛星平臺上搭載AIS偵察載荷,從而獲取同時相數據,而目標關聯的問題在本文中暫不考慮。

除了使用前提,本方法還存在兩個問題:一是AIS信息中船舶位置信息實際上是全球定位系統(global positioning system,GPS)天線的位置,它與船舶上輻射源位置存在偏差,不能直接用于位置標校,因此需要對標校源位置進行估計;另一方面,與具有準確位置的地面固定標校源不同,民船標校源位置存在誤差,會影響標校方法的有效性,有效標校也會對標校源位置誤差提出要求,因此需要對標校方法的誤差進行分析。本文針對上述兩個問題展開研究,提出了標校源位置的估計方法,并對估計誤差進行了分析;建立了標校方法的誤差分析模型,對標校源位置誤差以及參數測量誤差對標校效果的影響進行了全面分析,驗證了本文方法的有效性;建立了標校源的有效性分析方法,為標校源的選擇提供了依據。

1　艦船位置標校方法

1.1AIS與AIS信號偵察系統概述

近年來,為了進一步提高船舶航行的安全性和效率,AIS應運而生。隨著AIS的技術發展和廣泛應用,AIS信號偵察技術也快速發展,并成為廣域民船監測的有效手段[15-17]。

AIS是采用專用國際頻道、自組織時分多址的自動連續廣播系統,它自動向鄰近的船舶和岸臺播發本船信息,包含靜、動態信息和與航次有關的信息及安全信息。其中,靜態信息中包括船舶的長和寬、定位儀天線在船舶上安裝的相對位置等信息;動態信息包括船舶位置、航向、航速等信息。

需要指明的是,AIS播發的船位信息主要來源于船舶上的GPS或差分全球定位系統(differential GPS,DGPS)的定位信息,該定位信息是GPS天線的位置,靜態信息中給出了定位儀天線在船舶上安裝的相對位置信息,包括GPS天線距離船舶首、尾及左、右船舷的距離。采用DGPS的定位精度優于10 m,采用GPS的定位精度為10～20 m。

可見,民船上裝有GPS和AIS,其中GPS獲得民船自身位置,AIS對外廣播自身位置。而AIS信號偵察系統是對AIS信號進行偵察的系統,通過偵獲、解析AIS信號從而獲得民船位置。由于AIS信息中船舶位置指的是GPS天線位置,因此AIS信號偵察系統獲得的也是船舶GPS天線的位置。

1.2艦船位置標校流程

對于既安裝了雷達、又安裝了AIS的民船,依據時空及身份屬性特征,可以將AIS信號偵察系統和時差型衛星定位系統對同一民船的偵察定位結果關聯起來,該民船可以作為已知位置的標校源,對其他軍艦的衛星定位系統的定位結果進行標校,提高時差型衛星定位系統的艦船定位精度。

綜上所述,基于AIS信息的時差型衛星定位系統艦船位置校正的基本流程如圖1所示。

圖1　基于AIS信息的艦船位置校正方法流程圖Fig.1　Flow chart of the position calibration technique of ship based on information of AIS

1.3標校源雷達位置及其系統誤差估計

(1)

圖2　GPS天線的安裝位置Fig.2　Position of GPS antenna

圖3　地理坐標系下的位置關系Fig.3　Position relation under geographical coordinates

1.4基于單船舶標校源的艦船位置標校算法

文獻[12]指出,時差和輔星相對位置的系統誤差是影響時差型衛星定位系統定位精度的主要因素。采用高精度衛星導航時,由衛星位置誤差引起的定位誤差可以忽略,如何消除時差的系統誤差對定位精度的影響成為重點需要解決的問題。因此,在本文中只研究基于單個民船標校源的艦船位置標校算法。

(2)

(3)

從式(3)中可見,利用標校源的時差測量值可以消除軍艦的時差測量值中的時鐘同步誤差。對應式(3)兩個觀測量的觀測方程,結合地球橢球方程,形成待標校軍艦的定位方程組:

(4)

式中,c為電磁波傳播速率;a為地球長半軸;e為第一偏心率。

式(4)又可寫為

(5)

相比較時差型衛星定位系統的目標定位方程[10],標校定位實現了對時差系統誤差的修正。采用基于一階泰勒展開的牛頓迭代方法[6-7]對標校定位方程式(5)進行求解,初始值取時差型衛星定位結果,當前后兩次定位結果的距離小于某個門限時停止迭代,即可得到待標校軍艦的位置X。

2　艦船位置標校定位誤差分析

為了分析標校定位誤差,建立誤差分析模型,分析3個參數的兩類誤差對標校定位精度的影響,3個參數分別為時差、衛星位置和標校源位置,兩類誤差分別為系統誤差和隨機誤差。在誤差分析的基礎上,提出了標校源的有效性分析方法,為標校源的選擇提供了依據。

2.1誤差模型與誤差分析

為了分析標校定位誤差,對式(5)進行全微分可得

(6)

式中

記

將式(6)寫為

CdX=B(dT-dT′)+(D-D′)dS+C′dP

(7)

式中

求解艦船位置誤差為

dX=C-1(BdT+DdS)+C-1(-BdT′-D′dS+C′dP)=

(8)

式中,dXTDOA為時差型衛星定位誤差[21];dXAIS為利用AIS信息進行位置標校引起的定位誤差。

由式(7)可見,標校定位誤差取決于兩個方面:一是軍艦與衛星的相對位置關系和標校源與衛星的相對位置關系(分別體現在C、D和C′、D′上);二是測量誤差,包括時差誤差,衛星位置誤差和標校源位置誤差(體現在dT、dT′、dS和dP上)。3個參數的誤差包含系統誤差和隨機誤差,其中系統誤差引起定位固定偏差,隨機誤差引起定位隨機偏差。

(9)

則定位誤差的均值為

(10)

定位誤差的協方差矩陣為

C-1BRBTC-T

(11)

可見,基于單船舶的標校定位可以消除時差的系統誤差引起的定位固定偏差,但單次定位的時差隨機誤差引起的定位隨機偏差增大。

(2) 下面分析衛星位置的系統誤差對定位誤差的影響。假設僅標校源位置誤差為零,此時dX=C-1[B(dT-dT′)+(D-D′)dS]。設衛星位置整體的系統誤差為σs0,輔星相對位置的系統誤差為σsi(i=1,2),則衛星位置的系統誤差為

(12)

式中,11×3為1×3的1矩陣。

則定位誤差的均值為

(13)

(3) 本文第1.3節中指出船舶標校源位置存在系統誤差,下面分析該誤差對標校定位精度的影響。不考慮衛星位置誤差,此時dX=C-1[B(dT-dT′)+C′dP],可見標校源位置誤差的存在又引入了新的定位誤差,且該誤差與艦船和衛星的相對位置關系(體現在C上)、標校源和衛星的相對位置關系(體現在C′上)有關。設標校源位置的系統誤差分量為σp0,則有

(14)

則定位誤差的均值為

(15)

可見,標校源位置的系統誤差也引起了定位位置的固定偏差。

利用本節所述的分析方法,依據式(7),不需要求解定位方程就可以分析單標校源標校后的定位誤差。

2.2標校源的有效性分析

從上述分析可以看出,標校算法消除了時差的系統誤差,但是標校源位置的系統誤差又帶來了新的定位位置的固定偏差。只有標校定位后的固定偏差小于標校定位前的固定偏差,才能稱之為有效標校。因此,需要估計一定測量誤差條件下,有效標校對標校源位置系統誤差的要求,下面從理論上分析有效標校對標校源位置系統誤差的約束。

假設時差型衛星定位位置的固定偏差為dXTDOAs,標校定位位置的固定偏差為dXs,定義標校前后定位位置的固定偏差改善因子為

(16)

從式(6)可得,η≤1。當η=1時,標校定位位置的固定偏差dXs為0,即標校后不存在固定偏差。η為負值時,標校后固定偏差增大;η為正值時,標校后固定偏差減小;η為正值的區域稱為標校源的有效標校范圍。

對于某個待標校的軍艦,可以利用固定偏差改善因子來分析指定標校效果對標校源位置系統誤差的約束。由式(8)可得:

(17)

(18)

因此若假設標校源位置的系統誤差分量為σp0,則dXs是σp0的二次函數。由η(σp0)≥α(α≥0),可求得σ1≤σp0≤σ2。即為了使艦船位置固定偏差的減小程度不小于α,要求標校源位置的系統誤差滿足一定的要求。若按照第1.3節估計的標校源雷達位置的最大系統誤差不能滿足上述要求,則其不能被選為標校源對待標校艦船進行位置校正。

3　仿真分析

仿真參數:假設3顆衛星飛行軌道的高度相同,約為700km,主星和輔星1的星間距約為67km,主星和輔星2的星間距約為72km。以三星星下點重心為中心,在經度、緯度均為18°范圍內各做17等分,選取289個目標點位,其中目標點距星下點中心的最遠距離約為1 350km。蒙特卡羅實驗次數為500次。

(1) 假設時差的系統誤差為50ns,標校源位于星下點中心時,時差型衛星定位的誤差分布和標校定位的誤差分布如圖4所示,標校源位于圖中“o”所示位置。蒙特卡羅仿真實驗和理論分析方法(見式(16))的計算結果一致:固定偏差改善因子均為1。可見,標校定位后定位固定偏差為0,即基于單船舶標校源的位置標校方法消除了時差系統誤差引起的定位誤差。

圖4　僅存在時差系統誤差時的標校效果Fig.4　Calibration effect with TDOA system error only

(2)假設衛星位置整體的系統誤差為30m,輔星相對位置的系統誤差為20m。標校源位于星下點中心時,時差型衛星定位的誤差分布、標校定位的誤差分布如圖5所示,標校源位于圖中“o”所示位置。蒙特卡羅仿真實驗和理論分析方法得到的固定偏差改善因子分布如圖6所示。可見,當軍艦和標校源位置接近時,基于單標校源的位置標校方法可以消除部分衛星位置系統誤差引起的定位固定偏差。并且,理論分析方法和蒙特卡羅實驗結果數值一致,因此理論分析方法是正確的。

圖5　僅存在衛星位置系統誤差時的標校效果Fig.5　Calibration effect with satellite position system error only

圖6　理論分析和蒙特卡羅實驗計算結果比較Fig.6　Comparison between theory analysis and Monte Carlo analysis

(3) 假設時差的系統誤差為50ns,時差的隨機誤差為10ns,衛星位置整體和輔星相對位置的系統誤差分別為30m和20m,衛星位置的隨機誤差為10m。標校源位于星下點中心和距星下點中心646km處時,標校定位誤差和固定偏差改善因子分布如圖7所示,標校源位于圖中“o”所示位置。

可見,標校后的定位誤差基本以標校源為中心分布。固定偏差改善因子的大致趨勢為在與標校源的連接方向上,隨著軍艦與標校源距離的增大,固定偏差改善因子逐漸減小,甚至為負值。可見,以標校源為中心存在一個標校范圍,在此范圍內標校后的固定偏差有所降低;超出此范圍,標校后固定偏差反而增大。

(4) 與仿真(3)相同的誤差條件下,標校源位于星下點中心,標校源位置的系統誤差為200m、隨機誤差為10m時,標校定位誤差以及固定偏差改善因子分布如圖8所示。與圖7(b)進行比較可見,標校源位置存在誤差時,某些位置處固定偏差改善因子增大,某些位置處固定偏差改善因子減小。

圖7　標校源位于不同位置時的標校效果比較Fig.7　Effect of calibration with different calibration source

圖8　標校源位置存在誤差時的標校定位效果Fig.8　Effect of error of calibration source on calibration location

(5) 與仿真(3)相同的誤差條件下,選擇一個待標校軍艦,經緯度位置為(129°,25.4°),此軍艦距星下點中心270km。假設標校源位于星下點中心,標校源位置的隨機誤差為10m,標校后的固定偏差及固定偏差改善因子隨標校源位置系統誤差的變化曲線如圖9所示。從圖中可見,標校源位置的系統誤差分量小于約305m時,固定偏差改善因子大于0,即標校后軍艦位置固定偏差減小;標校源位置的系統誤差分量小于約174m時,固定偏差改善因子大于50%。因此,標校源進行有效標校的約束條件是:標校源位置的系統誤差分量小于305m;固定偏差改善50%對標校源的約束條件是:標校源位置的系統誤差分量小于174m。

圖9　標校源位置系統誤差對固定偏差改善因子的影響Fig.9　Effect of system error of calibration source on parameter of improving

4　結　論

本文首次提出了一種新的標校思路,即將具有AIS信息的民用船舶作為有源反射合作目標、利用其高精度的位置信息對時差型衛星定位系統的艦船位置進行校正。針對AIS位置信息無法直接用于標校的問題,給出了標校源雷達位置的估計方法。提出了利用單船舶標校源的基于AIS信息的艦船位置標校算法,針對3個參數的兩類誤差,建立了標校定位誤差分析模型,并對誤差條件下的標校定位效果進行了全面深入分析。針對民船標校源位置存在的系統誤差,提出了標校源的有效性分析方法,定義了定位位置的固定偏差改善因子,可以定量描述標校定位對目標定位精度的改善效果。仿真結果表明,本文提出的標校方法是正確有效的,基于單船舶標校源AIS信息的艦船位置標校方法可以消除時差系統誤差引起的定位固定偏差,提高時差型衛星定位系統對艦船的定位精度,標校源的有效性分析方法為標校源的選擇提供了依據。

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Position calibration technique of ship based on information of AIS

REN Wen-juan1,2,3, ZHOU Zhi-xin2, Lü Shou-ye2, SHI Dong-feng2

(1. Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Beijing Institute of RemoteSensing,Beijing100854,China; 3.KeyLaboratoryofTechnologyinGEO-SpatialInformationProcessingandApplicationSystem,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

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) is proposed. The warship position can be calibrated by the ship with AIS information acting as a reference source in the method. Firstly, because the position in AIS information cannot be used to calibrate immediately, the method for estimating the radar position of reference source and the error of radar position is raised. Secondly, 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 accuracy are analyzed in theory, by which a reference source can be selected. Finally, the validity of the new technique is tested through simulation.

automatic identification system(AIS); time difference of arrival (TDOA); satellite location system of TDOA; calibration; position accuracy; error analysis

2014-11-04；

2015-10-10；網絡優先出版日期：2016-03-07。

中國博士后科學基金(2012M521836)資助課題

TN 971.+1

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.10.23

任文娟(1982-),女,助理研究員,博士,主要研究方向為無源定位系統信號與信息處理。

E-mail:renandliang@sina.com

周志鑫(1966-),男,研究員,博士,主要研究方向為遙感圖像處理及應用、電子偵察信號處理與應用。

E-mail:zhixin.zhou@ia.ac.cn

呂守業(1979-),男,副研究員,博士,主要研究方向為無源定位、電子偵察信號處理。

E-mail:lvshouye@bit.edu.cn

師棟鋒(1981-),男,工程師,碩士,主要研究方向為無源定位、電子偵察信號處理。

E-mail:shdf@163.com

網絡優先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160307.1747.004.html