一種兩個ais參考點的船舶自組織協作定位方法
【專利摘要】本發明涉及一種兩個AIS參考點的船舶自組織協作定位方法，屬于船舶定位導航領域。通過定位模式判別、信息數據準備、自組織協作、定位方程解算、定位信息共享等步驟并重復上述過程，不斷更新船岸、船船協作信息，實現協作船站組內所有協作船站的動態定位。本發明能夠在僅有兩個AIS岸站作為定位參考點，無法滿足傳統測距定位要求的情況下，利用船站間的自組織協作，實現船岸、船船間的測距信息共享，實現協作船站的自組織定位。不需要額外部署AIS岸站，即可實現沿海船舶的自組織協作定位，大大提升了AIS測距定位系統的適用范圍。
【專利說明】
-種兩個AIS參考點的船舶自組織協作定位方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種兩個AIS參考點的船舶自組織協作定位方法，確切地說，是一種在 兩個船舶自動識別系統(Automatic Identification System-AIS)岸站作為定位參考點的 條件下，船舶自組織協作定位的方法，屬于船舶定位導航領域。
【背景技術】
[0002] AIS是根據國際海上人命安全公約強制船舶配備的通信導航設備，安裝于沿海港 口碼頭的AIS設備稱為AIS岸站，安裝于船舶上的AIS設備稱為AIS船站。但現有AIS系統中的 定位導航信息完全依賴于全球導航衛星系統(GNSS)接收機提供的位置。為了保證航行安 全，國際海事組織（IM0)倡導未來船舶應強制配備空基和陸基雙備份的定位導航系統。因 此，IM0將AIS測距定位(AIS-R Mode)系統作為未來的陸基無線電導航系統之一寫入了世界 無線電導航計劃。該系統是在現有AIS通信系統的基礎上，通過增加測距功能實現船舶定 位，使得AIS能夠擺脫對GNSS的依賴，成為e-航海戰略下融通信、導航為一體的綜合船用無 線電系統。
[0003] 在AIS測距定位系統中，若采用傳統測距定位技術，需要將AIS岸站作為定位參考 點，船站通過測量其到Ξ個及W上岸站參考點間的距離才能實現定位。但現有AIS作為通信 系統，岸站的布設沒有考慮定位的需求。因此在某些海域，船站僅能收到兩個AIS岸站參考 點的信號，無法采用傳統的測距法完成定位。若船舶自身配備有其他的外部傳感器，如羅 經、計程儀等，則可通過發明專利CN 201310367727.9的處理，實現船舶的自主定位。若船舶 未配備有可提供輔助定位信息的外部傳感器，但能夠接收到周圍其他船舶的位置信息，貝U 可通過發明專利CN 201410234851.2進行處理，將已定位船舶作為移動參考點進行船舶輔 助定位。但在很多情況下，受限于AIS岸站參考點的布設，船舶周圍不存在可作為移動參考 點的已定位船站，如同一海域內的AIS船站僅能接收來自相同的兩個AIS岸站參考點的信 號，因此，發明專利CN 201410234851.2也無法處理此問題。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是要設計一種在所有船站都僅能收到兩個AIS岸站的信號時，基于 船站間的自組織協作實現船站定位的方法。能夠在僅有兩個AIS岸站可作為定位參考點，無 法滿足傳統測距定位條件的情況下，通過船站間的自組織協作，共享船岸、船船的測距信 息，實現所有協作船站的定位。
[0005] 本發明的協作船站不僅測量到AIS岸站參考點的距離，同時測量協作船站間的距 離，并通過協作船站間的船岸、船船測距信息的共享，實現協作船站組中所有船站的自組織 定位。所有參與協作定位的船站構成協作船站組，其中的每個船站稱為協作船站;發起協作 請求的船站稱為主協作船站;共享船岸信息的船站稱為準協作船站，共享船岸、船船信息的 船站稱為從協作船站。
[0006] 本發明采用的技術方案為:一種兩個AIS參考點的船舶自組織協作定位方法，實現 該方法的步驟是：
[0007] 1)定位模式判別
[0008] 船站監聽AIS岸站信號，若僅檢測到兩個AIS岸站信號，且不存在其他的輔助定位 信息，則進入自組織協作定位模式。
[0009] 2)信息數據準備
[0010] 船站接收AIS岸站的位置信息并進行測距，存儲岸站的識別信息、位置信息和船岸 間的測距信息。與此同時，船站接收周圍船站的信息，識別周圍在線船站。
[00川 3)自組織協作
[0012] 自組織協作包括協作啟動、船岸信息協作請求、船岸信息協作確認、船船信息協作 請求、船船信息協作確認、協作信息存儲六個步驟：
[0013] ①協作啟動:若船站識別的周圍在線船站數量大于等于2,則將自身船站狀態標記 為主協作船站，啟動協作狀態。若周圍在線船舶數量小于2,則返回模式判別階段。
[0014] ②船岸信息協作請求:主協作船站向周圍在線船站發起船岸信息協作請求命令， 請求其他船站發送接收到的岸站識別信息、位置信息和船岸間的測距信息。
[0015] ③船岸信息協作確認:收到主協作船站船岸信息協作請求的船站，判斷自身識別 的AIS岸站參考點數量，若為2,將收到的兩個AIS岸站參考點的識別信息、位置信息和船岸 間的測距信息播發給主協作船站。若岸站參考點數量小于2，則發送無法協作應答信號。
[0016] ④船船信息協作請求:主協作船站根據接收到的周圍在線船站的協作確認信號， 進行準協作船站判別。若準協作船站數量小于2，則取消主協作船站標識，返回模式判別階 段;若大于等于2,則存儲準協作船站提供的船岸協作信息，測量主協作船站與準協作船站 間的距離，并向準協作船站發送船船信息協作請求。
[0017] ⑤船船信息協作確認:準協作船站將收到的主協作船站發來的其他準協作船站的 識別信息，與自身的周圍在線船站識別信息比較，找出其中共同的準協作船站，并將相應的 準協作船站的識別信息、船船間的測距信息發給主協作船站。若不存在共同的準協作船站， 則發送無法協作應答信號。
[0018] ⑥協作信息存儲狀態：主協作船站根據接收到的船船信息協作確認，對從協作船 站進行判別。若存在從協作船站，則存儲船岸、船船協作信息，為構建自組織協作定位方程 準備數據。若不存在從協作船站，則取消主協作船站標識，返回模式判別階段。
[0019] 4)定位方程解算
[0020] 主協作船站W自組織協作定位解算的數學模型為依據，根據存儲的船岸、船船協 作信息，構建自組織協作定位矩陣方程，解算協作船站組內所有協作船站的位置。
[0021] 5)定位信息共享
[0022] 主協作船站將解算得到的協作船站的位置信息共享給從協作船站，完成協作船站 組內所有協作船站的定位。
[0023] 重復上述過程，不斷更新船岸、船船協作信息，實現協作船站組內所有協作船站的 動態定位。
[0024] 所述船舶自組織協作定位解算的數學模型如下：
[0025] 協作船站與岸站間的定位方程為：
[0026]
(1)
[0027]其中，（Xk，Yk)為岸站k的坐標，（Xi，yi)為協作船站i的坐標，ΔTl為由于協作船站i 的鐘差引入的距離偏差。對上述方程進行線性化處理，利用泰勒級數展開，保留一階項，得
[002引
口）
[0029] 其中，（i·,，夫）為協作船站i的估計坐標，為協作船站i鐘差引入的估計的距離偏 差，δχι,δγι,δΤι為相應估計值的改正量，Fk(Xi，yi)為岸站k與協作船站i的距離，表示為：
[0030]
(3)
[0031] 協作船站間的協作定位方程為：
[0032]
(4)
[0033] 其中，i聲j。對協作定位方程也進行線性化處理，得
[0034]
貨
[0035] 其中，協作船站間的距離表示為
[0036]
(5)
[0037] 聯立上述定位方程，并表示為矩陣的形式，可得到協作船站組的自組織協作定位 矩陣方程
[00；3 引
[0039] 對上述自組織協作定位矩陣方程進行求解，即可得到協作船站組內所有協作船站 的位置坐標(Xi，yi)。
[0040] 本發明的有益效果是:利用該發明，能夠在僅有兩個AIS岸站可作為定位參考點， 無法滿足傳統測距定位要求的情況下，利用船站間的自組織協作，實現船岸、船船間的測距 信息共享，實現協作船站的自組織定位。不需要額外部署AIS岸站，即可實現沿海船舶的自 組織協作定位，大大提升了 AIS測距定位系統的適用范圍。
【附圖說明】
[0041 ]圖1是本發明的定位方法流程圖；
[0042] 圖2是本發明的一個具體實施例示意圖；
[0043] 圖3是本發明的定位模式判別流程圖；
[0044] 圖4a是實施例中主協作船站接收的岸站信息；
[0045] 圖4b是實施例中第1個準協作船站接收的岸站信息；
[0046] 圖4c是實施例中第2個準協作船站接收的岸站信息；
[0047] 圖5a是實施例中主協作船站在數據準備階段的周圍船站信息；
[0048] 圖5b是實施例中主協作船站在自組織協作階段收到船岸信息協作確認后的周圍 船站信息；
[0049] 圖5c是實施例中主協作船站在自組織協作階段收到船船信息協作確認后的周圍 船站信息；
[0050] 圖6a是實施例中主協作船站在自組織協作階段收到船岸信息協作確認后的協作 定位信息；
[0051] 圖化是實施例中主協作船站在自組織協作階段收到船船信息協作確認后的協作 定位信息。
【具體實施方式】
[0052] 下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。
[0053] 圖2示例了本發明的一個實施例場景。
[0054] 201、202為兩個415岸站，213、214、215為立個415船站。根據415信號的傳播距離， 船站213、314、315僅能夠收到來自201和202兩個AIS岸站參考點的信號。213、214、215構成 協作船站組，213為主協作船站，214、215為從協作船站。從協作船站214、215在主協作船站 213的船岸信息協作請求要求下，共享船岸間的測距信息2241、2242、2251和2252。從協作船 站214在主協作船站213的船船信息協作請求要求下，共享與從協作船站215間的船船測距 信息2245,主協作船站213利用上述共享信息，結合自身船岸間的測距信息2231和2232, W 及自身船船間的測距信息2234和2235,構建自組織協作定位矩陣方程，實現協作船站組定 位，并將位置信息共享給從協作船站214和215。自組織協作定位處理步驟具體如下：
[0055] 1)定位模式判別
[0056] 船站213首先進行定位模式判別，如圖3所示。船站213接收AIS岸站的位置信息并 進行測距，若能收到Ξ個及W上AIS岸站參考點信號，則可采用傳統的測距定位方法實現船 舶定位;在本實施例中，船站213僅能收到201和202兩個AIS岸站參考點的信號，則檢測自身 是否能夠接收到羅經、計程儀等外部傳感器信息，若有外部傳感器信息進行定位輔助，則利 用發明專利CN 201310367727.9進行定位;若無，則監聽是否能收到其他船站的位置信息， 若有，則利用發明專利CN 201410234851.2進行定位;若無，進入自組織協作定位模式。在本 實施例中，無上述輔助信息，因此進行自組織協作定位。
[0057] 2)信息數據準備
[0058] 船站213接收201和202兩個AIS岸站參考點的位置信息并進行測距，建立岸站信息 表，如圖4a所示。接收周圍船站214和215的識別信息，并進行測距，建立周圍船站列表，如圖 f5a所示。
[0化9] 3)自組織協作
[0060] ①協作啟動:船站213判斷其周圍在線船站列表中的船站數量等于2，則將該自身 狀態柄記為主協作船站，啟動協作狀態。
[0061] ②船岸信息協作請求:主協作船站213向在線船站列表中的船站214和215發起船 岸信息協作請求命令，請求船站214和215發送其接收的岸站信息。
[0062] ③船岸信息協作確認:船站214和215收到船岸信息協作請求命令，判斷岸站信息 表數據數量為2,則將如圖4b和圖4c所示的岸站信息發給主協作船站213。
[0063] ④船船信息協作請求:主協作船站213根據接收到的準協作船站214和215的信息， 更新周圍船站信息列表，如圖化所示，并測量與準協作船站214和215間的距離，維護協作定 位信息，如圖6a所示。主協作船站213判斷準協作船站個數為2,則向準協作船站214發送船 船信息協作請求，發送準協作船站215的識別信息。
[0064] ⑤船船信息協作確認:準協作船站214將自身的周圍船站信息與主協作船站發送 的準協作船站215的識別信息進行比較，準協作船站215是準協作船站214的周圍在線船站， 因此將準協作船站214與215間的測距信息發送給主協作船站213。
[0065] ⑥協作信息存儲狀態:主協作船站213根據接收到的船船協作信息，更新周圍船站 信息和協作定位信息，分別如圖5c和圖化所示。
[0066] 4)定位方程解算
[0067] 主協作船站213根據如圖化所示的協作定位信息，依照自組織協作定位解算的數 學模型建立自組織協作定位矩陣方程，利用最小二乘法可解算出所有協作船站213、214和 215的位置。
[0068] 5)定位信息共享
[0069] 主協作船站213將解算得到的從協作船站214和215的位置信息共享給從協作船站 2H 和 215。
【主權項】
1. 一種兩個AIS參考點的船舶自組織協作定位方法，其特征在于，該自組織協作定位方 法包括以下步驟： 1) 定位模式判別 船站監聽AIS岸站信號，若僅檢測到兩個AIS岸站信號，且不存在其他的輔助定位信息， 則進入自組織協作定位模式； 2) 信息數據準備 船站接收AIS岸站的位置信息并進行測距，存儲岸站的識別信息、位置信息和船岸間的 測距信息，與此同時，船站接收周圍船站的信息，識別周圍在線船站； 3) 自組織協作 自組織協作包括協作啟動、船岸信息協作請求、船岸信息協作確認、船船信息協作請 求、船船信息協作確認、協作信息存儲六個步驟； 4) 定位方程解算 主協作船站以自組織協作定位解算的數學模型為依據，根據存儲的船岸、船船協作信 息，構建自組織協作定位矩陣方程，解算協作船站組內所有協作船站的位置； 5) 定位信息共享 主協作船站將解算得到的協作船站的位置信息共享給從協作船站，完成協作船站組內 所有協作船站的定位;重復上述過程，不斷更新船岸、船船協作信息，實現協作船站組內所 有協作船站的動態定位。2. 根據權利要求1所述的一種兩個AIS參考點的船舶自組織協作定位方法，其特征在 于，所述的自組織協作六個步驟為： ① 協作啟動:若船站識別的周圍在線船站數量大于等于2,則將自身船站狀態標記為主 協作船站，啟動協作狀態，若周圍在線船舶數量小于2,則返回模式判別階段； ② 船岸信息協作請求:主協作船站向周圍在線船站發起船岸信息協作請求命令，請求 其他船站發送接收到的岸站識別信息、位置信息和船岸間的測距信息； ③ 船岸信息協作確認:收到主協作船站船岸信息協作請求的船站，判斷自身識別的AIS 岸站參考點數量，若為2，將收到的兩個AIS岸站參考點的識別信息、位置信息和船岸間的測 距信息播發給主協作船站，若岸站參考點數量小于2，則發送無法協作應答信號； ④ 船船信息協作請求:主協作船站根據接收到的周圍在線船站的協作確認信號，進行 準協作船站判別，若準協作船站數量小于2，則取消主協作船站標識，返回模式判別階段;若 大于等于2,則存儲準協作船站提供的船岸協作信息，測量主協作船站與準協作船站間的距 離，并向準協作船站發送船船信息協作請求； ⑤ 船船信息協作確認:準協作船站將收到的主協作船站發來的其他準協作船站的識別 信息，與自身的周圍在線船站識別信息比較，找出其中共同的準協作船站，并將相應的準協 作船站的識別信息、船船間的測距信息發給主協作船站，若不存在共同的準協作船站，則發 送無法協作應答信號； ⑥ 協作信息存儲狀態：主協作船站根據接收到的船船信息協作確認，對從協作船站進 行判別，若存在從協作船站，則存儲船岸、船船協作信息，為構建自組織協作定位方程準備 數據，若不存在從協作船站，則取消主協作船站標識，返回模式判別階段。
【文檔編號】G01S5/02GK106066469SQ201610348379
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月24日 公開號201610348379.4, CN 106066469 A, CN 106066469A, CN 201610348379, CN-A-106066469, CN106066469 A, CN106066469A, CN201610348379, CN201610348379.4
【發明人】姜毅
【申請人】大連海事大學