一種基于飛艇的自組織船舶定位系統及其定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于飛艇的自組織船舶定位系統及其定位方法，所述的定位系統包括飛艇定位與控制終端和船舶定位終端；飛艇定位與控制終端包括飛艇無線收發模塊、AIS基站模塊、飛艇控制模塊和飛艇主控模塊，船舶定位終端包括船舶無線收發模塊、AIS船站模塊、顯示模塊和船舶主控模塊。本發明利用飛艇搭載AIS基站，通過合理的布局規劃，使飛艇與岸基AIS基站進行通信，通過岸基AIS基站精確的位置信息實現飛艇的定位。然后利用布局的飛艇網絡覆蓋遠洋船舶，使得船舶直接與飛艇進行通信，從而實現遠洋船舶的自組織定位。與單獨的岸基AIS基站網絡相比，本發明定位距離更遠，遠洋船舶可通過陸基導航系統實現自組織定位。
【專利說明】
一種基于飛艇的自組織船舶定位系統及其定位方法
技術領域
[0001]本發明涉及導航定位領域，特別是一種遠洋船舶的自組織定位方法。
【背景技術】
[0002]為了保證船舶的航行安全，船舶應強制配備空基和陸基雙備份的定位導航系統。目前，空基導航系統主要依賴于GNSS(全球衛星導航系統)，而利用AIS(船舶自動識別系統)實現船舶自主定位的導航系統成為IMO強制配備陸基導航系統的最佳候選方案之一。但該類方法由于岸基基站的局限性和船舶距離的限制，對于非近海船舶或周圍沒有已定位的船舶來說，陸基定位無法實現。例如，中國專利ZL201110133252.8公開了《一種Al S船舶自主定位導航系統》，該系統利用現有的AIS基站電波測量船舶到不同基站的距離，并根據測得的距離和AIS基站的精確位置進行船舶定位。
[0003]但是，現有技術存在以下問題:
[0004]1、在現有AIS系統的條件下，在岸基AIS基站無法覆蓋的范圍內，無法解決遠洋船舶的自組織定位問題。
[0005]2、遠洋船舶需要依賴全球衛星導航系統實現自組織定位。
【發明內容】
[0006]為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種遠洋船舶能夠在岸基AIS基站無法覆蓋的范圍內進行定位的基于飛艇的自組織船舶定位系統及其定位方法。
[0007]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:一種基于飛艇的自組織船舶定位系統，包括飛艇定位與控制終端和船舶定位終端；
[0008]所述的飛艇定位與控制終端包括飛艇無線收發模塊、AIS基站模塊、飛艇控制模塊和飛艇主控模塊，所述的飛艇無線收發模塊分別與飛艇AIS信號天線、AIS基站模塊和飛艇控制模塊雙向連接，所述的飛艇主控模塊分別與AIS基站模塊和飛艇控制模塊雙向連接；
[0009]所述的飛艇無線收發模塊通過飛艇AIS信號天線接收與發送AIS信息以及對飛艇的控制信息;AIS基站模塊包括飛艇AIS信號處理模塊、飛艇AIS電文處理模塊和飛艇定位解算模塊，所述的AIS基站模塊通過接收AIS信號，完成AIS信號的幾何測量和電文格式的解析;通過解析的參考點的位置和速度信息，獲取幾何精度因子;通過飛艇定位解算模塊，采用三邊測量定位的方法實現飛艇的自組織定位;所述的飛艇控制模塊包括外部傳感器模塊和姿態控制模塊，通過接收的控制信息以及安裝在飛艇頭尾兩端的傳感器測量的飛艇速度、高度和方向信息實現飛艇方向、位置和角度姿態的調整，進而實現飛艇布局，為遠洋船舶提供AIS信號;所述的飛艇主控模塊實現飛艇的整體控制，通過飛艇控制模塊實現飛艇布局的控制，通過AIS基站模塊實現定位以及AIS信號的收發功能；
[0010]所述的船舶定位終端包括船舶無線收發模塊、AIS船站模塊、顯示模塊和船舶主控模塊，所述的船舶無線收發模塊分別與船舶AIS信號天線和AIS船站模塊雙向連接，所述的船舶主控模塊分別與AIS船站模塊和顯示模塊雙向連接；
[0011]所述的船舶無線收發模塊通過船舶AIS信號天線實現船舶與飛艇間或者船舶與船舶之間的AIS信息數據交換;所述的AIS船站模塊包括船舶AIS信號處理模塊、船舶AIS電文處理模塊和船舶定位解算模塊，通過接收AIS信號，完成AIS信號的幾何測量和電文格式的解析;通過解析的參考點的位置和速度信息，獲取幾何精度因子;通過船舶定位解算模塊，采用三邊測量定位的方法實現船舶的自組織定位;AIS船站模塊將解析后的信息傳輸到船舶主控模塊，由船舶主控模塊進行輸出應用;所述的顯示模塊接收船舶主控模塊的信息并將獲取的周圍船舶信息及自身位置信息標記在電子海圖中。
[0012]—種基于飛艇的自組織船舶定位系統的定位方法，包括以下步驟:
[0013]A、飛艇將岸基AIS基站作為一級定位參考點，通過飛艇定位與控制終端進行自組織定位；
[0014]Al、飛艇通過飛艇無線收發模塊接收岸基AIS基站或者已定位的飛艇發射的AIS信號，并檢測接收到的可作為定位參考點的岸基AIS基站或者已定位飛艇的數量；
[0015]A2、若接收到的可作為定位參考點的岸基AIS基站或者已定位飛艇數量大于等于三個，則轉步驟A3 ；否則轉步驟A4 ；
[0016]A3、飛艇定位解算模塊通過三邊測量法實現飛艇自組織定位;轉步驟A5;
[0017]A4、飛艇通過飛艇控制模塊調整布局，重新搜尋岸基AIS基站或者已定位飛艇的AIS信號，并檢測接收到的可作為定位參考點的岸基AIS基站或者已定位飛艇的數量;轉步驟A2;
[0018]A5、完成飛艇的自組織定位；
[0019]B、遠洋船舶將已定位的飛艇網絡作為二級定位參考點，通過船舶定位終端實現自組織定位；
[0020]B1、船舶定位終端通過船舶無線收發模塊接收飛艇或已定位船舶發射的AIS信號，并檢測接收到的可作為定位參考點的已定位飛艇或者已定位船舶數量；
[0021]B2、若接收到的已定位飛艇或者已定位船舶數量大于等于三個，則轉步驟B3;否則轉步驟B4;
[0022]B3、船舶定位解算模塊通過三邊測量法實現船舶自組織定位;轉步驟B5;
[0023]B4、檢測并等待第三個已定位飛艇或船舶;轉步驟B2;
[0024]B5、船舶定位成功之后將接收到的周圍船舶信息與自身船舶信息標記在電子海圖上，并進行數據存儲；
[0025]C、結束。
[0026]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0027]1、傳統的船舶自組織定位方案是借助岸基AIS基站或借助已定位的船舶進行定位，需要至少同時接收到三個及三個以上的信號，才能實現船舶的自組織定位。如果遠洋船舶不在岸基AIS基站的覆蓋范圍內，則定位效果不理想;而本發明利用飛艇搭載AIS基站，通過合理的布局規劃，使飛艇可以與岸基AIS基站進行通信，通過岸基AIS基站精確的位置信息實現飛艇的定位。然后利用布局的飛艇網絡覆蓋遠洋船舶，使得船舶可以直接與飛艇進行通信，從而實現遠洋船舶的自組織定位。
[0028]2、與單獨的岸基AIS基站網絡相比，本發明定位距離更遠，且無需依賴全球衛星導航系統，遠洋船舶可通過陸基導航系統實現自組織定位。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發明的飛艇定位與控制終端設備結構圖。
[0030]圖2是本發明的船舶定位終端設備結構圖。
[0031]圖3是本發明的飛艇定位與控制流程圖。
[0032]圖4是本發明的船舶定位流程圖。
[0033]圖5是本發明的飛艇布局網絡示意圖。
[0034]圖中:1、飛艇定位與控制終端，2、飛艇AIS信號天線，3、飛艇無線收發模塊，4、AIS基站模塊，5、飛艇AIS信號處理模塊，6、飛艇AIS電文處理模塊，7、飛艇定位解算模塊，8、飛艇控制模塊，9、外部傳感器模塊，10、姿態控制模塊，11、飛艇主控模塊，21、船舶定位終端，22、船舶AIS信號天線，23、船舶無線收發模塊，24、AIS船站模塊，25、船舶AIS信號處理模塊，26、船舶Al S電文處理模塊，27、船舶定位解算模塊，28、顯示模塊，29、船舶主控模塊，31、一號岸基AIS基站，32、二號岸基AIS基站，33、三號岸基AIS基站，34、近海飛艇，35、遠洋飛艇，36、一號遠洋船舶，37、二號遠洋船舶。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖對本發明進行進一步地描述。如圖1-2所示，一種基于飛艇的自組織船舶定位系統，包括飛艇定位與控制終端I和船舶定位終端21 ；
[0036]所述的飛艇定位與控制終端I包括飛艇無線收發模塊3、AIS基站模塊4、飛艇控制模塊8和飛艇主控模塊11，所述的飛艇無線收發模塊3分別與飛艇AIS信號天線2、AIS基站模塊4和飛艇控制模塊8雙向連接，所述的飛艇主控模塊11分別與AIS基站模塊4和飛艇控制模塊8雙向連接；
[0037]所述的飛艇無線收發模塊3通過飛艇AIS信號天線2接收與發送AIS信息以及對飛艇的控制信息;AIS基站模塊4包括飛艇AIS信號處理模塊5、飛艇AIS電文處理模塊6和飛艇定位解算模塊7，所述的AIS基站模塊4通過接收AIS信號，完成AIS信號的幾何測量和電文格式的解析;通過解析的參考點的位置和速度信息，獲取幾何精度因子;通過飛艇定位解算模塊7，采用三邊測量定位的方法實現飛艇的自組織定位;所述的飛艇控制模塊8包括外部傳感器模塊9和姿態控制模塊10，通過接收的控制信息以及外部傳感器模塊9測量的飛艇速度、高度和方向信息實現飛艇方向、位置和角度姿態的調整，進而實現飛艇布局，為遠洋船舶提供AIS信號;所述的飛艇主控模塊11實現飛艇的整體控制，通過飛艇控制模塊8實現飛艇布局的控制，通過AIS基站模塊4實現定位以及AIS信號的收發功能；
[0038]所述的船舶定位終端21包括船舶無線收發模塊23、AIS船站模塊24、顯示模塊28和船舶主控模塊29，所述的船舶無線收發模塊23分別與船舶AIS信號天線22和AIS船站模塊24雙向連接，所述的船舶主控模塊29分別與AIS船站模塊24和顯示模塊28雙向連接；
[0039]所述的船舶無線收發模塊23通過船舶AIS信號天線22實現船舶與飛艇間或者船舶與船舶之間的AIS信息數據交換;所述的AIS船站模塊24包括船舶AIS信號處理模塊25、船舶AIS電文處理模塊26和船舶定位解算模塊27，通過接收AIS信號，完成AIS信號的幾何測量和電文格式的解析;通過解析的參考點的位置和速度信息，獲取幾何精度因子;通過船舶定位解算模塊27，采用三邊測量定位的方法實現船舶的自組織定位;AIS船站模塊將解析后的信息傳輸到船舶主控模塊29，由船舶主控模塊29進行輸出應用；所述的顯示模塊28接收船舶主控模塊29的信息并將獲取的周圍船舶信息及自身位置信息標記在電子海圖中。
[0040]進一步地，所述的外部傳感器模塊9包括安裝在飛艇頭尾兩端的傳感器。
[0041]如圖3-4所示，一種基于飛艇的自組織船舶定位系統的定位方法，包括以下步驟:
[0042]A、飛艇將岸基AIS基站作為一級定位參考點，通過飛艇定位與控制終端I進行自組織定位；
[0043]Al、飛艇通過飛艇無線收發模塊3接收岸基AIS基站或者已定位的飛艇發射的AIS信號，并檢測接收到的可作為定位參考點的岸基AIS基站或者已定位飛艇的數量；
[0044]A2、若接收到的可作為定位參考點的岸基AIS基站或者已定位飛艇數量大于等于三個，則轉步驟A3 ；否則轉步驟A4 ；
[0045]A3、飛艇定位解算模塊7通過三邊測量法實現飛艇自組織定位;轉步驟A5;
[0046]A4、飛艇通過飛艇控制模塊8調整布局，重新搜尋岸基AIS基站或者已定位飛艇的AIS信號，并檢測接收到的可作為定位參考點的岸基AIS基站或者已定位飛艇的數量;轉步驟A2;
[0047]A5、完成飛艇的自組織定位；
[0048]B、遠洋船舶將已定位的飛艇網絡作為二級定位參考點，通過船舶定位終端21實現自組織定位；
[0049]B1、船舶定位終端21通過船舶無線收發模塊23接收飛艇或已定位船舶發射的AIS信號，并檢測接收到的可作為定位參考點的已定位飛艇或者已定位船舶數量；
[0050]B2、若接收到的已定位飛艇或者已定位船舶數量大于等于三個，則轉步驟B3;否則轉步驟B4;
[0051 ] B3、船舶定位解算模塊27通過三邊測量法實現船舶自組織定位;轉步驟B5;
[0052]B4、檢測并等待第三個已定位飛艇或船舶;轉步驟B2;
[0053]B5、船舶定位成功之后將接收到的周圍船舶信息與自身船舶信息標記在電子海圖上，并進行數據存儲；
[0054]C、結束。
[0055]本發明的一個具體實施例如下:
[0056]如圖5所示，設一號岸基AIS基站31、二號岸基AIS基站32和三號岸基AIS基站33為岸基AIS基站網絡中的三個岸基AIS基站;近海飛艇34和遠洋飛艇35為飛艇網絡中的兩個飛艇;一號遠洋船舶36和二號遠洋船舶37為航行在遠洋的兩個遠洋船舶。按照圖3-4所示的流程，首先是飛艇網絡的布局與定位，近海飛艇34可以接收到一號岸基AIS基站31、二號岸基AIS基站32和三號岸基AIS基站33三個岸基AIS基站發射的AIS信號，根據ITU-R M.1371-4標準規定，通過解析岸基AIS基站的AIS消息4電文即可獲取相應的三個岸基AIS基站的具體位置信息，然后通過測量近海飛艇34與三個岸基AIS基站的距離即可計算出近海飛艇34自身的位置，從而實現近海飛艇34的定位。對于遠洋飛艇35，利用三個或三個以上已定位的近海飛艇如已定位近海飛艇34作為參考坐標實現自身定位。如此，多個飛艇通過合理的布局即可實現飛艇網絡的自組織定位。然后是遠洋船舶的定位處理，一號遠洋船舶36捕獲附近已定位的三個飛艇的AIS信號，通過解析飛艇的AIS消息4獲取飛艇的位置信息，然后通過測量一號遠洋船舶36到飛艇的距離實現一號遠洋船舶36的定位。同時，一號遠洋船舶36以及二號遠洋船舶37的AIS信息也可以通過布局的飛艇網絡實現信息交換，并且可以將自身船舶信息傳輸到岸邊AIS信息管理中心。
[0057]本發明不局限于本實施例，任何在本發明披露的技術范圍內的等同構思或者改變，均列為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于飛艇的自組織船舶定位系統，其特征在于:包括飛艇定位與控制終端(I)和船舶定位終端(21); 所述的飛艇定位與控制終端(I)包括飛艇無線收發模塊(3)、AIS基站模塊(4)、飛艇控制模塊(8)和飛艇主控模塊(11)，所述的飛艇無線收發模塊(3)分別與飛艇AIS信號天線(2)、AlS基站模塊(4)和飛艇控制模塊(8)雙向連接，所述的飛艇主控模塊(11)分別與AlS基站模塊(4)和飛艇控制模塊(8)雙向連接； 所述的飛艇無線收發模塊(3)通過飛艇AIS信號天線(2)接收與發送AIS信息以及對飛艇的控制信息;AIS基站模塊(4)包括飛艇AIS信號處理模塊(5)、飛艇AIS電文處理模塊(6)和飛艇定位解算模塊(7)，所述的AIS基站模塊(4)通過接收AIS信號，完成AIS信號的幾何測量和電文格式的解析;通過解析的參考點的位置和速度信息，獲取幾何精度因子;通過飛艇定位解算模塊(7)，采用三邊測量定位的方法實現飛艇的自組織定位;所述的飛艇控制模塊(8)包括外部傳感器模塊(9)和姿態控制模塊(10)，通過接收的控制信息以及外部傳感器模塊(9)測量的飛艇速度、高度和方向信息實現飛艇方向、位置和角度姿態的調整，進而實現飛艇布局，為遠洋船舶提供AIS信號;所述的飛艇主控模塊(11)實現飛艇的整體控制，通過飛艇控制模塊(8)實現飛艇布局的控制，通過AIS基站模塊(4)實現定位以及AIS信號的收發功能； 所述的船舶定位終端(21)包括船舶無線收發模塊(23)、AIS船站模塊(24)、顯示模塊(28)和船舶主控模塊(29)，所述的船舶無線收發模塊(23)分別與船舶AIS信號天線(22)和Al S船站模塊(24)雙向連接，所述的船舶主控模塊(29)分別與Al S船站模塊(24)和顯示模塊(28)雙向連接； 所述的船舶無線收發模塊(23)通過船舶AIS信號天線(22)實現船舶與飛艇間或者船舶與船舶之間的AIS信息數據交換;所述的AIS船站模塊(24)包括船舶AIS信號處理模塊(25)、船舶AIS電文處理模塊(26)和船舶定位解算模塊(27)，通過接收AIS信號，完成AIS信號的幾何測量和電文格式的解析;通過解析的參考點的位置和速度信息，獲取幾何精度因子;通過船舶定位解算模塊(27)，采用三邊測量定位的方法實現船舶的自組織定位;AlS船站模塊將解析后的信息傳輸到船舶主控模塊(29)，由船舶主控模塊(29)進行輸出應用;所述的顯示模塊(28)接收船舶主控模塊(29)的信息并將獲取的周圍船舶信息及自身位置信息標記在電子海圖中。2.根據權利要求1所述的一種基于飛艇的自組織船舶定位系統，其特征在于:所述的外部傳感器模塊(9)包括安裝在飛艇頭尾兩端的傳感器。3.一種基于飛艇的自組織船舶定位系統的定位方法，其特征在于:包括以下步驟: A、飛艇將岸基AIS基站作為一級定位參考點，通過飛艇定位與控制終端(I)進行自組織定位； Al、飛艇通過飛艇無線收發模塊(3)接收岸基AIS基站或者已定位的飛艇發射的AIS信號，并檢測接收到的可作為定位參考點的岸基AIS基站或者已定位飛艇的數量； A2、若接收到的可作為定位參考點的岸基AIS基站或者已定位飛艇數量大于等于三個，則轉步驟A3;否則轉步驟A4; A3、飛艇定位解算模塊(7)通過三邊測量法實現飛艇自組織定位;轉步驟A5; A4、飛艇通過飛艇控制模塊(8)調整布局，重新搜尋岸基AIS基站或者已定位飛艇的AIS信號，并檢測接收到的可作為定位參考點的岸基AIS基站或者已定位飛艇的數量;轉步驟A2； A5、完成飛艇的自組織定位； B、遠洋船舶將已定位的飛艇網絡作為二級定位參考點，通過船舶定位終端(21)實現自組織定位； B1、船舶定位終端(21)通過船舶無線收發模塊(23)接收飛艇或已定位船舶發射的AIS信號，并檢測接收到的可作為定位參考點的已定位飛艇或者已定位船舶數量； B2、若接收到的已定位飛艇或者已定位船舶數量大于等于三個，則轉步驟B3;否則轉步驟B4; B3、船舶定位解算模塊(27)通過三邊測量法實現船舶自組織定位;轉步驟B5; B4、檢測并等待第三個已定位飛艇或船舶;轉步驟B2; B5、船舶定位成功之后將接收到的周圍船舶信息與自身船舶信息標記在電子海圖上，并進行數據存儲； C、結束O
【文檔編號】G01S5/10GK106093859SQ201610562479
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月15日
【發明人】林彬, 張凌
【申請人】大連海事大學