【摘要】：船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)是一個旨在保障海事安全,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接收機可以接收大范圍,乃至全球范圍內(nèi)的船舶AIS信號,實現(xiàn)其對海上交通的全天候、長距離、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,船舶將無法獲悉船位所在,航行安全也將受到威脅。本文針對船舶GNSS設(shè)備失靈或信號受到干擾而無法定位的場景,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)測目標(biāo)船舶的AIS信號,進(jìn)而構(gòu)建測頻時差聯(lián)合定位模型,然后結(jié)合船舶在與星載AIS的可視時間內(nèi)位置變化不大的特點,將基于卡爾曼濾波預(yù)測得到的船位矢量作為新的測量矢量加入到測頻時差聯(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。仿真實驗結(jié)果表明,處在相同環(huán)境下,改進(jìn)模型定位盲點要少于測頻時差定位盲點,改進(jìn)模型定位誤差通常要遠(yuǎn)小于測頻時差定位誤差。(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,考慮到擴展卡爾曼濾波魯棒性較差,在對單一模型下的船舶狀態(tài)進(jìn)行估計時,在IMM的濾波階段引入了期望最大(Expectation Maximization,EM)算法。實驗結(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信號對船舶進(jìn)行定位,研究了基于IMM算法的時差頻差改進(jìn)型船舶自主定位模型,并對IMM算法中的傳統(tǒng)概率更新方式進(jìn)行了改進(jìn)。仿真實驗分別分析了在有、無歷史船位作參考的情況下,時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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：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頻時差改進(jìn)型定位由網(wǎng)格搜索選定的初始位置矢量對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)作了觀測向量，采用卡爾曼濾波算法以衛(wèi)星運行軌跡的星下點中點作為船舶初始狀態(tài)先進(jìn)行初步位置預(yù)測，然后將預(yù)測得到的位置作為測量矢量加入到測頻時差定位模型中，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信號個數(shù) M 3的仿真實驗條件下進(jìn)行的。在圖3-3中，衛(wèi)星接收AIS信號間的時間間隔是相同的，都為30s。圖3-4中衛(wèi)星接收AIS信號間的時間間隔分別為 20s 和 60s 。從這兩幅圖可以看出，測頻時差定位的精度等值曲線是基本關(guān)于衛(wèi)星星下點軌跡兩邊成對稱分布的，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，在星下點軌跡延長線的整體帶狀區(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 時間間隔相同條件下的測頻時差定位誤差分布（單位：千米）

圖 3-4 時間間隔不同條件下的測頻時差定位誤差分布（單位：千米） 顯示了當(dāng)定位誤差為15km時，測頻時差定位在不同狀態(tài)的時間情況，從圖中可以看出，如果衛(wèi)星接收 AIS 信號之間的時間間持續(xù)時間越長，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。在接收信號的時間間隔不相等的情況下，從定位誤差小于，時間間隔為 A 和 B（A <B）的覆蓋范圍大于時間間隔均為 A間隔均為 B 的覆蓋范圍，但若時間間隔都為 C（A<C <B），相同隔之間的比較結(jié)果則難以確定。

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3 朱馮U

本文編號：2791382