一种基于雷达与北斗数据的船舶深度融合定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于雷达与北斗数据的船舶深度融合定位方法，利用岸基雷达获取到的船舶信息与北斗船载终端提供的船舶信息构建船舶深度融合定位模型，在复杂的水域环境下，可以实现船舶目标的精确可靠定位。主要步骤如下：首先对雷达与北斗数据进行时空转换与统一；然后构建船舶深度融合定位模型；最后进行鲁棒滤波的递推计算，实时获取船舶位置的精确估计值。本发明专利技术能够在无法确切知道信号噪声统计特性的情况下，精确估计出船舶的位置坐标，具有精度高、可靠性强、适用性广等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于雷达与北斗数据的船舶深度融合定位方法
本专利技术涉及多源信息融合领域，特别是一种基于雷达与北斗数据的船舶深度融合定位方法。
技术介绍
为确保船舶航行安全，提高航运效率，船舶交通管理系统(VesselTrafficServices，VTS)在我国水上交通管理部门获得大规模应用普及。VTS通过多源信息融合技术对雷达目标信息和AIS目标信息(AutomaticIdentificationSystem，船舶自动识别系统)进行融合定位，从而获取精确可靠的船舶位置信息。传统的融合定位方法一般将信号噪声设定为高斯白噪声，但在复杂的水域环境下，不确定的非线性噪声会使传感器的噪声统计特性发生变化，使得传统方法预先设定的噪声模型不准确，从而导致定位精度下降、适用性变差，无法精确估计出船舶位置。与此同时，绝大多数船载AIS设备都是使用美国的全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)提供船舶的位置信息。但GPS受制于美国的选择失效(SD)技术，该技术可通过基于陆地上的干扰源来干扰民用GPS信号，导致AIS目标定位精度大幅降低、可用性减弱。着眼于国家安全和经济社会发展需要，我国自主研制建设了北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)，该系统不受国外政策和形势的影响，能为用户提供全天候、高精度、强安全的定位、导航和授时服务。伴随系统服务能力提升，北斗逐渐应用于水上交通运输领域，海事部门的公务船只、渔船、客船等已经开始使用北斗船载终端来替代船载AIS设备。可以预见，在国家相关部门的大力推广下，北斗船载终端将会快速普及，逐渐替代船载AIS设备。由此可见，研究基于雷达与北斗数据的船舶融合定位方法，对我国VTS的进一步发展具有至关重要的意义。为克服传统方法在实际应用中的不足，本专利技术提出一种基于雷达和北斗数据的船舶深度融合定位方法，该方法通过使用鲁棒滤波算法解决模型中存在的不确定性问题，对噪声的不确定性具有较强的鲁棒性。在无法确切知道复杂环境中噪声信号统计特性的情况下，本专利技术可以精确估计出船舶位置坐标，具有精度高、可靠性强、适用性广等特点，为VTS提供精确可靠的船舶位置信息。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于雷达与北斗数据的船舶深度融合定位方法，该基于雷达与北斗数据的船舶深度融合定位方法为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于雷达与北斗数据的船舶深度融合定位方法，包括如下步骤。步骤1、时空转换与统一，具体包括坐标转换和时间校准。坐标转换是指将岸基雷达获取到的船舶位置坐标以及北斗船载终端提供的船舶位置坐标均转换为平面直角坐标。同时，将岸基雷达探测到的船舶目标称为雷达目标，北斗船载终端提供信息的船舶目标称为北斗目标。时间校准则是将岸基雷达的时间与北斗船载终端的时间进行校对与统一。步骤2、构建船舶深度融合定位模型：基于岸基雷达获取到的船舶位置信息与北斗船载终端提供的船舶位置信息、速度信息和航向信息，构建船舶深度融合定位模型如下：且令式(1)和式(2)中，k表示离散化时刻，取值为2、3、4......。表示k时刻深度融合后的船舶定位模型估计值。xk、yk分别表示平面直角坐标系下k时刻船舶目标在x轴和y轴方向上的坐标值。xk-1、yk-1分别表示平面直角坐标系下k-1时刻船舶目标在x轴和y轴方向上的坐标值。和分别表示平面直角坐标系下k时刻北斗目标在x轴和y轴方向上的速度。和分别表示平面直角坐标系下k-1时刻北斗目标在x轴和y轴方向上的速度。Δt表示k和k-1时刻之间的时间间隔。表示北斗船载终端提供的船舶速度。A表示北斗船载终端提供的航向角。x1、y1分别表示平面直角坐标系下k＝1时刻船舶目标在x轴和y轴方向上的坐标值。和分别表示平面直角坐标系下k＝1时刻雷达目标在x轴和y轴方向上的坐标值。步骤3、确定船舶目标位置观测值Zk：根据当前k时刻岸基雷达和北斗船载终端的自身定位精度、以及信号强弱，确定k时刻的船舶目标位置观测值Zk。步骤4、构建k-1时刻至k时刻之间的过程船舶深度融合定位模型具体如下式所示：其中，表示k-1时刻深度融合后的船舶定位模型估计值，将公式(1)中的k替换为k-1得到。Fk，k-1表示k-1时刻至k时刻之间的状态转移矩阵。步骤5、确定噪声调节系数λ：以高精度组合定位系统输出的船舶位置作为基准值，手动调节系数λ，使得滤波输出的船舶位置与基准值之间的差值不高于1m，并将差值不高于1m时的系数λ确定为最终的噪声调节系数λ；其中，高精度组合定位系统的定位精度高于岸基雷达和北斗船载终端的定位精度。步骤6、构建精度误差协方差估计矩阵，具体如下：其中：式(5)至式(8)中，Pk表示k时刻的精度误差协方差估计矩阵。Pk-1表示k-1时刻的精度误差协方差估计矩阵，将公式(5)中的k替换为k-1得到。H表示观测矩阵。I表示单位矩阵。Rk，k-1表示k-1时刻至k时刻之间的噪声调节矩阵，需代入步骤5确定的噪声调节系数λ。P1表示k＝1时刻的精度误差协方差估计矩阵。γ1x表示岸基雷达在k＝1时刻的x轴方向的初始位置精度误差。γ1y表示岸基雷达在k＝1时刻的y轴方向的初始位置精度误差。表示北斗船载终端在k＝1时刻的x轴方向的初始速度精度误差。表示北斗船载终端在k＝1时刻的y轴方向的初始速度精度误差。步骤7、构建噪声滤波增益矩阵Kk，具体如下：Kk＝PkHT(1+HPkHT)-1(9)接着，将步骤6构建的Pk，代入公式(9)中，得到噪声滤波增益矩阵Kk。步骤8、构建船舶深度融合定位后的滤波输出矩阵，具体如下：将步骤2构建的步骤3确定的Zk、步骤4构建的和步骤7构建的Kk，分别代入公式(10)，从而得到船舶深度融合定位后的滤波输出矩阵。通过对船舶深度融合定位后的滤波输出矩阵进行迭代更新，从而得到平面直角坐标系下k时刻准确的位置信息xk和yk。步骤3中，确定k时刻的船舶目标位置观测值Zk，具体方法为：(a)在当前k时刻，当岸基雷达和北斗船载终端的信号均不低于设定值时，则选取岸基雷达和北斗船载终端两者中自身定位精度中较大值的船舶位置信息，作为船舶目标位置观测值Zk。(b)在当前k时刻，当岸基雷达和北斗船载终端两者中仅有一个信号低于设定值时，则选取信号不低于设定值的船舶位置信息，作为船舶目标位置观测值Zk。步骤3(a)中，当岸基雷达的自身定位精度大于北斗船载终端的自身定位精度时，Zk取值为：其中，和分别表示平面直角坐标系下k时刻雷达目标在x轴和y轴方向上的坐标值。当岸基雷达的自身定位精度小于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于雷达与北斗数据的船舶深度融合定位方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤1、时空转换与统一，具体包括坐标转换和时间校准；/n坐标转换是指将岸基雷达获取到的船舶位置坐标以及北斗船载终端提供的船舶位置坐标均转换为平面直角坐标；同时，将岸基雷达探测到的船舶目标称为雷达目标，北斗船载终端提供信息的船舶目标称为北斗目标；/n时间校准则是将岸基雷达的时间与北斗船载终端的时间进行校对与统一；/n步骤2、构建船舶深度融合定位模型：基于岸基雷达获取到的船舶位置信息与北斗船载终端提供的船舶位置信息、速度信息和航向信息，构建船舶深度融合定位模型如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于雷达与北斗数据的船舶深度融合定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、时空转换与统一，具体包括坐标转换和时间校准；
坐标转换是指将岸基雷达获取到的船舶位置坐标以及北斗船载终端提供的船舶位置坐标均转换为平面直角坐标；同时，将岸基雷达探测到的船舶目标称为雷达目标，北斗船载终端提供信息的船舶目标称为北斗目标；
时间校准则是将岸基雷达的时间与北斗船载终端的时间进行校对与统一；
步骤2、构建船舶深度融合定位模型：基于岸基雷达获取到的船舶位置信息与北斗船载终端提供的船舶位置信息、速度信息和航向信息，构建船舶深度融合定位模型如下：



且令



式(1)和式(2)中，k表示离散化时刻，取值为2、3、4......；

表示k时刻深度融合后的船舶定位模型估计值；
xk、yk分别表示平面直角坐标系下k时刻船舶目标在x轴和y轴方向上的坐标值；
xk-1、yk-1分别表示平面直角坐标系下k-1时刻船舶目标在x轴和y轴方向上的坐标值；

和分别表示平面直角坐标系下k时刻北斗目标在x轴和y轴方向上的速度；

和分别表示平面直角坐标系下k-1时刻北斗目标在x轴和y轴方向上的速度；
Δt表示k和k-1时刻之间的时间间隔；

表示北斗船载终端提供的船舶速度；A表示北斗船载终端提供的航向角；
x1、y1分别表示平面直角坐标系下k＝1时刻船舶目标在x轴和y轴方向上的坐标值；

和分别表示平面直角坐标系下k＝1时刻雷达目标在x轴和y轴方向上的坐标值；
步骤3、确定船舶目标位置观测值Zk：根据当前k时刻岸基雷达和北斗船载终端的自身定位精度、以及信号强弱，确定k时刻的船舶目标位置观测值Zk；
步骤4、构建k-1时刻至k时刻之间的过程船舶深度融合定位模型具体如下式所示：



其中，




表示k-1时刻深度融合后的船舶定位模型估计值，将公式(1)中的k替换为k-1得到；Fk，k-1表示k-1时刻至k时刻之间的状态转移矩阵；
步骤5、确定噪声调节系数λ：以高精度组合定位系统输出的船舶位置作为基准值，手动调节系数λ，使得滤波输出的船舶位置与基准值之间的差值不高于1m，并将差值不高于1m时的系数λ确定为最终的噪声调节系数λ；其中，高精度组合定位系统的定位精度高于岸基雷达和北斗船载终端的定位精度；
步骤6、构建精度误差协方差估计矩阵，具体如下：



其中：









式(5)至式(8)中，Pk...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏亮，金家龙，石志国，孙硕，彭朋，
申请(专利权)人：中船重工鹏力南京大气海洋信息系统有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32