基于ais信息的岸基對海雷達(dá)標(biāo)校方法

基于ais信息的岸基對海雷達(dá)標(biāo)校方法

1基于gps的方法本拉登具有勘探、跟蹤和引導(dǎo)大海中的船只的功能。隨著工作時(shí)間的延長,其系統(tǒng)誤差不斷累積,會(huì)導(dǎo)致測量值誤差增大,嚴(yán)重影響其性能發(fā)揮。因此,必須定期對雷達(dá)系統(tǒng)誤差進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn),這一過程就是雷達(dá)標(biāo)校。目前,國內(nèi)岸基對海雷達(dá)標(biāo)校主要采用架設(shè)標(biāo)校塔、使用有源雷達(dá)標(biāo)校設(shè)備和“船舶+GPS”等方法。前兩種方法易受雷達(dá)陣地、氣候條件等因素影響,存在實(shí)施復(fù)雜、設(shè)備需求高、標(biāo)校效果不佳等不足?；贕PS技術(shù)的“船舶+GPS”標(biāo)校方法以加裝高精度差分GPS的船舶作為配合目標(biāo),數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將配合目標(biāo)GPS位置實(shí)時(shí)送至雷達(dá)標(biāo)校設(shè)備,利用雷達(dá)天線和配合目標(biāo)的GPS位置信息實(shí)時(shí)解算出配合目標(biāo)的距離方位真值,作為標(biāo)校參考值進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)誤差計(jì)算。該方法可靠性好,精度高,得到了廣泛使用,但標(biāo)校時(shí)需要專門目標(biāo)船配合,標(biāo)校時(shí)間長,經(jīng)費(fèi)需求大。船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)(AutomaticIdentificationSystem,AIS)作為一種新型輔助導(dǎo)航設(shè)備,其岸臺(tái)設(shè)備可接收由船載設(shè)備播發(fā)的包含本船GPS位置信息的AIS報(bào)文,即可獲得與“船舶+GPS”雷達(dá)標(biāo)校方法相同的信息。本文將對應(yīng)用AIS報(bào)文信息進(jìn)行岸基對海雷達(dá)標(biāo)校的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行討論。2ais報(bào)文校核學(xué)AIS是國際海事組織、國際航標(biāo)協(xié)議、國際電信聯(lián)盟等國際組織近幾年共同研究的一種新型的輔助導(dǎo)航設(shè)備,由船載設(shè)備和岸臺(tái)設(shè)備兩部分組成。根據(jù)國際海事組織要求,所有航行于國際航線300總噸以上船舶和航行于國內(nèi)航線500總噸以上的船舶,已于2008年7月1日之前完成了船載AIS設(shè)備安裝。因此,岸臺(tái)AIS接收設(shè)備可方便獲得觀測海域內(nèi)船舶發(fā)出的AIS報(bào)文。雷達(dá)標(biāo)校包括標(biāo)定和校準(zhǔn)兩個(gè)階段,雷達(dá)標(biāo)定是獲取雷達(dá)系統(tǒng)誤差值的過程,其方法為:確定雷達(dá)配合目標(biāo),由被校雷達(dá)測出該目標(biāo)位置作為測量值,由測量精度為被校雷達(dá)5倍以上的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測出目標(biāo)位置作為真值,將測量值與真值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算即可獲得被校雷達(dá)系統(tǒng)誤差值。求得系統(tǒng)誤差后,對雷達(dá)測距零值和測角零值進(jìn)行修正,完成對雷達(dá)的校準(zhǔn)。應(yīng)用AIS信息進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)校原理如圖1所示,雷達(dá)站安裝AIS接收設(shè)備、數(shù)據(jù)錄取設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。AIS接收設(shè)備接收海上船舶發(fā)出的AIS報(bào)文,輔助雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)識別。數(shù)據(jù)錄取設(shè)備分別實(shí)時(shí)記錄AIS報(bào)文和雷達(dá)對海上船舶探測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理設(shè)備提取數(shù)據(jù)錄取設(shè)備記錄數(shù)據(jù),將雷達(dá)對同一批目標(biāo)測量數(shù)據(jù)集合構(gòu)成一條雷達(dá)航跡,同一部船載AIS設(shè)備報(bào)文中的位置數(shù)據(jù)集合構(gòu)成一條AIS航跡,通常一個(gè)時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)可獲得多條雷達(dá)航跡和AIS航跡。對雷達(dá)航跡與AIS航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算,若關(guān)聯(lián)成功,則表明兩條航跡來自于同一個(gè)目標(biāo),這時(shí)將雷達(dá)航跡中雷達(dá)對該目標(biāo)的距離、方位值作為測量值,將根據(jù)AIS報(bào)文提供的GPS位置信息計(jì)算獲得的目標(biāo)距離、方位值作為真值,經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算即可獲得雷達(dá)系統(tǒng)誤差。3計(jì)算系統(tǒng)誤差的過程3.1雷達(dá)和ais收入數(shù)據(jù)的讀取在保證統(tǒng)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)量的前提下,選取一段時(shí)間內(nèi)雷達(dá)和AIS錄取數(shù)據(jù),雷達(dá)數(shù)據(jù)按照錄取批次,AIS數(shù)據(jù)按照報(bào)文MMSI(海上移動(dòng)服務(wù)識別碼)號,將同一目標(biāo)的數(shù)據(jù)按時(shí)間順序存放。3.2雷達(dá)和ais在不同設(shè)備設(shè)備比航跡關(guān)聯(lián)流程如圖2所示。由于AIS報(bào)文中的GPS位置信息采用WGS-84世界大地坐標(biāo)系,雷達(dá)探測信息采用以雷達(dá)站為中心的站心極坐標(biāo)系,其目標(biāo)位置坐標(biāo)不同。同時(shí),雷達(dá)和AIS的開機(jī)時(shí)間、采樣率不同,不同設(shè)備數(shù)據(jù)錄取時(shí)間不一致,存在著觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間差。因此,在進(jìn)行關(guān)聯(lián)判決前需要進(jìn)行坐標(biāo)變換和時(shí)間配準(zhǔn),完成了時(shí)空統(tǒng)一后再進(jìn)行航跡關(guān)聯(lián)判決。航跡關(guān)聯(lián)的重點(diǎn)是要保證關(guān)聯(lián)的正確性,即每一對關(guān)聯(lián)成功航跡的數(shù)據(jù)必須來自于同一個(gè)目標(biāo),可采用增加關(guān)聯(lián)判決成功比(L/R),選擇合適關(guān)聯(lián)門限、人工分析航跡等方法保證關(guān)聯(lián)正確性。3.2.1gps位置坐標(biāo)系的確定將坐標(biāo)統(tǒng)一到以雷達(dá)為中心的站心極坐標(biāo)系上,測出雷達(dá)天線GPS位置坐標(biāo),并利用AIS報(bào)文所含船舶GPS位置信息,經(jīng)計(jì)算即可獲得船舶相對雷達(dá)的站心極坐標(biāo),坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法見文獻(xiàn)。3.2.2相鄰數(shù)據(jù)時(shí)間t雷達(dá)數(shù)據(jù)率低,通常將雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)間作為公共時(shí)間,把AIS數(shù)據(jù)的時(shí)間都統(tǒng)一到公共時(shí)間上。假定雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)間為t,AIS相鄰數(shù)據(jù)時(shí)間為t1、t2且滿足t1<t<t2,那么:如果Z(t1)<Z(t2),則:如果Z(t1)>Z(t2),則:式中,Z(t)、Z(t1)、Z(t2)為AIS數(shù)據(jù)在相應(yīng)時(shí)間的距離、方位位置信息。這樣就得到AIS數(shù)據(jù)在t時(shí)刻的位置信息。3.2.3航跡關(guān)聯(lián)判決采用雙門限關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則,對來自兩個(gè)局部節(jié)點(diǎn)的R個(gè)估計(jì)差樣本,首先逐個(gè)基于χ2分布門限進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn),若判為接受,則計(jì)數(shù)器加1,否則計(jì)數(shù)器值不變。然后把計(jì)數(shù)器所計(jì)之值與指定的數(shù)L進(jìn)行比較,經(jīng)過R次檢驗(yàn)后,如果計(jì)數(shù)器的輸出大于或等于L,則完成航跡關(guān)聯(lián)判決,否則判定為不關(guān)聯(lián)航跡。具體方程及判決過程如下:對于l=1,2,…,R,選用加權(quán)法檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,并逐點(diǎn)計(jì)算:如果則當(dāng)mij(l)≥L時(shí),則宣布局部節(jié)點(diǎn)1的航跡i與局部節(jié)點(diǎn)2的航跡j關(guān)聯(lián),否則判為不關(guān)聯(lián)。式(3)中,X?1i(l|l)X^i1(l|l)、X?2j(l|l)X^j2(l|l)和P1ii1(l|l)、P2jj2(l|l)分別為來自局部節(jié)點(diǎn)1航跡i和局部節(jié)點(diǎn)2航跡j在l時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)及估計(jì)協(xié)方差。3.3測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之差通過航跡關(guān)聯(lián),可獲得某一目標(biāo)對應(yīng)的雷達(dá)和AIS數(shù)據(jù)。以雷達(dá)數(shù)據(jù)為測量值,AIS數(shù)據(jù)經(jīng)過解算獲得的距離和方位值作為標(biāo)準(zhǔn)值。設(shè)Δi為各次測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之差,即真差。平均誤差α相當(dāng)于統(tǒng)計(jì)平均,是一組測量結(jié)果的系統(tǒng)誤差:標(biāo)準(zhǔn)誤差σ為各次等精度測量的真差與平均誤差之差的均方根值,相當(dāng)于統(tǒng)計(jì)方差的平方根,是一組測量結(jié)果的隨機(jī)誤差:式中,i=1,…,n,n為測量次數(shù)。4航跡數(shù)據(jù)分析本文所討論的應(yīng)用AIS信息進(jìn)行岸基對海雷達(dá)標(biāo)校的方法,已利用某實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了效果驗(yàn)證。與“船舶+GPS”標(biāo)校方法獲得雷達(dá)系統(tǒng)誤差值對比結(jié)果表明:由于不同船舶AIS設(shè)備GPS定位精度不同,利用不同航跡數(shù)據(jù)計(jì)算所得雷達(dá)系統(tǒng)誤差結(jié)果存在一定