提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法。利用AIS提供的合作船舶目标定位跟踪信息，与天波雷达探测到的海面目标定位跟踪信息经过坐标变换和时间统一后进行关联和融合，获得合作船舶目标的定位误差信息，并对天波雷达探测的船舶目标定位跟踪信息进行跟踪定位误差修正。本发明的优势在于：减少了的电离层探测设备，降低了系统成本；使用大量的AIS船舶定位信息获得的误差修正值空间分辨率高，提高了天波雷达船舶定位跟踪精度；对非合作船舶目标进行空间位置误差修正，提高了跟踪定位精度。
【专利说明】提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高频天波雷达船舶目标定位领域，涉及一种提高天波雷达海面船舶目 标跟踪定位精度的方法。
【背景技术】
[0002] 高频天波雷达利用电离层对高频电磁波的折射特性，可实现对海面舰船目标和海 面状态参数远距离大范围超视距探测，探测距离甚至可达到数千公里，具有与其它海洋探 测设备相比更大的效费比。
[0003] 然而，高频天波雷达由于受到工作频段、雷达体制、电离层特性、海杂波和复杂电 磁环境的影响，该雷达系统目标跟踪定位精度低，不能完全满足用户要求。为了提高天波雷 达船舶目标跟踪定位精度，一般可通过增加电离层探测设备数量，提高电离层模型参数反 演精度和空间分辨率，进而提高目标跟踪定位精度。然而，这不仅会大大增加雷达系统构建 复杂度，而且会大大增加系统管理、维护和运行成本，不便于推广应用。根据已知机场位置 和飞机飞行航迹可以获得海面船舶目标定位校正信息，然而，由于陆地机场数量有限，大部 分在内陆飞行，对于远离机场的海面船舶目标，不能进行有效的空间误差校正。
[0004] 本发明提供了一种提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法。船舶自动识 别系统（Automatic Idenfication System, AIS)由舰船和飞机目标敌我识别器发展而来，是 一种集通信技术、网络技术、计算机技术和显示技术一身的数字助航避险系统，通过全球定 位系统配合，将船名、呼号、吨位、时间、位置、航速、航向等船舶静/动态信息向附近海域船 舶和岸基台站广播，使岸基台站及附近船舶能及时掌握附近海域所有船舶的航行态势，为 船舶航行提供安全避险保障。AIS系统分为岸基AIS系统和星载系统，岸基AIS布设在海岸 或岛屿上，一般服务范围只有数十公里，其空间分辨率、时间分辨率和定位跟踪精度高。星 载AIS放置在卫星上，其服务范围面向全球。本发明主要利用了 AIS信息其中的时间、位置 和航速信息。
【发明内容】
[0005] 针对现有天波雷达定位跟踪精度低面临的问题，本发明提供了一种提高天波雷达 海面船舶目标跟踪定位精度的方法，该方法利用现有大量的AIS提供的船舶航行信息，无 需增加新的设备，为高频天波雷达海面船舶目标跟踪定位提供一种新的、低成本、高精度误 差修正新方法，而且还可对非合作船舶目标进行空间位置误差校正，提高了跟踪定位精度。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 一种提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法，通过利用AIS提供的合作 船舶目标定位跟踪信息，与天波雷达探测到的海面目标定位跟踪信息进行关联和融合，获 得不同区域船舶目标的定位误差信息，并对天波雷达探测到的船舶目标定位跟踪信息进行 修正。
[0008] 具体步骤包括如下：
[0009] 步骤1、对天波雷达回波数据进行电离层污染校正，对校正数据利用恒虚警法检测 海面船舶目标，并基于当前电离层参数对目标进行定位和跟踪；
[0010] 步骤2、将AIS跟踪定位的船舶空间、时间和运动信息进行空间、时间和速度变换 到天波雷达坐标系统中；
[0011] 步骤3、将AIS船舶跟踪定位信息与天波雷达探测的数据进行空间、时间和运动关 联与融合；
[0012] 步骤4、以AIS船舶跟踪定位信息为参考，对雷达照射区进行网格划分，提取不同 网格区域天波雷达目标空间定位误差；
[0013] 步骤5、根据获取的不同区域的空间误差，对天波雷达目标定位信息进行修正。
[0014] 所述步骤1的具体实现过程为：
[0015] 根据恒虚警法检测海面船舶目标，并对疑似海面船舶目标进行定位和航迹形成 时，剔除受电离层污染比较严重而没有校正效果、目标信噪比低于10dB、离海岸线小于 20km的数据。
[0016] 所述步骤2的具体实现过程为：
[0017] 将AIS的船舶空时信息基于球体模型的坐标变换和径向投影变换，实现坐标统 一，采用分段线性插值和外推法对AIS航迹进行时间插值，实现与天波雷达的时间对准，进 而实现两者空时信息统一到天波雷达坐标系中，并剔除其中静止船舶、离海岸线小于20km 和目标运动方向频繁出现突然变化且距离误差超过40km的数据。
[0018] 所述步骤3的具体实现过程为：
[0019] 将AIS船舶跟踪定位信息与天波雷达探测的数据进行空间、时间和运动关联与融 合，判断雷达检测目标是否与AIS船舶指示的目标相关，可以AIS提供的目标为标准，以目 标相对于雷达的速度、距离和方位是否落在设定的波门为依据；在做数据关联和融合时，主 要将径向速度作为第一特征，将径向距离和方位角作为第二和第三特征；速度波门、距离波 门以及方向波门的选取以天波雷达的探测精度为依据；关联方法是基于均值最近邻法和模 糊双门限航迹关联法。
[0020] 所述步骤4的具体实现过程为：
[0021] 将雷达区域划分成50kmX50km网格，以AIS船舶跟踪定位信息为参考，提取不同 网格区域天波雷达目标空间定位误差；其中，雷达指示出来的目标跟踪定位信息和AIS提 供的同一目标之间的信息差异，就是雷达探测的修正因子：
[0022] 速度修正因子：Gi = t - V0
[0023] 距离修正因子：Gr= r0
[0024] 方位修正因子：k =之-6)0
[0025] 式中，込、&和色分别表示雷达目标指示航行速度，径向距离、和方位值，V(l、r Q 和e 〇和分别表示AIS提供的同一船舶目标的航行速度，径向距离和方位值。
[0026] 所述步骤5的具体实现过程为：
[0027] 利用获取的不同网格区域的空间误差数据，对落入相应区域天波雷达的目标定位 信息进行误差修正。
[0028] 与现有技术相比，本发明的创新之处在于：把AIS信息引入高频天波雷达目标跟 踪定位误差修正中，不仅提高了高频天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度，而且可对非合 作船舶目标进行空间位置误差校正，提高了跟踪定位精度。
[0029] 本发明的优势在于：无需布设更多的电离层探测设备，投资成本低；由于从AIS获 得的船舶数量庞大，分布范围广泛，可以得到比电离层探测系统空间分辨率更高、数据更可 靠的目标定位信息，而且还可提高对非合作船舶目标的跟踪定位精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1为本发明实施例的高频天波雷达工作原理图（现有技术）。
[0031] 图2为本发明实施例典型的AIS海面船舶态势图（现有技术）。
[0032] 图3为本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图，对本发明进行详细的说明。
[0034] 高频天波雷达工作原理如图1所示。高频天波雷达通常由雷达发射机系统、雷达 接收系统、电离层收发系统、频率合成与同步控制系统以及数据处理系统等组成。雷达发射 系统由功率放大器和发射天线组成，主要是将频率合成器产生的高频信号通过功率放大器 放大后由天线发射出去。雷达接收系统主要由接收天线阵和多信道接收机组成，通过接收 天线阵接收信号，并通过接收机滤波、混频、放大和数据采集变成数字信号。信息处理系统 分为信息预处理系统、目标检测系统、目标跟踪定位系统和电离层参数反演系统组成。信息 预处理系统只要用于信号抗干扰、电离层污染校正和海杂波处理等，目标检测系统主要用 于目标检测，目标跟踪定位系统主要用于坐标配准、目标定位和跟踪。电离层探测系统由电 离层发射系统、接收系统和电离层参数反演系统组成。电离层发射系统发射电离层探测信 号，电离层接收系统接收电离层探测信号，电离层反演系统主要用于反演电离层模型参数， 为雷达目标进行坐标配准提供电离层参数模型。频率合成与同步控制系统的主要作用是产 生系统射频信号、本振信号和各种同步触发脉冲信号，协调系统同步正常工作。
[0035] 图2为典型的AIS海面船舶态势图。从此图可见，AIS可提供广阔海面大量的可 用于误差校正的船舶。
[0036] 本发明的流程示意图如图3所示，具体实施步骤如下所述：
[0037] 步骤1、对天波雷达回波数据进行电离层污染校正，对校正数据利用恒虚警法检测 海面船舶目标，并基于当前电离层参数对目标进行定位和跟踪；具体实现过程为：根据恒 虚警法检测海面船舶目标，并对海面船舶目标进行定位和航迹形成时，剔除受电离层污染 严重而不能校正、目标信噪比低于10dB、离海岸线小于20km的数据。
[0038] 步骤2、将AIS跟踪定位的船舶空间、时间和运动信息进行空间、时间和速度变换 到天波雷达坐标系统中；具体实现过程为：
[0039] 步骤2、将AIS的船舶空时信息基于球体模型的坐标变换和径向投影变换，实现坐 标统一，采用分段线性插值和外推法对AIS航迹进行时间插值，实现与天波雷达的时间对 准，进而实现两者空时信息统一到天波雷达坐标系中，并剔除其中静止船舶、离海岸线小于 20km和目标点迹频繁出现大幅度弯折且距离误差超过40km的数据。
[0040] 步骤3、将AIS船舶跟踪定位信息与天波雷达探测的数据进行空间、时间和运动关 联与融合；具体实现过程为：
[0041] 将AIS船舶跟踪定位信息与天波雷达探测的数据进行空间、时间和运动关联与融 合，判断雷达检测目标是否与AIS船舶指示的目标相关，以AIS提供的目标为标准，以目标 相对于雷达的速度、距离和方位是否落在设定的波门为依据；在做数据关联和融合时，主要 将径向速度作为第一特征，将距离和方位角作为第二和第三特征；速度波门、距离波门以及 方向波门的选取以天波雷达的探测精度为依据；关联方法是基于均值最近邻法和模糊双门 限航迹关联法。
[0042] 步骤4、以AIS船舶跟踪定位信息为参考，提取不同区域天波雷达目标空间定位误 差。具体实现过程为：将雷达区域划分成50kmX 50km网格，以AIS船舶跟踪定位信息为参 考，提取不同网格区域天波雷达目标空间定位误差；其中，雷达指示出来的目标跟踪定位信 息和AIS提供的同一目标之间的信息差异，就是雷达探测的修正因子：
[0043] 速度修正因子：G,. = b - V0
[0044] 距离修正因子：Gr = & - r〇
[0045] 方位修正因子：= &/ - ft,
[0046] 式中，&、&和色分别表示雷达目标指示航行速度，径向距离、和方位值，V(l、& 和e 〇和分别表示AIS提供的同一船舶目标的航行速度，径向距离和方位值。
[0047] 步骤5、根据获取的不同区域的空间误差，对天波雷达目标定位信息进行修正；具 体实现过程为：利用获取的不同网格区域的空间误差数据，对落入相应区域天波雷达的目 标定位信息进行误差修正。
【权利要求】
1. 一种提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法，其特征在于：利用AIS提供 的合作船舶目标定位跟踪信息，与天波雷达探测到的海面目标定位跟踪信息经过坐标变换 和时间统一后进行关联和融合，获得合作船舶目标的定位误差信息，并对天波雷达探测到 的船舶目标定位跟踪信息进行误差修正。
2. 根据权利要求1所述的一种提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法，其特 征在于：具体步骤包括如下： 步骤1、对天波雷达回波数据进行电离层污染校正，对校正数据利用恒虚警法检测海面 船舶目标，并基于当前电离层参数对目标进行定位和跟踪； 步骤2、将AIS跟踪定位的船舶空间、时间和运动信息进行空间、时间和速度变换到天 波雷达坐标系统中； 步骤3、将步骤2中AIS船舶跟踪定位信息与步骤1中天波雷达探测的跟踪定位数据进 行空间、时间和运动关联与融合； 步骤4、以AIS船舶跟踪定位信息为参考，对雷达照射区进行网格划分，提取不同网格 区域天波雷达目标空间定位误差； 步骤5、根据获取的不同区域的空间误差，对天波雷达目标定位数据信息进行修正。
3. 根据权利要求2所述的一种提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法，其特 征在于：所述步骤1的具体实现过程为： 根据恒虚警法检测海面船舶目标，并对海面船舶目标进行定位和航迹形成时，剔除受 电离层污染严重而没有校正效果、目标信噪比低于10dB、离海岸线小于20km的数据。
4. 根据权利要求3所述的一种提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法，其特 征在于：所述步骤2的具体实现过程为： 将AIS的船舶空时信息基于球体模型的坐标变换和径向投影变换，实现坐标统一，采 用分段线性插值和外推法对AIS航迹进行时间插值，实现与天波雷达的时间对准，进而实 现两者空时信息统一到天波雷达坐标系中，并剔除其中静止船舶、离海岸线小于20km和目 标运动方向频繁出现突然变化且距离误差超过40km的数据。
5. 根据权利要求4所述的一种提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法，其特 征在于：所述步骤3的具体实现过程为： 将AIS船舶跟踪定位信息与天波雷达探测的数据进行空间、时间和运动关联与融合， 判断雷达检测目标是否与AIS船舶指示的目标相关，以AIS提供的目标为标准，以目标相对 于雷达的速度、距离和方位是否落在设定的波门为依据；在做数据关联和融合时，主要将径 向速度作为第一特征，将径向距离和方位角作为第二和第三特征；速度波门、距离波门以及 方向波门的选取以天波雷达的探测精度为依据；关联方法是基于均值最近邻法和模糊双门 限航迹关联法。
6. 根据权利要求5所述的一种提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法，其特 征在于：所述步骤4的具体实现过程为： 将雷达区域划分成50kmX 50km网格，以AIS船舶跟踪定位信息为参考，提取不同网格 区域天波雷达目标空间定位误差；其中，雷达指示出来的目标跟踪定位信息和AIS提供的 同一目标之间的信息差异，就是雷达探测的修正因子。
7. 根据权利要求6所述的一种提高天波雷达海面船舶目标跟踪定位精度的方法，其特 征在于：所述步骤5的具体实现过程为： 利用获取的不同网格区域的空间误差数据，对落入相应区域天波雷达的目标定位信息 进行误差修正。
【文档编号】G01S7/40GK104391281SQ201410673749
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】高火涛, 高可至 申请人:武汉大学