基于自适应信息融合的船舶综合PNT系统及其监控方法与流程

本发明属于船舶导航技术领域，涉及船舶综合pnt系统，尤其是一种基于自适应信息融合的船舶综合pnt系统及其监控方法。

背景技术：

随着全球性经济贸易往来日益频繁，船舶交通密度越来越大，越来越多的电磁频率恶意和无意干扰，加上其他环境挑战(低可见度、电离层闪烁)和地理因素导致的问题，交通环境日趋复杂，避碰和搁浅事故频繁发生。船舶航行中对高精度pnt信息的需求日益增强，然而当前存在的系统中船舶定位、导航与授时(pnt,position,navigationandtiming)信息呈现出不准确性和信息的不完整性，严重制约了船舶交通运输领域的发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、稳定可靠且容错性强的基于自适应信息融合的船舶综合pnt系统及其监控方法。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于自适应信息融合的船舶综合pnt系统，包括pnt传感器单元、数据采集单元、信息融合单元和海图导航单元，所述pnt传感器单元与数据采集单元相连接，用于获取船舶定位、导航与授时pnt信息；

所述数据采集单元与信息融合单元相连接，用于将采集的船舶pnt信息进行集成后输出至信息融合单元；

所述信息融合单元与海图导航单元相连接，用于对传感器原始数据预处理、多方案切换自适应融合，以及故障检测、故障隔离与系统重构；

所述海图导航单元用于实现船舶定位导航、航线规划和航行监控等船舶驾驶辅助。

而且，所述pnt传感器单元包括bds北斗导航系统、gps全球定位系统、罗经、惯性导航系统、计程仪、雷达、ais船舶自动识别系统和气象仪，用于集成所有从船上传感器获得可用的pvt数据、n数据以及从船上传感器获得可用的原始数据；所述pnt传感器单元通过网络或串口与数据采集单元相连接。

而且，所述数据采集单元采用数据集成和关联方法，面向对象和基于方程的物理建模语言，统一形式描述多现象学pnt数据，对不同现象pnt的共同结构特征进行分析抽象和统一建模，进而实现对bds、gps、罗经、惯性导航系统、计程仪、雷达、ais的pnt信息的一体化集成。

而且，所述信息融合单元的多方案切换自适应融合是实现对同类、异类信息进行有效融合；

而且，所述信息融合单元的故障检测是适用于分散化估计和并行滤波结构的综合故障诊断，其方法是以卡尔曼滤波为主体，融合联邦理论、分布式滤波、自适应及其智能算法的方式实现；

而且，所述信息融合单元的故障隔离与系统重构的方法是：通过实时监测gnss、无线电导航系统等各种pnt信号，以风险评估为基础，确定信号对近实时分发的干扰，描述其完好性特征，及时识别故障设备，将其与正常设备隔离，实现将失效子系统隔离，用剩下的正常子系统继续完成导航任务，并以最佳组合方案对剩余的正常子系统进行重构。

而且，所述海图导航单元以电子海图为应用平台，综合地理信息、目标信息、水文气象与海洋信息等辅助导航信息，利用多源信息的数据关联、特征提取、量度匹配等技术，以电子海图系统为综合pnt信息处理和应用平台，实现集综合态势、综合导航、监测报警多功能为一体的智能化航行辅助。

一种基于自适应信息融合的船舶综合pnt系统的监控方法，包括如下步骤：

步骤1、验证系统的定位信息，通过使用gnss的raim功能和船舶设备量测艏向和速度进行船位推算进行综合比较；

步骤2、同艏向传感器比较，再与对地航向传感器比较；

步骤3、分别与sog传感器、stw传感器、gnss获得的速度进行比较；

步骤4、分别与另一个时间传感器和系统内部时钟进行比较；

步骤5、与深度传感器比较，再用船舶位置与电子海图对应的位置的深度进行比较。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明立足e-航海(e-navigaiton)战略框架，提出一种基于自适应信息融合的船舶综合pnt系统。本发明具备多方案切换的船舶综合pnt功能，利用各种传感器信息互补、冗余及其相互之间的有机联系，对多传感器的信息进行综合处理，提高系统的定位导航精度和可靠性。

2、本发明采用故障诊断与监测报警技术对pnt信息的完好性、可靠性、精确性进行实时监测。并利用地理信息系统(gis)技术集成本船及其周围目标的位置和水文气象信息，把所有相关态势进行融合处理，最终把综合导航与交通态势信息提供给船员，以提高船舶的安全航行，保证pnt信息的准确性和完整性。

3、本发明基于自适应信息融合的船舶综合pnt系统采用多现象学理论设计多源pnt传感器体系架构，支持pnt信息源及信息路径的多样。且系统中多方案切换信息融合功能能够根据故障诊断和权值评估对各子系统进行在线自适应估计，自动形成最优组合方案，有效提高了系统的精度、完好性和可靠性，解决当前存在的系统中船舶定位、导航与授时信息呈现出不准确性和信息的不完整性的问题。此外该系统具有较强的适应性和灵活性，能够适应不同的条件和应用场合，具有重要工程实用价值。

4、本发明操作便捷，能够提供高精度稳健的pnt信息及其他导助航信息，满足船舶航行需求，提高船舶航行安全保障。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的pnt数据输入输出关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种基于自适应融合的船舶综合pnt系统，目的在于解决当前存在的系统中船舶定位、导航与授时(pnt,position,navigationandtiming)信息呈现出不准确性和信息的不完整性的问题，提供船舶航行安全保障。

一种基于自适应信息融合的船舶综合pnt系统，包括pnt传感器单元、数据采集单元、信息融合单元、海图导航单元，构成高可靠的容错综合pnt系统，用于为船舶提供精确、可靠的定位导航信息。

(1)所述pnt传感器单元用于获取船舶定位、导航与授时(pnt)信息；

在本实施例中，所述pnt传感器单元包括多现象学(如惯性、无线电、机械等类型)pnt传感器，包括bds(北斗导航系统)、gps(全球定位系统)、罗经、惯性导航系统、计程仪、雷达、ais(船舶自动识别系统)、气象仪等多种pnt传感器，用于集成所有从船上传感器获得可用的pvt(定位、速度和授时)和n(导航)数据，以及从船上传感器获得可用的原始数据，以提供最优的pnt输出数据，上述传感器通过网络或串口与数据采集单元相连接。

(2)所述数据采集单元用于对船舶pnt信息采集；

在本实施例中，所述数据采集单元采用数据集成和关联方法，面向对象和基于方程的物理建模语言，统一形式描述多现象学(如惯性、无线电、机械等类型)pnt数据，对不同现象pnt的共同结构特征进行分析抽象和统一建模，设计pnt系统顶层体系架构，支持pnt信息源及信息路径的多样性，进而实现对多源pnt信息的一体化集成。

具体来说，一体化集成bds、gps、罗经、惯性导航系统、计程仪、雷达、ais等pnt信息，并将数据信息输入到信息融合单元。

(3)所述信息融合单元用于传感器原始数据预处理、以多切换方案对数据进行重构和数据评估；

在本实施例中，所述信息融合单元具备预处理传感器原始数据、子系统处理、多方案切换自适应融合，数据评估以及故障检测、故障隔离与系统重构等功能。

多方案切换信息融合实现对多源(同类、异类)信息进行有效融合。

数据评估是对不同融合方案的结果进行完整性、准确性的综合评价，根据评估结果选择最优融合方案。

故障检测为适用于分散化估计和并行滤波结构的综合故障诊断，其以卡尔曼滤波为主体，融合联邦理论、分布式滤波、自适应及其智能算法的方式实现。

故障隔离与重构，通过实时监测gnss、无线电导航系统等各种pnt信号，以风险评估为基础，确定信号对近实时分发的干扰，描述其完好性特征，及时识别故障设备，将其与正常设备隔离，实现将失效子系统隔离，用剩下的正常子系统继续完成导航任务，并以最佳组合方案对剩余的正常子系统进行重构，确保继续提供稳健的pnt信息服务。

此外，所述信息融合单元不仅能够提供最优pnt输出数据，而且提供基于精度估计的完好性信息，进而通过完好性监控功能提高综合pnt系统信息的稳健性。

系统数据完好性监控步骤如下：

步骤1、验证系统的定位信息，通过使用gnss的raim功能和船舶设备量测艏向和速度进行船位推算进行综合比较；

步骤2、同艏向传感器比较，再与对地航向传感器比较；

步骤3、分别与sog(对地速度)传感器、stw(对水速度)传感器、gnss获得的速度进行比较；

步骤4、分别与另一个时间传感器和系统内部时钟进行比较；

步骤5、与深度传感器比较，再用船舶位置与电子海图对应的位置的深度进行比较。

(4)所述海图导航单元用于船舶定位导航、航线规划和航行监控等船舶驾驶辅助。

在本实施例中，所述海图导航单元综合考虑pnt系统信息时空性、多维度性、异构性等特征，在集成海洋环境、水文气象、航道、目标信息等综合pnt信息框架下，以电子海图为应用平台，综合地理信息、目标信息、水文气象与海洋信息等辅助导航信息，利用多源信息的数据关联、特征提取、量度匹配等技术，以电子海图系统为综合pnt信息处理和应用平台，实现集综合态势、综合导航、监测报警等多功能为一体的智能化航行辅助系统。提供统一、准确、完好性定位导航信息服务。

pnt数据输入输出关系如图2所示，集成接收机模块用于集成和关联pnt信息，一方面通过lf/mf、vhf接收机(r-mode)和uhf接收机(gnss)进行pnt信息的接收，另一方面依据需求选择性通过串口接入船载pnt传感器输入的信息。

数据评估和数据存储模块，对来自串口的ais、罗经、惯性导航、测深仪的数据和集成接收机模块输入的pnt进行完好性评估，并向接收机模块反馈数据的完好性，同时依据数据的完好性对传感器模块予以控制。同时依据完好性反馈调整切换数据融合方法，将最优数据输出方案下数据发送到ecdis、conning、自动舵单元，予以相应的数据显示，同时支撑用户交互。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。