AIS与雷达角度系统偏差的关联方法与流程

本发明涉及信息融合领域中的ais与雷达角度偏差下的目标航迹关联方法。

背景技术：

ais是一种通用船舶自动识别系统，实际应用中，ais与雷达正好形成优势互补，为得到目标更精确可靠的信息，需要把ais与雷达结合起来，把它们的数据进行综合处理，所以ais与雷达目标航迹的融合就成了必然趋势，而航迹关联又是ais与雷达航迹融合的必备阶段，关联性能的好坏直接影响航迹融合的质量，它是提高船舶航行安全，提高海面预警探测能力所必须的。雷达和ais作为两种重要的海上目标监视监测手段，都能提供观测或监视区域内目标的航迹信息。航迹是目标在一个时间序列内形成的运动轨迹，通常航迹显示在态势图中，航迹使得可以对目标进行跟踪。高频地波雷达系统与ais基站工作于不同的平台，覆盖区域也不同，二者都有自己的信息处理系统，并且各系统中都收集了大量的目标航迹信息。当航迹信息送入处理中心时，就需要判断来自于两个系统的两条航迹是否代表同一个目标，这就是航迹关联问题。通过雷达与ais数据的关联、融合处理，再利用ais的静态报文，vts可以获得统一的目标态势，从而更好的对船只进行监控、管理，避免船只发生碰撞。

航迹融合处理可以分为四个部分：坐标转换，时问校准，航迹关联与航迹融合。时间对准和坐标变换统称为预处理，航迹关联和航迹融合是融合中心的核心，其中航迹关联是重点。航迹关联就是用来解决监视区域内的重复跟踪问题，因而航迹关联也可称为去重复。现有的ais与雷达数据关联方法较多，常用的包括,基于模糊双门限航迹关联方法、双波门法、k近邻域法、神经网络、灰度关联和模糊理论等方法，但以上算法都是基于量测不存在系统误差的情况。

当雷达的角度量测存在未知的系统误差，且目标处于密集、交叉或者机动航迹较多的情形下，以上的传统关联方法都会产生非常严重的漏关联和错误关联。而在实际中，雷达存在系统误差是普遍的，因此如何有效地进行ais与存在系统误差情况下雷达目标航迹关联亟待解决。雷达、ais传感器的数据关联处理时，地波雷达对目标径向测速、测距精度较高，而对目标方位测量的精度较低，在距离雷达基站较远的位置航迹较少，而在靠近基站的航迹数量较多。由于远端目标方向角精度低所引起的切向距离误差更大，远离基站航迹的形成往往比较困难。所以在远距离的情况下，地波雷达航迹形成较少。在影响航迹关联的因素中，除去敌我属性和目标分类是不可模糊的因素外，目标的速度、距离、方向等都是可以模糊的关联因素。图4所示雷达探测角度存在一定未知系统偏差时的航迹关联。由于vts系统中，船只数量一般在数百只，且相对密集。虽然雷达的距离测量精度较高，但其角度测量精度不高(约0.6°)，此外，雷达多是机械天线，在长期的转动过程中，会慢慢造成一定的角度系统偏差，或者雷达本身就存在天线调零不当导致的系统偏差，即使角度偏差较小，都会造成大批目标的错误关联，影响系统的使用。

技术实现要素：

为了解决传统雷达、ais关联中，由于雷达角度偏差造成大量的误关联问题，本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种关联的可靠性高，关联性更高，能够减小误判率并能提高航迹关联的准确率和关联率，基于ais与雷达角度系统偏差的关联方法。

为了实现上述目的，本发明提供的一种ais与雷达角度系统偏差的关联方法，其特征在于包括以下步骤：利用先验知识给出雷达系统角度偏差范围的最大范围经验值α.估计雷达系统偏差的角度偏差范围[-α，α]；对角度偏差范围[-α，α]进行量化，将[-α，α]之间的角度值量化为数组[-α+β,-α+2β…0，-β+α,α]；假设角度偏差为并在此基础上，利用假设角度偏差修正雷达量测，并将ais获得的目标大地坐标系位置、速度转换到雷达极坐标系下，在同一坐标系下，对雷达ais进行关联处理，统计关联结果的隶属度μ；依据的模糊隶属度函数，计算雷达与ais的关联度，再设定关联的判决门限，根据判决门限，确定关联上的目标及没有关联上的目标数目，未关联上目标隶属度值设置为0，关联上的目标以计算结果为准；遍历在数组-α+β,-α+2β…0，-β+α,α]内所有角度偏差假设，计算所有目标关联的隶属度μ之和∑μ，将所有目标的模糊隶属度累加，并选择隶属度之和∑μ最大的作为最终结果，其中，β＝2α/(k-1)，k为量化后的数组个数α为假设角度偏差的最大值，β为假设角度偏差的最小量化单位，为假设角度偏差，xi为雷达的状态估计，xj为ais的状态估计，σij为雷达和ais的标准差，μ为雷达、ais关联的隶属度，∑μ为所有目标关联隶属度之和。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

关联的适应性好。由于雷达角度系统偏差存在且大小未知时，传统的关联方法会带来较大的关联错误而不适用。而本发明利用先验知识，给出雷达系统角度偏差范围的最大范围经验值α，则雷达角度系统偏差的范围[-α，α]；对该角度偏差范围[-α，α]量化为数组[-α+β,-α+2β…0，-β+α,α]；当假设的角度偏差等于或者非常接近真实角度偏差时，所有目标的隶属度之和最大，即全局关联正确率最大。再对关联的航迹做误差统计分析而进一步限定波门范围，从而提高了对不同角度误差下的准确关联。该方法对未知大小的雷达角度系统偏差具有良好的适用性，同时，也适用于没有角度偏差的系统。

关联的稳定性高。本发明基于角度误差假设，计算位置、属性、速度等信息的模糊隶属度进行关联，并计算目标全局隶属度之和，遍历所有假设，选择隶属度之和最大的作为关联结果。该方法充分利用了所有的航迹信息，并将不同的信息建立统一的模糊隶属度，进行统一关联处理，具有较好的稳定性。

关联的正确率高。本发明利用假设角度偏差修正雷达量测，对雷达ais进行关联处理，统计关联结果的隶属度μ；基于对误差的统计分析做航迹修正，修正后的地波雷达航迹与真实的航迹间位置误差明显减小。将地波雷达航迹修正后，使地波雷达航迹的位置更靠近ais航迹，各因素误差均有所减小，提高了对地波雷达的跟踪精度。比传统的最近邻法能够减小误判率。航迹关联中用到了大量的统计信息，通过关联结果统计，可以得到运算中需要的参数信息，可直观的显示统计误差信息的具体分布情况，方便了后期的数据分析。最后通过实例证实了在目标较多、航迹较复杂的情况下，模糊方法比均值最近邻法具有更好的稳定性，而经过修正后，提高了航迹关联的正确关联率。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，现将通过本发明实施方式，同时参照附图，来描述本发明：

图1是本发明ais与雷达角度系统偏差的关联流程图。

图2是ais目标的大地坐标系位置到雷达极坐标系变换流程图。

图3是ais目标的大地坐标系速度到雷达极坐标系变换流程图。

图4是现有技术雷达系统误差造成错误关联、漏关联的示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，ais与雷达角度系统偏差的关联可以通过以下步骤实现：

步骤1：估计雷达系统偏差的角度范围[-α，α]，其中α可以由经验值给出最大范围，从而减少假设计算时间；

步骤2：对雷达角度偏差进行假设，由于角度偏差可能是[-α，α]内的任何一个值，将[-α，α]之间的角度值量化为数组[-α+β,-α+2β…0，-β+α,α]，则真实偏差肯定靠近数组中的某一个值，β＝2α/(k-1)，k为假设的次数；

步骤3：假设雷达的角度偏差为为数组[-α+β,-α+2β…0，-β+α,α]中的某个值，并在此基础上进行雷达量测角度补偿，获得校准后的雷达测量值，同时将ais目标的大地坐标系下的位置、速度转换到雷达极坐标系下；

步骤4：雷达、ais进行关联计算，计算的参量包括位置信息(ρ,θ)，以及速度v，分别计算参数的模糊隶属度其中，ρ为雷达极坐标下的距离，θ为雷达极坐标下的方位角。

步骤5：根据关联的判决门限，确定关联上的目标及未关联上的目标数目，其中关联上的目标以计算结果为准，未关联上的目标隶属度值设置为0，再将所有目标关联计算出的模糊隶属度累加求∑μ；

步骤6：遍历角度偏差数组[-α+β,-α+2β…0，-β+α,α]内所有的角度偏差假设，计算目标的隶属度之和，并选择隶属度之和最大的作为最终结果；

步骤7：利用多拍计算，对假设结果进行多次验证，确保假设结果的正确。

ais获得的是目标大地坐标系量测，根据ais和雷达的探测坐标系不同，以雷达获得的以雷达基站为中心的极坐标系，因此必须将其位置、速度统一转换到雷达极坐标系下，在雷达的极坐标系下对雷达、ais的距离、角度、速度等参量进行隶属度计算。

雷达可能是安装在飞机、船只，或者固定的岸边，这里统一描述为载机，坐标系统一描述为载机球坐标系或载机直角坐标系，如果是船只，则对应甲板球坐标系，甲板直角坐标系，甲板地理坐标系；如果是雷达基站，则对应雷达球坐标系，雷达直角坐标系，基站雷达地理坐标系。

一般情况下，地波雷达的探测结果是以船只目标相对于雷达基站的方位和距离来表示，是一种极坐标表示方法，而ais报告中是以经度和纬度来描述目标的位置，采用的是wgs～84大地坐标系，必须将二者统一到同一个坐标系才能进行后续的关联。ecef坐标系ecef：为地心地固坐标系，也称wgs-84直角坐标系，1987年由美国国防部制图局建立。其坐标原点位于地球的质心，z轴指向bih1984.0定义的协议地球北极方向，x轴指向bih1984.0的启始子午面和赤道的交点，y轴与x轴和z轴构成右手系。

参阅图2。在ais的位置坐标变换过程中，第一步用公式7将ais的大地坐标系位置转换成ecef坐标系位置，第二步用公式12将ais的ecef坐标系位置转换成雷达基站为中心的载机地理坐标系(简称雷达地理坐标系)位置，第三步用公式6将ais的雷达地理坐标系位置转换到雷达基站为中心的载机直角坐标系(简称雷达直角坐标系)位置，第四步用公式1、2、3将ais的雷达直角坐标系位置转换为雷达基站为中心的载机极坐标系(简称雷达极坐标系)位置。

但是，由于地波雷达探测结果提供目标的航速是相对于雷达基站的径向速度，而ais提供的是船的真实速度和航向，二者还没有达到最终的统一，所以需要对ais信息的速度进行投影变换，将其转化为沿着目标与地波雷达法线方法上的投影量。

ais的速度坐标变换过程如图3所示，第一步用公式26将ais的大地坐标系速度转换成ecef坐标系速度，第二步用公式22将ais的ecef坐标系速度转换成雷达基站为中心的载机地理坐标系(简称雷达地理坐标系)速度，第三步用公式20将ais的雷达地理坐标系速度转换到雷达基站为中心的载机直角坐标系(简称雷达直角坐标系)速度，第四步用公式16、17、18将ais的雷达直角坐标系速度转换为雷达基站为中心的载机极坐标系(简称雷达极坐标系)速度。

在载机球坐标系中，距离表示目标至载机质心的绝对距离，方位角表示目标在载机主基准面的投影与机头正向的夹角，目标偏右翼为正，偏左翼为负，取值范围为-180°～180°，俯仰角表示目标与载机质心连线与主基准面所成夹角，目标位于载机上方为正，位于载机下方为负，取值范围为-90°～90°。

载机直角坐标系以坐标原点为载机质心，主基准面为xy平面，x轴平行机轴指向机头前方，y轴垂直机轴指向右翼，z轴垂直主基准面指向机腹下方。

载机地理坐标系选用北东地坐标系，简称ned(north～east～down)坐标系，载机质心为坐标原点，x轴指向地理指北针方向，y轴指向载机所在位置地球自转切向东，z轴垂直ne平面指向下方。当目标位于极北轴附近时，设x轴与ecef坐标系x轴反平行，位于极南轴附近时，设x轴与ecef坐标系x轴平行，上述两种情形下，y轴均平行于ecef坐标系y轴；

大地坐标系通用的经纬高坐标系，这里令地球赤道半径a＝6378137米，b＝6356752.3142米，子午圈第一偏心率平方e²＝0.00669438。目标位于极轴时，经度始终设为0°。

机载平台姿态角定义：

偏航角：载机机轴正向在载机地理坐标系ne水平面内投影与n向所成夹角，顺时针为角度增加方向，取值范围为[0°,360°)；

俯仰角：载机机轴正向与ne水平面的夹角，上方为正，下方为负，取值范围为[-90°,90°)；

横滚角：载机纵向对称面与纵向铅垂面之间的夹角，机轴右下倾为正，左下倾为负，取值范围为[-180°,180°)。

在目标位置、速度在不同坐标系下的转换中，定义如下：

载机球坐标系：分别表示距离ρ、方位θ、俯仰径向速度vρ、方位角速度vθ、俯仰角速度

载机直角坐标系：(x2,y2,z2)，x2表示载机直角坐标系下的目标位置x方向分量，y2表示载机直角坐标系下的目标位置y方向分量，z2表示载机直角坐标系下的目标位置z方向分量，为x方向速度分量、为y方向速度分量、为z方向速度分量。

载机地理坐标系：(x3,y3,z3)，分别表示载机地理坐标系下的目标位置x方向分量x3、y方向分量y3、z方向分量z3，以及x方向速度分量y方向速度分量z方向速度分量

ecef坐标系：(x4,y4,z4)，分别表示ecef坐标系下的目标位置x方向分量x4、y方向分量y4、z方向分量z4，以及x方向速度分量y方向速度分量z方向速度分量

大地坐标系：(l,m,h)，(α,vρ,vh)，分别表示经度l、纬度m、高度h，航向角速度α、航速vρ、高低变化率vh；

姿态角：(β,ε,γ)，分别表示偏航角β、俯仰角ε和横滚角γ。

在位置坐标变换中，载机直角坐标系→载机球坐标系

如果则θ＝0；

如果则

如果则

如果则

载机球坐标系→载机直角坐标系

如果ρ≤0.001，则

如果ρ＞0.001，则

如果则

载机直角坐标系→载机地理坐标系

令矩阵

则有

载机地理坐标系→载机直角坐标系

大地坐标系→ecef坐标系

当(n+h)cosm≤0.001时，则x4＝y4＝0，

其中

当(n+h)cosm＞0.001时，

ecef坐标系→大地坐标系

当时，

当时，m和h需用迭代法求解，迭代开始时令

然后按下列递推式进行迭代

直至m和h两相邻迭代值的差小于某一要求的限值为止，这里要求迭代四次，精度达到毫米级。

载机地理坐标系→ecef坐标系

令矩阵

则有

其中为载机ecef坐标值，由公式(7)计算得出。

ecef坐标系→载机地理坐标系

速度坐标变换：速度在载机球坐标系下的表现形式是径向速度、方位角速度和俯仰角速度；速度在载机地理坐标系下的表现形式为航向、航速和高低变化率；速度在载机直角坐标系、载机地理坐标系、ecef坐标系下的表现形式为在x、y、z三个方向上的速度分量。

载机球坐标系→载机直角坐标系

当ρ＞0.001时，

如果令矩阵

则有

如果令矩阵

则

当ρ≤0.001时，

载机直角坐标系→载机球坐标系

当时，

如果则

如果则

当时，

载机直角坐标系→载机地理坐标系

载机地理坐标系→载机直角坐标系

载机地理坐标系→ecef坐标系

ecef坐标系→载机地理坐标系

ecef坐标系→大地坐标系

针对所量测目标，其所在位置经纬度分别为l',m'，可由前一小节坐标变换得到，令矩阵

则有

大地坐标系→ecef坐标系

当vp＞0.001时，

当vp≤0.001时，

然后，

由此可实现三维速度向量在五个典型坐标系任意二者之间的转换。

方法原理分析

雷达误差主要包括：角度测量的系统误差，以及距离、角度方向上的随机误差。而ais精度等同于gps精度，可认为没有系统误差，仅有随机误差，则观测值表示为：

其中，为目标i的真实角度值，ηθ为雷达的角度系统误差，为目标i的角度随机误差，当假设的系统误差非常接近或者等于真实的系统误差ηθ时，雷达、ais的对同一目标关联的隶属度最大。θais为ais的角度估计，θrd为雷达的角度估计，σ为雷达、ais的标准差。