一种两个ais参考点的船舶自组织协作定位方法
【专利摘要】本发明涉及一种两个AIS参考点的船舶自组织协作定位方法，属于船舶定位导航领域。通过定位模式判别、信息数据准备、自组织协作、定位方程解算、定位信息共享等步骤并重复上述过程，不断更新船岸、船船协作信息，实现协作船站组内所有协作船站的动态定位。本发明能够在仅有两个AIS岸站作为定位参考点，无法满足传统测距定位要求的情况下，利用船站间的自组织协作，实现船岸、船船间的测距信息共享，实现协作船站的自组织定位。不需要额外部署AIS岸站，即可实现沿海船舶的自组织协作定位，大大提升了AIS测距定位系统的适用范围。
【专利说明】
-种两个AIS参考点的船舶自组织协作定位方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种两个AIS参考点的船舶自组织协作定位方法，确切地说，是一种在 两个船舶自动识别系统(Automatic Identification System-AIS)岸站作为定位参考点的 条件下，船舶自组织协作定位的方法，属于船舶定位导航领域。
【背景技术】
[0002] AIS是根据国际海上人命安全公约强制船舶配备的通信导航设备，安装于沿海港 口码头的AIS设备称为AIS岸站，安装于船舶上的AIS设备称为AIS船站。但现有AIS系统中的 定位导航信息完全依赖于全球导航卫星系统(GNSS)接收机提供的位置。为了保证航行安 全，国际海事组织（IM0)倡导未来船舶应强制配备空基和陆基双备份的定位导航系统。因 此，IM0将AIS测距定位(AIS-R Mode)系统作为未来的陆基无线电导航系统之一写入了世界 无线电导航计划。该系统是在现有AIS通信系统的基础上，通过增加测距功能实现船舶定 位，使得AIS能够摆脱对GNSS的依赖，成为e-航海战略下融通信、导航为一体的综合船用无 线电系统。
[0003] 在AIS测距定位系统中，若采用传统测距定位技术，需要将AIS岸站作为定位参考 点，船站通过测量其到Ξ个及W上岸站参考点间的距离才能实现定位。但现有AIS作为通信 系统，岸站的布设没有考虑定位的需求。因此在某些海域，船站仅能收到两个AIS岸站参考 点的信号，无法采用传统的测距法完成定位。若船舶自身配备有其他的外部传感器，如罗 经、计程仪等，则可通过发明专利CN 201310367727.9的处理，实现船舶的自主定位。若船舶 未配备有可提供辅助定位信息的外部传感器，但能够接收到周围其他船舶的位置信息，贝U 可通过发明专利CN 201410234851.2进行处理，将已定位船舶作为移动参考点进行船舶辅 助定位。但在很多情况下，受限于AIS岸站参考点的布设，船舶周围不存在可作为移动参考 点的已定位船站，如同一海域内的AIS船站仅能接收来自相同的两个AIS岸站参考点的信 号，因此，发明专利CN 201410234851.2也无法处理此问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是要设计一种在所有船站都仅能收到两个AIS岸站的信号时，基于 船站间的自组织协作实现船站定位的方法。能够在仅有两个AIS岸站可作为定位参考点，无 法满足传统测距定位条件的情况下，通过船站间的自组织协作，共享船岸、船船的测距信 息，实现所有协作船站的定位。
[0005] 本发明的协作船站不仅测量到AIS岸站参考点的距离，同时测量协作船站间的距 离，并通过协作船站间的船岸、船船测距信息的共享，实现协作船站组中所有船站的自组织 定位。所有参与协作定位的船站构成协作船站组，其中的每个船站称为协作船站;发起协作 请求的船站称为主协作船站;共享船岸信息的船站称为准协作船站，共享船岸、船船信息的 船站称为从协作船站。
[0006] 本发明采用的技术方案为:一种两个AIS参考点的船舶自组织协作定位方法，实现 该方法的步骤是：
[0007] 1)定位模式判别
[0008] 船站监听AIS岸站信号，若仅检测到两个AIS岸站信号，且不存在其他的辅助定位 信息，则进入自组织协作定位模式。
[0009] 2)信息数据准备
[0010] 船站接收AIS岸站的位置信息并进行测距，存储岸站的识别信息、位置信息和船岸 间的测距信息。与此同时，船站接收周围船站的信息，识别周围在线船站。
[00川 3)自组织协作
[0012] 自组织协作包括协作启动、船岸信息协作请求、船岸信息协作确认、船船信息协作 请求、船船信息协作确认、协作信息存储六个步骤：
[0013] ①协作启动:若船站识别的周围在线船站数量大于等于2,则将自身船站状态标记 为主协作船站，启动协作状态。若周围在线船舶数量小于2,则返回模式判别阶段。
[0014] ②船岸信息协作请求:主协作船站向周围在线船站发起船岸信息协作请求命令， 请求其他船站发送接收到的岸站识别信息、位置信息和船岸间的测距信息。
[0015] ③船岸信息协作确认:收到主协作船站船岸信息协作请求的船站，判断自身识别 的AIS岸站参考点数量，若为2,将收到的两个AIS岸站参考点的识别信息、位置信息和船岸 间的测距信息播发给主协作船站。若岸站参考点数量小于2，则发送无法协作应答信号。
[0016] ④船船信息协作请求:主协作船站根据接收到的周围在线船站的协作确认信号， 进行准协作船站判别。若准协作船站数量小于2，则取消主协作船站标识，返回模式判别阶 段;若大于等于2,则存储准协作船站提供的船岸协作信息，测量主协作船站与准协作船站 间的距离，并向准协作船站发送船船信息协作请求。
[0017] ⑤船船信息协作确认:准协作船站将收到的主协作船站发来的其他准协作船站的 识别信息，与自身的周围在线船站识别信息比较，找出其中共同的准协作船站，并将相应的 准协作船站的识别信息、船船间的测距信息发给主协作船站。若不存在共同的准协作船站， 则发送无法协作应答信号。
[0018] ⑥协作信息存储状态：主协作船站根据接收到的船船信息协作确认，对从协作船 站进行判别。若存在从协作船站，则存储船岸、船船协作信息，为构建自组织协作定位方程 准备数据。若不存在从协作船站，则取消主协作船站标识，返回模式判别阶段。
[0019] 4)定位方程解算
[0020] 主协作船站W自组织协作定位解算的数学模型为依据，根据存储的船岸、船船协 作信息，构建自组织协作定位矩阵方程，解算协作船站组内所有协作船站的位置。
[0021] 5)定位信息共享
[0022] 主协作船站将解算得到的协作船站的位置信息共享给从协作船站，完成协作船站 组内所有协作船站的定位。
[0023] 重复上述过程，不断更新船岸、船船协作信息，实现协作船站组内所有协作船站的 动态定位。
[0024] 所述船舶自组织协作定位解算的数学模型如下：
[0025] 协作船站与岸站间的定位方程为：
[0026]
(1)
[0027]其中，（Xk，Yk)为岸站k的坐标，（Xi，yi)为协作船站i的坐标，ΔTl为由于协作船站i 的钟差引入的距离偏差。对上述方程进行线性化处理，利用泰勒级数展开，保留一阶项，得
[002引
口）
[0029] 其中，（i·,，夫）为协作船站i的估计坐标，为协作船站i钟差引入的估计的距离偏 差，δχι,δγι,δΤι为相应估计值的改正量，Fk(Xi，yi)为岸站k与协作船站i的距离，表示为：
[0030]
(3)
[0031] 协作船站间的协作定位方程为：
[0032]
(4)
[0033] 其中，i声j。对协作定位方程也进行线性化处理，得
[0034]
货
[0035] 其中，协作船站间的距离表示为
[0036]
(5)
[0037] 联立上述定位方程，并表示为矩阵的形式，可得到协作船站组的自组织协作定位 矩阵方程
[00；3 引
[0039] 对上述自组织协作定位矩阵方程进行求解，即可得到协作船站组内所有协作船站 的位置坐标(Xi，yi)。
[0040] 本发明的有益效果是:利用该发明，能够在仅有两个AIS岸站可作为定位参考点， 无法满足传统测距定位要求的情况下，利用船站间的自组织协作，实现船岸、船船间的测距 信息共享，实现协作船站的自组织定位。不需要额外部署AIS岸站，即可实现沿海船舶的自 组织协作定位，大大提升了 AIS测距定位系统的适用范围。
【附图说明】
[0041 ]图1是本发明的定位方法流程图；
[0042] 图2是本发明的一个具体实施例示意图；
[0043] 图3是本发明的定位模式判别流程图；
[0044] 图4a是实施例中主协作船站接收的岸站信息；
[0045] 图4b是实施例中第1个准协作船站接收的岸站信息；
[0046] 图4c是实施例中第2个准协作船站接收的岸站信息；
[0047] 图5a是实施例中主协作船站在数据准备阶段的周围船站信息；
[0048] 图5b是实施例中主协作船站在自组织协作阶段收到船岸信息协作确认后的周围 船站信息；
[0049] 图5c是实施例中主协作船站在自组织协作阶段收到船船信息协作确认后的周围 船站信息；
[0050] 图6a是实施例中主协作船站在自组织协作阶段收到船岸信息协作确认后的协作 定位信息；
[0051] 图化是实施例中主协作船站在自组织协作阶段收到船船信息协作确认后的协作 定位信息。
【具体实施方式】
[0052] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
[0053] 图2示例了本发明的一个实施例场景。
[0054] 201、202为两个415岸站，213、214、215为立个415船站。根据415信号的传播距离， 船站213、314、315仅能够收到来自201和202两个AIS岸站参考点的信号。213、214、215构成 协作船站组，213为主协作船站，214、215为从协作船站。从协作船站214、215在主协作船站 213的船岸信息协作请求要求下，共享船岸间的测距信息2241、2242、2251和2252。从协作船 站214在主协作船站213的船船信息协作请求要求下，共享与从协作船站215间的船船测距 信息2245,主协作船站213利用上述共享信息，结合自身船岸间的测距信息2231和2232, W 及自身船船间的测距信息2234和2235,构建自组织协作定位矩阵方程，实现协作船站组定 位，并将位置信息共享给从协作船站214和215。自组织协作定位处理步骤具体如下：
[0055] 1)定位模式判别
[0056] 船站213首先进行定位模式判别，如图3所示。船站213接收AIS岸站的位置信息并 进行测距，若能收到Ξ个及W上AIS岸站参考点信号，则可采用传统的测距定位方法实现船 舶定位;在本实施例中，船站213仅能收到201和202两个AIS岸站参考点的信号，则检测自身 是否能够接收到罗经、计程仪等外部传感器信息，若有外部传感器信息进行定位辅助，则利 用发明专利CN 201310367727.9进行定位;若无，则监听是否能收到其他船站的位置信息， 若有，则利用发明专利CN 201410234851.2进行定位;若无，进入自组织协作定位模式。在本 实施例中，无上述辅助信息，因此进行自组织协作定位。
[0057] 2)信息数据准备
[0058] 船站213接收201和202两个AIS岸站参考点的位置信息并进行测距，建立岸站信息 表，如图4a所示。接收周围船站214和215的识别信息，并进行测距，建立周围船站列表，如图 f5a所示。
[0化9] 3)自组织协作
[0060] ①协作启动:船站213判断其周围在线船站列表中的船站数量等于2，则将该自身 状态柄记为主协作船站，启动协作状态。
[0061] ②船岸信息协作请求:主协作船站213向在线船站列表中的船站214和215发起船 岸信息协作请求命令，请求船站214和215发送其接收的岸站信息。
[0062] ③船岸信息协作确认:船站214和215收到船岸信息协作请求命令，判断岸站信息 表数据数量为2,则将如图4b和图4c所示的岸站信息发给主协作船站213。
[0063] ④船船信息协作请求:主协作船站213根据接收到的准协作船站214和215的信息， 更新周围船站信息列表，如图化所示，并测量与准协作船站214和215间的距离，维护协作定 位信息，如图6a所示。主协作船站213判断准协作船站个数为2,则向准协作船站214发送船 船信息协作请求，发送准协作船站215的识别信息。
[0064] ⑤船船信息协作确认:准协作船站214将自身的周围船站信息与主协作船站发送 的准协作船站215的识别信息进行比较，准协作船站215是准协作船站214的周围在线船站， 因此将准协作船站214与215间的测距信息发送给主协作船站213。
[0065] ⑥协作信息存储状态:主协作船站213根据接收到的船船协作信息，更新周围船站 信息和协作定位信息，分别如图5c和图化所示。
[0066] 4)定位方程解算
[0067] 主协作船站213根据如图化所示的协作定位信息，依照自组织协作定位解算的数 学模型建立自组织协作定位矩阵方程，利用最小二乘法可解算出所有协作船站213、214和 215的位置。
[0068] 5)定位信息共享
[0069] 主协作船站213将解算得到的从协作船站214和215的位置信息共享给从协作船站 2H 和 215。
【主权项】
1. 一种两个AIS参考点的船舶自组织协作定位方法，其特征在于，该自组织协作定位方 法包括以下步骤： 1) 定位模式判别 船站监听AIS岸站信号，若仅检测到两个AIS岸站信号，且不存在其他的辅助定位信息， 则进入自组织协作定位模式； 2) 信息数据准备 船站接收AIS岸站的位置信息并进行测距，存储岸站的识别信息、位置信息和船岸间的 测距信息，与此同时，船站接收周围船站的信息，识别周围在线船站； 3) 自组织协作 自组织协作包括协作启动、船岸信息协作请求、船岸信息协作确认、船船信息协作请 求、船船信息协作确认、协作信息存储六个步骤； 4) 定位方程解算 主协作船站以自组织协作定位解算的数学模型为依据，根据存储的船岸、船船协作信 息，构建自组织协作定位矩阵方程，解算协作船站组内所有协作船站的位置； 5) 定位信息共享 主协作船站将解算得到的协作船站的位置信息共享给从协作船站，完成协作船站组内 所有协作船站的定位;重复上述过程，不断更新船岸、船船协作信息，实现协作船站组内所 有协作船站的动态定位。2. 根据权利要求1所述的一种两个AIS参考点的船舶自组织协作定位方法，其特征在 于，所述的自组织协作六个步骤为： ① 协作启动:若船站识别的周围在线船站数量大于等于2,则将自身船站状态标记为主 协作船站，启动协作状态，若周围在线船舶数量小于2,则返回模式判别阶段； ② 船岸信息协作请求:主协作船站向周围在线船站发起船岸信息协作请求命令，请求 其他船站发送接收到的岸站识别信息、位置信息和船岸间的测距信息； ③ 船岸信息协作确认:收到主协作船站船岸信息协作请求的船站，判断自身识别的AIS 岸站参考点数量，若为2，将收到的两个AIS岸站参考点的识别信息、位置信息和船岸间的测 距信息播发给主协作船站，若岸站参考点数量小于2，则发送无法协作应答信号； ④ 船船信息协作请求:主协作船站根据接收到的周围在线船站的协作确认信号，进行 准协作船站判别，若准协作船站数量小于2，则取消主协作船站标识，返回模式判别阶段;若 大于等于2,则存储准协作船站提供的船岸协作信息，测量主协作船站与准协作船站间的距 离，并向准协作船站发送船船信息协作请求； ⑤ 船船信息协作确认:准协作船站将收到的主协作船站发来的其他准协作船站的识别 信息，与自身的周围在线船站识别信息比较，找出其中共同的准协作船站，并将相应的准协 作船站的识别信息、船船间的测距信息发给主协作船站，若不存在共同的准协作船站，则发 送无法协作应答信号； ⑥ 协作信息存储状态：主协作船站根据接收到的船船信息协作确认，对从协作船站进 行判别，若存在从协作船站，则存储船岸、船船协作信息，为构建自组织协作定位方程准备 数据，若不存在从协作船站，则取消主协作船站标识，返回模式判别阶段。
【文档编号】G01S5/02GK106066469SQ201610348379
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月24日 公开号201610348379.4, CN 106066469 A, CN 106066469A, CN 201610348379, CN-A-106066469, CN106066469 A, CN106066469A, CN201610348379, CN201610348379.4
【发明人】姜毅
【申请人】大连海事大学