本发明属于智能航海技术领域，具体涉及一种海上拖带系统ais虚拟警戒标标示系统及方法。
背景技术：
随着海上运输、海洋开发等活动的增加，海上拖带作业的需求日益增多，包括平台拖带、海上救助、拖带运输等。海上拖带是一项难度大，程序复杂，技术要求高的海上作业。当受到大风、涌浪等外界扰动影响时，拖带船舶和目标拖拽体在预定的航线上发生偏荡，会使拖缆受力突然增加，造成断缆而引发事故。为有效缓冲拖带过程中拖缆受力的急剧变化，常放出足够长度的拖缆(达800-1000米)。过往船只若不能识别拖拽体，极易从拖带船舶与拖拽体之间穿过，发生碰撞事故。目前对海上拖带系统识别还较为困难。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种海上拖带系统ais虚拟警戒标标示系统及方法，可以方便地将拖带系统的位置和动态以虚拟警戒标的形式显示在过往船只的电子海图上，使拖带系统在能见度不良等条件下更容易被他船识别。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种海上拖带系统ais虚拟警戒标标示系统，其特征在于：它包括设置在拖带船舶上的拖缆传感器、毫米波雷达、处理器和存储器，拖带船舶后通过拖缆连接有拖拽体；其中，
拖缆传感器用于获取拖缆的长度及相对方位；毫米波雷达用于获取拖拽体的位姿信息；
存储器中存有计算机程序供所述的处理器调用，用于执行以下步骤：
数据预处理：对毫米波雷达获取的拖拽体的位姿信息进行筛选，保留有效数据；
目标跟踪：建立长速度运动模型、常加速度运动模型和转弯运动模型，利用交互式多模型算法进行拖拽体的跟踪，得到有效的拖拽体信息；
位姿解算：对有效的拖拽体信息，根据拖拽体的形状进行数据拟合，得到拖拽体的形状及方位，结合拖带船舶自带的gps信息和数字罗经信息、以及拖缆传感器获取的拖缆的长度及相对方位，得到拖带船舶、拖缆和拖拽体的整体位姿信息，从整体位姿信息中选取若干数据点作为虚拟警戒标；
信息发送：通过拖带船舶自带的ais系统发送虚拟警戒标的信息给过往船舶。
按上述方案，所述的若干数据点按以下方式选取：拖拽船舶尾翼处1个，拖拽体2-3个，拖缆2-4个。
按上述方案，所述的目标跟踪具体为：首先，建立长速度运动模型、常加速度运动模型和转弯运动模型，用于仿真真正的运动模型；然后，根据数据预处理后的有效数据，对拖拽体的预测状态进行校正，对系统状态进行最优估计；模型概率混合器计算3种模型所占概率与比重；状态估计混合器输出混合后目标运动状态，即为有效的拖拽体信息。
利用所述的海上拖带系统ais虚拟警戒标标示系统实现的标示方法，其特征在于：它包括以下步骤：
利用毫米波雷达获取拖拽体的位姿信息，对获取的信息进行筛选，保留有效数据；
利用交互式多模型算法进行拖拽体的跟踪，其中滤波器选用经典的卡尔曼滤波器，交互模型选用常速度运动模型、常加速度运动模型和转弯运动模型三种模型；
对有效的拖拽体信息，根据拖拽体的形状进行数据拟合，得到拖拽体的形状及方位，结合拖带船舶自带的gps信息和数字罗经信息、以及拖缆传感器获取的拖缆的长度及相对方位，得到拖带船舶、拖缆和拖拽体的整体位姿信息，从整体位姿信息中选取若干数据点作为虚拟警戒标；
通过拖带船舶自带的ais系统发送虚拟警戒标的信息给过往船舶。
所述的交互式多模型算法具体为：
首先，建立长速度运动模型、常加速度运动模型和转弯运动模型，用于仿真真正的运动模型；然后，根据数据预处理后的有效数据，对拖拽体的预测状态进行校正，对系统状态进行最优估计；模型概率混合器计算3种模型所占概率与比重；状态估计混合器输出混合后目标运动状态，即为有效的拖拽体信息。
本发明的有益效果为：通过对拖带船舶、拖缆和拖拽体分别标示，选取若干数据点作为虚拟警戒标，将虚拟警戒标的信息发送给过往船舶进行识别，从而方便地将拖带系统的位置和动态以虚拟警戒标的形式显示在过往船只的电子海图上，使拖带系统在能见度不良等条件下更容易被他船识别，具有安全、经济和高效的优点。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为本发明一实施例的方法流程图。
图3为本发明一实施例中交互式多模型算法流程图。
图4为本发明一实施例的毫米波雷达扫描图。
图5为本发明一实施例的完整目标拖拽体形态图。
图6为本发明一实施例的目标拖拽体及其虚拟警戒标示意图。
图7(a)为本发明一实施例的拖带船与拖拽体的联合标示图。
图7(b)为本发明一实施例的电子海图上虚拟警戒标的显示图。
图8为本发明又一实施例的毫米波雷达扫描图。
图9为本发明又一实施例的完整目标拖拽体形态图。
图10(a)为本发明又一实施例的拖带船与拖拽体的联合标示图。
图10(b)为本发明又一实施例的电子海图上虚拟警戒标的显示图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种海上拖带系统ais虚拟警戒标标示系统，如图1所示，它包括设置在拖带船舶上的拖缆传感器、毫米波雷达、处理器和存储器，拖带船舶后通过拖缆连接有拖拽体；其中，拖缆传感器用于获取拖缆的长度及相对方位；毫米波雷达用于获取拖拽体的位姿信息；存储器中存有计算机程序供所述的处理器调用，如图2所示，用于执行以下步骤：
数据预处理：对毫米波雷达获取的拖拽体的位姿信息进行筛选，保留有效数据。毫米波雷达采集的数据经过控制器处理后，可以得到水面拖拽体目标在直角坐标系下的距离信息和速度信息。但由于水面杂波的影响往往会出现虚假目标，可以采用阈值法滤除虚假目标。将拖拽体目标任意时刻的位置写成向量的形式：
z＝[x，y，v]
式中：x表示拖拽体与毫米波雷达之间的横向距离，y表示拖拽体与毫米波雷达之间的纵向距离，v表示拖拽体与毫米波雷达之间的相对速度。由于设备采集问题，毫米波雷达返回的信号常出现空目标，这类问题可以通过程序直接滤除。此外毫米波雷达检测拖拽体时，由于水平面反射，会探测到无效信号。这种信号出现时间短，连续性差，数值会常出现跳动。这里信号会对正常检测产生干扰，因此需要滤除。
利用阈值法进行滤除无效目标时，相邻两次采集设置如下的关系：
考虑拖带船以及目标可能的速度行驶速度设定距离阈值为k1、k2，速度阈值为k3。选取合适的阈值可以对目标、无效目标进行滤除，最终识别出有效数据。
目标跟踪：为保证毫米波雷达探测到的拖拽体信息稳定，对其进行目标跟踪，考虑拖拽体运动时具有较强的机动性，探测利用交互式多模型算法进行拖拽体的跟踪，所述的多模型包括常速度运动模型、常加速度运动模型和转弯运动模型三种基本运动模型。该算法包含了三种滤波器(分别对应三种常用的运动模型)、一个模型概率估计器、一个交互式作用器(滤波器的输出入端)、一个估计混合器(滤波器的输出端)。交互式作用器利用模型概率和模型转移概率计算每个滤波器的交互估计，将结果输入到滤波器中，滤波器结合量测数据计算出新的估计和模型的可能性，然后计算新模型的概率。最终通过状态混合器计算出总的状态。
位姿解算：对有效的拖拽体信息，根据拖拽体的形状进行数据拟合，得到拖拽体的形状及方位，结合拖带船舶自带的gps信息和数字罗经信息、以及拖缆传感器获取的拖缆的长度及相对方位，得到拖带船舶、拖缆和拖拽体的整体位姿信息，从整体位姿信息中选取若干数据点作为虚拟警戒标。线性滤波采用卡尔曼滤波器和α-β-γ滤波器，非线性滤波包括扩展卡尔曼滤波和不敏滤波及粒子滤波。所述的若干数据点按以下方式选取：拖拽船舶尾翼处1个，拖拽体2-3个，拖缆2-4个(根据拖缆的长度设置)。
建立合适的目标跟踪模型是保证良好跟踪效果的前提。为保证良好的跟踪效果，本发明中采用交互式多模型跟踪算法，可是实现常速度运动模型、常加速度运动模型、转弯运动模型三种模型交互，更好的估计目标运动状态。
常速度运动模型假设目标拖拽体做匀速运动，其状态向量为x＝[x，y，vx，vy]；常加速度运动模型假设目标做匀加速运动，其状态向量为x＝[x，y，vx，vy，ax，ay]；转弯模型引入转弯率的概念，其状态向量为x＝[x，y，vx，vy，ψ]。
交互式多模型算法是基于贝叶斯理论提出的模型之间的自动识别和切换算法，图3为交互式多模型算法的流程图。在任意跟踪时刻，通过设置对应目标可能模型数量的模型滤波器来进行实时模型检测，对每个滤波器设置权重系数和模型更新的概率，最后加权计算得出当前最优估计状态，从而达到自适应的目的。
基于毫米波雷达的拖带体位姿解算方法：毫米波雷达经扫描后得到一些数据点，对数据点进行预处理和滤波可以得到有效目标拖拽体相关信息，将得到的有效目标拖拽体进行拟合。
当拖拽体是矩形时，经扫描输入图形，得到图4。对毫米波雷达的拖拽体位姿进行解算，将目标进行最小外包矩形拟合，可以得到完整的目标拖拽体位姿信息，如图5所示。将矩形目标进行拟合后，再对目标拖拽体进行虚拟警戒标的绘制，在目标拖拽体上放置三个虚拟警戒标，如图6所示。将拖带船与目标拖拽体以及两者之间的拖缆进行虚拟警戒标的联合标示，如图7(a)所示。最后通过ais发射机发射虚拟警戒标的相关信息，在电子海图上得到有效ais虚拟警戒标，如图7(b)所示。
当拖拽体是圆形时，经扫描输入图形，得到图8。对毫米波雷达的拖拽体位姿进行解算，将目标进行最小外接圆拟合，可以得到完整的目标拖拽体位姿信息，如图9所示。找到圆形特征点，在其上放置虚拟警戒标后再将拖带船舶与拖缆进行联合标示，如图10(a)所示。最后通过ais发射机发射虚拟警戒标相关信息，在电子海图上得到有效ais虚拟警戒标，如图10(b)所示。
信息发送：通过拖带船舶自带的ais系统发送虚拟警戒标的信息给过往船舶。
利用所述的海上拖带系统ais虚拟警戒标标示系统实现的标示方法，它包括以下步骤：
利用毫米波雷达获取拖拽体的位姿信息，对获取的信息进行筛选，保留有效数据；
建立长速度运动模型、常加速度运动模型和转弯运动模型，利用交互式多模型算法进行拖拽体的跟踪，得到有效的拖拽体信息；
对有效的拖拽体信息，根据拖拽体的形状进行数据拟合，得到拖拽体的形状及方位，结合拖带船舶自带的gps信息和数字罗经信息、以及拖缆传感器获取的拖缆的长度及相对方位，得到拖带船舶、拖缆和拖拽体的整体位姿信息，从整体位姿信息中选取若干数据点作为虚拟警戒标。
通过拖带船舶自带的ais系统发送虚拟警戒标的信息给过往船舶。
本实施例中，对拖带船舶、拖缆、拖拽体分别进行标示，在拖带船舶尾翼处、目标拖拽体以及两者之间的拖缆总共标示6个虚拟警戒标的位置；将6个虚拟警戒标经纬度信息转换为ais系统指令，利用ais发射机发送给过往船舶进行识别，从而可以方便地将拖带系统的位置和动态以虚拟警戒标的形式显示在过往船只的电子海图上，使拖带系统在能见度不良等条件下更容易被他船识别，具有安全、经济和高效的优点。
要理解本文所述的实施例可以由硬件、软件、固件、中间件、微代码或其任意组合来实现。对于硬件实现方式，处理单元可以在一个或多个专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理器件(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、处理器、控制器、微处理器、微控制器、被设计以执行本文所述功能的其它电子单元、或其组合内实现。当以软件、固件、中间件或微代码、程序代码或代码段来实现实施例时，可以将它们存储在诸如存储组件的机器可读介质中。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。