基于AIS信息的舰船位置标校方法

任文娟, 周志鑫, 吕守业, 师栋锋

(1. 中国科学院电子学研究所, 北京 100190; 2. 北京遥感信息研究所, 北京 100854;3. 中国科学院空间信息处理与应用系统技术重点实验室, 北京 100190)



基于AIS信息的舰船位置标校方法

任文娟1,2,3, 周志鑫2, 吕守业2, 师栋锋2

(1. 中国科学院电子学研究所, 北京 100190; 2. 北京遥感信息研究所, 北京 100854;3. 中国科学院空间信息处理与应用系统技术重点实验室, 北京 100190)

为了提高时差型卫星定位系统对舰船的定位精度,提出了一种基于船舶自动识别系统(automatic identification system,AIS)信息的舰船位置标校方法,该方法将具有AIS信息的民船作为标校源对军舰位置进行校正。首先,针对AIS信息无法直接用于位置标校的问题,提出了标校源雷达位置及其误差估计方法;其次,针对标校源雷达位置存在的误差,建立了标校方法的误差分析模型和标校源有效性分析方法,理论分析了标校定位精度及其改善程度,为标校源的选择提供了依据。最后,仿真分析验证了提出的标校方法的有效性。

自动识别系统; 时差; 时差型卫星定位系统; 标校; 定位精度; 误差分析

0　引　言

时差型卫星定位系统由3颗中低轨卫星编队组成,采用时差定位体制,利用辐射源到达3颗卫星的两个时差双曲面和地球椭球面相交,对地(海)面目标进行即时定位。时差型卫星定位系统在海洋监视上具有空域、时域覆盖范围广等优势,得到了广泛的研究和应用[1-5]。

定位精度是定位系统的重要性能指标,由于时差等参数的测量精度仍较低,时差型卫星定位系统的定位精度较低,制约了定位信息的有效应用,因此提高定位精度就成为一个关键问题[6-14]。除了研究时间精确测量方法、目标位置精确定位算法[6-11],还有学者提出和研究了位置标校方法,用来提高目标定位精度。文献[12]分析了系统误差和随机误差对定位精度的影响,指出时差和辅星相对位置的系统误差是影响定位精度的主要因素。文献[13]针对时差的系统误差引起的定位误差,提出了基于单参考源的位置校正方法。文献[14]针对时差和辅星相对位置的系统误差引起的定位误差,提出了基于4个参考源的标校方法。但是上述文献提出的标校方法是基于地面上的固定标校源,只能对距离标校源一定范围内的陆地目标或者近海岸目标进行标校,无法在全球远海海域实现更大范围的舰船目标位置校正。

近年来,随着船舶自动识别系统(automatic identification system,AIS)[15-16]在全球的推广使用,各国均大力发展AIS信号侦察系统,尤其是以航天器为平台的星载AIS信号侦察系统[17],并开展AIS信息与其他系统的融合处理研究[18-20]。AIS是船舶上的自动连续广播系统,它能在船舶和岸台间交换信息,而星载AIS信号侦察系统能够接收和解析AIS信号,从而获得民船的AIS信息,包括船舶准确的身份信息、高精度的位置信息等,这些信息对时差型卫星定位系统是有益的补充。将星载AIS信号侦察信息和时差型卫星定位信息进行融合处理,一方面,可以利用AIS信息识别筛选出民船,提高卫星定位系统军舰识别的效率和准确率；另一方面,由于AIS信息中船舶位置精度可达米级[16],因此可以将具有AIS信息的民船作为标校源,对军舰的卫星定位位置进行标校,从而提高军舰的定位精度。

本文将AIS信息引入时差型卫星定位系统,提出一种基于AIS信息的时差型卫星定位系统舰船位置标校方法,即首先将AIS信号侦察系统和时差型卫星定位系统获取的同一民船关联起来,然后将关联上AIS信息的民船作为标校源对军舰进行位置标校。本方法从全球海域客观存在的大量民船中选取标校源,实现了对全球海域军舰目标的位置标校。与基于地面固定标校源的标校方法相比,具有标校源选取方便、可标校范围大的优点。但是本方法的前提是,获取AIS信号侦察系统和时差型卫星定位系统同时相数据,并实现同一民船目标的关联。在实际工程中,可以在时差型卫星定位系统卫星平台上搭载AIS侦察载荷,从而获取同时相数据,而目标关联的问题在本文中暂不考虑。

除了使用前提,本方法还存在两个问题:一是AIS信息中船舶位置信息实际上是全球定位系统(global positioning system,GPS)天线的位置,它与船舶上辐射源位置存在偏差,不能直接用于位置标校,因此需要对标校源位置进行估计;另一方面,与具有准确位置的地面固定标校源不同,民船标校源位置存在误差,会影响标校方法的有效性,有效标校也会对标校源位置误差提出要求,因此需要对标校方法的误差进行分析。本文针对上述两个问题展开研究,提出了标校源位置的估计方法,并对估计误差进行了分析;建立了标校方法的误差分析模型,对标校源位置误差以及参数测量误差对标校效果的影响进行了全面分析,验证了本文方法的有效性;建立了标校源的有效性分析方法,为标校源的选择提供了依据。

1　舰船位置标校方法

1.1AIS与AIS信号侦察系统概述

近年来,为了进一步提高船舶航行的安全性和效率,AIS应运而生。随着AIS的技术发展和广泛应用,AIS信号侦察技术也快速发展,并成为广域民船监测的有效手段[15-17]。

AIS是采用专用国际频道、自组织时分多址的自动连续广播系统,它自动向邻近的船舶和岸台播发本船信息,包含静、动态信息和与航次有关的信息及安全信息。其中,静态信息中包括船舶的长和宽、定位仪天线在船舶上安装的相对位置等信息;动态信息包括船舶位置、航向、航速等信息。

需要指明的是,AIS播发的船位信息主要来源于船舶上的GPS或差分全球定位系统(differential GPS,DGPS)的定位信息,该定位信息是GPS天线的位置,静态信息中给出了定位仪天线在船舶上安装的相对位置信息,包括GPS天线距离船舶首、尾及左、右船舷的距离。采用DGPS的定位精度优于10 m,采用GPS的定位精度为10～20 m。

可见,民船上装有GPS和AIS,其中GPS获得民船自身位置,AIS对外广播自身位置。而AIS信号侦察系统是对AIS信号进行侦察的系统,通过侦获、解析AIS信号从而获得民船位置。由于AIS信息中船舶位置指的是GPS天线位置,因此AIS信号侦察系统获得的也是船舶GPS天线的位置。

1.2舰船位置标校流程

对于既安装了雷达、又安装了AIS的民船,依据时空及身份属性特征,可以将AIS信号侦察系统和时差型卫星定位系统对同一民船的侦察定位结果关联起来,该民船可以作为已知位置的标校源,对其他军舰的卫星定位系统的定位结果进行标校,提高时差型卫星定位系统的舰船定位精度。

综上所述,基于AIS信息的时差型卫星定位系统舰船位置校正的基本流程如图1所示。

图1　基于AIS信息的舰船位置校正方法流程图Fig.1　Flow chart of the position calibration technique of ship based on information of AIS

1.3标校源雷达位置及其系统误差估计

(1)

图2　GPS天线的安装位置Fig.2　Position of GPS antenna

图3　地理坐标系下的位置关系Fig.3　Position relation under geographical coordinates

1.4基于单船舶标校源的舰船位置标校算法

文献[12]指出,时差和辅星相对位置的系统误差是影响时差型卫星定位系统定位精度的主要因素。采用高精度卫星导航时,由卫星位置误差引起的定位误差可以忽略,如何消除时差的系统误差对定位精度的影响成为重点需要解决的问题。因此,在本文中只研究基于单个民船标校源的舰船位置标校算法。

(2)

(3)

从式(3)中可见,利用标校源的时差测量值可以消除军舰的时差测量值中的时钟同步误差。对应式(3)两个观测量的观测方程,结合地球椭球方程,形成待标校军舰的定位方程组:

(4)

式中,c为电磁波传播速率;a为地球长半轴;e为第一偏心率。

式(4)又可写为

(5)

相比较时差型卫星定位系统的目标定位方程[10],标校定位实现了对时差系统误差的修正。采用基于一阶泰勒展开的牛顿迭代方法[6-7]对标校定位方程式(5)进行求解,初始值取时差型卫星定位结果,当前后两次定位结果的距离小于某个门限时停止迭代,即可得到待标校军舰的位置X。

2　舰船位置标校定位误差分析

为了分析标校定位误差,建立误差分析模型,分析3个参数的两类误差对标校定位精度的影响,3个参数分别为时差、卫星位置和标校源位置,两类误差分别为系统误差和随机误差。在误差分析的基础上,提出了标校源的有效性分析方法,为标校源的选择提供了依据。

2.1误差模型与误差分析

为了分析标校定位误差,对式(5)进行全微分可得

(6)

式中

记

将式(6)写为

CdX=B(dT-dT′)+(D-D′)dS+C′dP

(7)

式中

求解舰船位置误差为

dX=C-1(BdT+DdS)+C-1(-BdT′-D′dS+C′dP)=

(8)

式中,dXTDOA为时差型卫星定位误差[21];dXAIS为利用AIS信息进行位置标校引起的定位误差。

由式(7)可见,标校定位误差取决于两个方面:一是军舰与卫星的相对位置关系和标校源与卫星的相对位置关系(分别体现在C、D和C′、D′上);二是测量误差,包括时差误差,卫星位置误差和标校源位置误差(体现在dT、dT′、dS和dP上)。3个参数的误差包含系统误差和随机误差,其中系统误差引起定位固定偏差,随机误差引起定位随机偏差。

(9)

则定位误差的均值为

(10)

定位误差的协方差矩阵为

C-1BRBTC-T

(11)

可见,基于单船舶的标校定位可以消除时差的系统误差引起的定位固定偏差,但单次定位的时差随机误差引起的定位随机偏差增大。

(2) 下面分析卫星位置的系统误差对定位误差的影响。假设仅标校源位置误差为零,此时dX=C-1[B(dT-dT′)+(D-D′)dS]。设卫星位置整体的系统误差为σs0,辅星相对位置的系统误差为σsi(i=1,2),则卫星位置的系统误差为

(12)

式中,11×3为1×3的1矩阵。

则定位误差的均值为

(13)

(3) 本文第1.3节中指出船舶标校源位置存在系统误差,下面分析该误差对标校定位精度的影响。不考虑卫星位置误差,此时dX=C-1[B(dT-dT′)+C′dP],可见标校源位置误差的存在又引入了新的定位误差,且该误差与舰船和卫星的相对位置关系(体现在C上)、标校源和卫星的相对位置关系(体现在C′上)有关。设标校源位置的系统误差分量为σp0,则有

(14)

则定位误差的均值为

(15)

可见,标校源位置的系统误差也引起了定位位置的固定偏差。

利用本节所述的分析方法,依据式(7),不需要求解定位方程就可以分析单标校源标校后的定位误差。

2.2标校源的有效性分析

从上述分析可以看出,标校算法消除了时差的系统误差,但是标校源位置的系统误差又带来了新的定位位置的固定偏差。只有标校定位后的固定偏差小于标校定位前的固定偏差,才能称之为有效标校。因此,需要估计一定测量误差条件下,有效标校对标校源位置系统误差的要求,下面从理论上分析有效标校对标校源位置系统误差的约束。

假设时差型卫星定位位置的固定偏差为dXTDOAs,标校定位位置的固定偏差为dXs,定义标校前后定位位置的固定偏差改善因子为

(16)

从式(6)可得,η≤1。当η=1时,标校定位位置的固定偏差dXs为0,即标校后不存在固定偏差。η为负值时,标校后固定偏差增大;η为正值时,标校后固定偏差减小;η为正值的区域称为标校源的有效标校范围。

对于某个待标校的军舰,可以利用固定偏差改善因子来分析指定标校效果对标校源位置系统误差的约束。由式(8)可得:

(17)

(18)

因此若假设标校源位置的系统误差分量为σp0,则dXs是σp0的二次函数。由η(σp0)≥α(α≥0),可求得σ1≤σp0≤σ2。即为了使舰船位置固定偏差的减小程度不小于α,要求标校源位置的系统误差满足一定的要求。若按照第1.3节估计的标校源雷达位置的最大系统误差不能满足上述要求,则其不能被选为标校源对待标校舰船进行位置校正。

3　仿真分析

仿真参数:假设3颗卫星飞行轨道的高度相同,约为700km,主星和辅星1的星间距约为67km,主星和辅星2的星间距约为72km。以三星星下点重心为中心,在经度、纬度均为18°范围内各做17等分,选取289个目标点位,其中目标点距星下点中心的最远距离约为1 350km。蒙特卡罗实验次数为500次。

(1) 假设时差的系统误差为50ns,标校源位于星下点中心时,时差型卫星定位的误差分布和标校定位的误差分布如图4所示,标校源位于图中“o”所示位置。蒙特卡罗仿真实验和理论分析方法(见式(16))的计算结果一致:固定偏差改善因子均为1。可见,标校定位后定位固定偏差为0,即基于单船舶标校源的位置标校方法消除了时差系统误差引起的定位误差。

图4　仅存在时差系统误差时的标校效果Fig.4　Calibration effect with TDOA system error only

(2)假设卫星位置整体的系统误差为30m,辅星相对位置的系统误差为20m。标校源位于星下点中心时,时差型卫星定位的误差分布、标校定位的误差分布如图5所示,标校源位于图中“o”所示位置。蒙特卡罗仿真实验和理论分析方法得到的固定偏差改善因子分布如图6所示。可见,当军舰和标校源位置接近时,基于单标校源的位置标校方法可以消除部分卫星位置系统误差引起的定位固定偏差。并且,理论分析方法和蒙特卡罗实验结果数值一致,因此理论分析方法是正确的。

图5　仅存在卫星位置系统误差时的标校效果Fig.5　Calibration effect with satellite position system error only

图6　理论分析和蒙特卡罗实验计算结果比较Fig.6　Comparison between theory analysis and Monte Carlo analysis

(3) 假设时差的系统误差为50ns,时差的随机误差为10ns,卫星位置整体和辅星相对位置的系统误差分别为30m和20m,卫星位置的随机误差为10m。标校源位于星下点中心和距星下点中心646km处时,标校定位误差和固定偏差改善因子分布如图7所示,标校源位于图中“o”所示位置。

可见,标校后的定位误差基本以标校源为中心分布。固定偏差改善因子的大致趋势为在与标校源的连接方向上,随着军舰与标校源距离的增大,固定偏差改善因子逐渐减小,甚至为负值。可见,以标校源为中心存在一个标校范围,在此范围内标校后的固定偏差有所降低;超出此范围,标校后固定偏差反而增大。

(4) 与仿真(3)相同的误差条件下,标校源位于星下点中心,标校源位置的系统误差为200m、随机误差为10m时,标校定位误差以及固定偏差改善因子分布如图8所示。与图7(b)进行比较可见,标校源位置存在误差时,某些位置处固定偏差改善因子增大,某些位置处固定偏差改善因子减小。

图7　标校源位于不同位置时的标校效果比较Fig.7　Effect of calibration with different calibration source

图8　标校源位置存在误差时的标校定位效果Fig.8　Effect of error of calibration source on calibration location

(5) 与仿真(3)相同的误差条件下,选择一个待标校军舰,经纬度位置为(129°,25.4°),此军舰距星下点中心270km。假设标校源位于星下点中心,标校源位置的随机误差为10m,标校后的固定偏差及固定偏差改善因子随标校源位置系统误差的变化曲线如图9所示。从图中可见,标校源位置的系统误差分量小于约305m时,固定偏差改善因子大于0,即标校后军舰位置固定偏差减小;标校源位置的系统误差分量小于约174m时,固定偏差改善因子大于50%。因此,标校源进行有效标校的约束条件是:标校源位置的系统误差分量小于305m;固定偏差改善50%对标校源的约束条件是:标校源位置的系统误差分量小于174m。

图9　标校源位置系统误差对固定偏差改善因子的影响Fig.9　Effect of system error of calibration source on parameter of improving

4　结　论

本文首次提出了一种新的标校思路,即将具有AIS信息的民用船舶作为有源反射合作目标、利用其高精度的位置信息对时差型卫星定位系统的舰船位置进行校正。针对AIS位置信息无法直接用于标校的问题,给出了标校源雷达位置的估计方法。提出了利用单船舶标校源的基于AIS信息的舰船位置标校算法,针对3个参数的两类误差,建立了标校定位误差分析模型,并对误差条件下的标校定位效果进行了全面深入分析。针对民船标校源位置存在的系统误差,提出了标校源的有效性分析方法,定义了定位位置的固定偏差改善因子,可以定量描述标校定位对目标定位精度的改善效果。仿真结果表明,本文提出的标校方法是正确有效的,基于单船舶标校源AIS信息的舰船位置标校方法可以消除时差系统误差引起的定位固定偏差,提高时差型卫星定位系统对舰船的定位精度,标校源的有效性分析方法为标校源的选择提供了依据。

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Position calibration technique of ship based on information of AIS

REN Wen-juan1,2,3, ZHOU Zhi-xin2, LÜ Shou-ye2, SHI Dong-feng2

(1. Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. Beijing Institute of RemoteSensing,Beijing100854,China; 3.KeyLaboratoryofTechnologyinGEO-SpatialInformationProcessingandApplicationSystem,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

To improve the position accuracy of ship in the satellite location system of time difference of arrival (TDOA), a technique of position calibration based on information of automatic identification system(AIS) is proposed. The warship position can be calibrated by the ship with AIS information acting as a reference source in the method. Firstly, because the position in AIS information cannot be used to calibrate immediately, the method for estimating the radar position of reference source and the error of radar position is raised. Secondly, aiming at the error of reference source position, the model of error analysis and the analysis method for the validity of reference source are found, the calibration accuracy and the capability of improving on position accuracy are analyzed in theory, by which a reference source can be selected. Finally, the validity of the new technique is tested through simulation.

automatic identification system(AIS); time difference of arrival (TDOA); satellite location system of TDOA; calibration; position accuracy; error analysis

2014-11-04；

2015-10-10；网络优先出版日期：2016-03-07。

中国博士后科学基金(2012M521836)资助课题

TN 971.+1

A

10.3969/j.issn.1001-506X.2016.10.23

任文娟(1982-),女,助理研究员,博士,主要研究方向为无源定位系统信号与信息处理。

E-mail:renandliang@sina.com

周志鑫(1966-),男,研究员,博士,主要研究方向为遥感图像处理及应用、电子侦察信号处理与应用。

E-mail:zhixin.zhou@ia.ac.cn

吕守业(1979-),男,副研究员,博士,主要研究方向为无源定位、电子侦察信号处理。

E-mail:lvshouye@bit.edu.cn

师栋锋(1981-),男,工程师,硕士,主要研究方向为无源定位、电子侦察信号处理。

E-mail:shdf@163.com

网络优先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160307.1747.004.html