CN105116390A - 面向海用雷达标校的测量值与ais真值点对构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向海用雷达标校的测量值与AIS真值点对构建方法，该技术涉及海用雷达误差标校领域，筛选可用目标进行配对，用以构建目标点对，为后续进行误差分析提供数据支持。本发明主要通过下述技术方案实现：首先利用统一的GPS授时设备对海用雷达设备和AIS接收设备进行授时；然后对AIS消息进行有效性判断，完成初步筛选，根据雷达天线位置对AIS定位数据进行空间坐标变换，设定筛选区域对雷达目标进行筛选；再根据筛选后的雷达目标，反馈回AIS进行进一步筛选，根据筛选结果减小筛选区域，直到完成目标配对；最后根据雷达航迹数据的时间及其前后紧邻时刻的配对AIS目标航迹，对AIS航迹进行插值，插值结果与雷达航迹组成测量值与真值点对。

Description

面向海用雷达标校的测量值与AIS真值点对构建方法

一、技术领域

本发明涉及海用雷达误差标校领域中的测量值与AIS真值点对构建研究方向，是利用岸台AIS设备接收的实时数据作为目标真值，开展海用雷达误差标校的数据预处理阶段，为后续进行海用雷达误差分析提供数据支持，适用于岸基与舰载平台条件下的导航、搜索、警戒、目标指示等海面目标探测雷达的误差标校。

二、背景技术

AIS，即自动识别***，是为了协助船舶交通管理***而使用的一种通信应答设备，集成了GPS定位信息、甚高频通信机、显示器等多设备于一体，作为一种船舶自动报位通信设施，能够采用自组织时分多址接入方式自动广播和接收船舶动态、静态和与航行相关的数据。由于AIS的信息丰富、具有GPS的定位精度以及全天候工作等特点，在航海领域获得了广泛的应用。国际海事组织强制要求2000年7月以后建造的船舶必须安装AIS应答器。随着AIS的广泛应用，有研究者提出利用岸台AIS设备接收并解析出的海上船舶GPS定位数据，作为海用雷达标校时的真值位置，并直接将利用AIS的雷达标校方法认定为是一种GPS标校方法。在从海上选择雷达标校用的船舶目标时，一般需要人工筛选，且需要操作人员具备一定的经验。AIS威力范围一般比雷达广，且盲区小、不易受干扰，应发挥其优势对雷达目标进行筛选，但是，如果雷达不能对目标形成有效探测，仅有AIS数据的目标是无效的，因此，进行AIS和雷达自动化地交替进行标校目标筛选具有一定的优势。现有利用AIS对雷达进行标校的方法，在空间变换时一般只使用一种方法，但是雷达对目标距离和方位的测量是相互独立的，可以分开解算。目前，未见面向海用雷达标校的测量值与AIS真值点对构建方法的研究报道。

三、发明内容

1.要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种可以应用于海用雷达标校的测量值与AIS真值点对构建的方法，利用AIS目标和雷达目标交替进行目标筛选，完成雷达和AIS目标配对，在此基础上，基于海用雷达距离测量和方位测量相互独立的特点，分别计算目标距离和目标方位，完成配对目标航迹数据的空间变换，并利用AIS数据率高于雷达数据率的特点，对AIS航迹数据进行线性插值，完成时间对齐，形成有效目标点对，为后续实施误差分析提供数据支持。

2.技术方案

本发明所述的面向海用雷达标校的测量值与AIS真值点对构建方法，包括以下步骤：

(1)利用统一的授时设备对海用雷达和AIS设备进行授时，确保设备的时间一致，接收AIS消息时，通过消息识别码、转发指示符、船位精确度和电子定位装置类型四个指示位对AIS消息进行过滤；

(2)解析接收到的AIS船位报告消息，并根据雷达天线GPS数据进行空间坐标变换，换算成极坐标形式的目标航迹数据，设置初始区域门限，利用该门限对雷达目标进行筛选，保留满足区域门限条件的雷达目标，并与AIS目标进行配对，若单个雷达目标的区域门限中存在多个AIS目标，则按照步进方法逐渐减小门限大小，直到所有雷达目标与AIS目标一一对应；

(3)同时记录目标对的雷达和AIS数据，其中雷达数据记录目标批号、距离、方位、时间，AIS数据记录用户识别号、经度、纬度、时间，对记录的AIS数据根据雷达天线GPS数据进行空间坐标变换，解算后的数据包含用户识别号、距离、方位、时间，取目标雷达航迹时刻前后紧邻两个时刻的AIS航迹，通过线性插值的方法，计算雷达航迹时刻的AIS航迹，完成目标对的时间对齐，形成雷达测量值与AIS真值点对。

3.有益效果

本发明相比背景技术具有如下的优点：

(1)该方法利用AIS和雷达交替进行目标筛选，在保证有效目标数量的同时，能有效减少无关目标的数量；

(2)该方法保留雷达的原始测量结果，对精度较高的AIS定位数据进行空间变换，分别用UTM投影计算目标距离，墨卡托投影计算目标方位，减小了空间变换过程中带来的误差；

(3)该方法对数据率较高的AIS航迹数据进行插值，减少了插值带来的误差。

四、附图说明

说明书附图是本发明的实施流程图。

五、具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明进一步详细描述。参照说明书附图，本发明的具体实施方式分以下几个步骤：

(1)利用统一的授时设备对海用雷达和AIS设备进行授时，确保设备的时间一致；

(2)数据1为海用雷达输出的目标航迹数据，数据2为AIS接收设备输出的AIS消息，且对AIS消息完成了初步筛选，只接收消息识别码为1的消息，只接收转发指示符为0的消息，只接收船位精确度为1的消息，只接收电子定位装置类型为1的目标的消息，只接收电子定位装置类型为1的目标的消息，形成AIS目标集合A；

(3)流程3在WGS84坐标系下，利用雷达天线架设位置的GPS定位数据和目标AIS消息中结算出的定位数据，使用UTM投影计算目标相对雷达的距离，使用墨卡托投影计算目标相对雷达的方位，完成AIS目标的空间变换；

(4)流程4利用流程3提供的AIS目标集合A，对有a＝{mmsi_a，ρ_a，θ_a}，其中mmsi_a表示目标用户识别号，ρ_a表示目标距离，θ_a表示目标方位，设Δρ为雷达距离精度，Δθ为雷达方位精度，则以[ρ_a-10Δρ，ρ_a+10Δρ]为距离筛选区间，以[θ_a-10Δθ，θ_a+10Δθ]为方位筛选区间，同时满足筛选区间的雷达目标加入雷达目标集合B，对有b＝{id_b，ρ_b，θ_b}，其中id_b表示目标用户识别号，ρ_b表示目标距离，θ_b表示目标方位，以[ρ_b-10Δρ，ρ_b+10Δρ]为距离筛选区间，以[θ_b-10Δθ，θ_b+10Δθ]为方位筛选区间，对AIS进行反馈筛选，同时满足筛选区间的AIS目标加入b的配对目标集合C_b；

(5)判定器5对其配对目标集合C_b的元素个数进行判定，若对其配对目标集合C_b有且只有一个元素，则完成配对，进入流程7，否则进入流程6；

(6)流程6分别以Δρ和Δθ为步进长度，减小b的筛选区间继续进行筛选，直到满足判定器5的判定条件；若某次筛选时集合C_b为空，则将b从B中剔除；

(7)流程7同时对完成配对的雷达目标航迹数据和AIS目标航迹进行同步记录；

(8)流程8对接收到的雷达目标航迹数据进行解析，形成目标航迹b^(t)＝{id_b，ρ_b ^(t)，θ_b ^(t)，t}，其中t表示该航迹的时刻，ρ_b ^(t)表示目标b在t时刻的距离，θ_b ^(t)表示目标b在t时刻的方位；

(9)流程9对接收到的AIS目标航迹数据进行解析，形成目标航迹a^(t)＝{mmsi_a，l_a ^(t)，b_a ^(t)，t}，其中t表示该航迹的时刻，l_a ^(t)表示目标a在t时刻的经度，b_a ^(t)表示目标a在t时刻的纬度；

(10)流程10对AIS目标航迹a^(t)＝{mmsi_a，l_a ^(t)，b_a ^(t)，t}进行空间变换，变换方法同步骤(3)，形成极坐标格式的AIS目标航迹a^(t)＝{mmsi_a，ρ^(t)，θ_a ^(t)，t}，其中ρ_a ^(t)表示目标a在t时刻的距离，θ_a ^(t)表示目标a在t时刻的方位；

(11)流程11对的航迹b^(t)＝{id_b，ρ_b ^(t)，θ_b ^(t)，t}，取a∈C_b的航迹 $a^{\left(t_1\right)}=\{{\mathrm{mmsi}}_a,{{\mathrm{\ρ}}_a}^{\left(t_1\right)},{{\mathrm{\θ}}_a}^{\left(t_1\right)},t_1\}$ 和 $a^{\left(t_2\right)}=\{{\mathrm{mmsi}}_a,{{\mathrm{\ρ}}_a}^{\left(t_2\right)},{{\mathrm{\θ}}_a}^{\left(t_2\right)},t_2\}$ 其中t₁＜t＜t₂，且t₁与t之间、t与t₂之间均无航迹，通过以下公式进行插值航迹的计算：

$k=\frac{t-t_1}{t_2-t_1}$

${{\mathrm{\ρ}}_a}^{\′}={{\mathrm{\ρ}}_a}^{\left(t_1\right)}+k({{\mathrm{\ρ}}_a}^{\left(t_2\right)}-{{\mathrm{\ρ}}_a}^{\left(t_1\right)})$

${{\mathrm{\θ}}_a}^{\′}={{\mathrm{\θ}}_a}^{\left(t_1\right)}+k({{\mathrm{\θ}}_a}^{\left(t_2\right)}-{{\mathrm{\θ}}_a}^{\left(t_1\right)})$

计算得到的ρ_a′和θ_a′分别为插值得到的a在t时刻的距离和方位；

(12)航迹点b^(t)＝{id_b，ρ_b ^(t)，θ_b ^(t)，t}，和a^(t)＝{mmsi_a，ρ_a′，θ_a′，t}的组合，即为雷达测量值与AIS真值点对。

Claims (5)

1.面向海用雷达标校的测量值与AIS真值点对构建方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)利用统一的授时设备对海用雷达和AIS设备进行授时，确保设备的时间一致，接收AIS消息时，通过消息识别码、转发指示符、船位精确度和电子定位装置类型四个指示位对AIS消息进行过滤；

(2)解析接收到的AIS船位报告消息，并根据雷达天线GPS数据进行空间坐标变换，换算成极坐标形式的目标航迹数据，设置初始区域门限，利用该门限对雷达目标进行筛选，保留满足区域门限条件的雷达目标，并与AIS目标进行配对，若单个雷达目标的区域门限中存在多个AIS目标，则按照步进方法逐渐减小门限大小，直到所有雷达目标与AIS目标一一对应；

(3)同时记录目标对的雷达和AIS数据，其中雷达数据记录目标批号、距离、方位、时间，AIS数据记录用户识别号、经度、纬度、时间，对记录的AIS数据根据雷达天线GPS数据进行空间坐标变换，解算后的数据包含用户识别号、距离、方位、时间，取目标雷达航迹时刻前后紧邻两个时刻的AIS航迹，通过线性插值的方法，计算雷达航迹时刻的AIS航迹，完成目标对的时间对齐，形成雷达测量值与AIS真值点对。

2.权利要求1所述的面向海用雷达标校的测量值与AIS真值点对构建方法，其中步骤(1)所述的AIS消息过滤，包括如下特征：

①只接收消息识别码为1和5的消息；

②只接收消息识别码为1的消息中转发指示符为0的消息；

③只接收消息识别码为1的消息中船位精确度为1的消息；

④只接收消息识别码为5的消息中电子定位装置类型为1的目标的消息。

3.权利要求1所述的面向海用雷达标校的测量值与AIS真值点对构建方法，其中步骤(2)和步骤(3)所述的空间坐标变换，使用WGS84坐标系下测量的雷达天线GPS数据及AIS消息中的船舶GPS定位数据，以雷达天线GPS为极坐标原点，应用如下技术措施：

①距离变换采用UTM投影，计算目标相对雷达天线的距离；

②方位变换采用墨卡托投影，计算目标相对雷达天线的方位。

4.权利要求1所述的面向海用雷达标校的测量值与AIS真值点对构建方法，其中步骤(2)所述的雷达和AIS交替筛选形成目标对，具有如下特征：解析所有过滤后的AIS消息，解算目标经纬度信息，并根据雷达天线GPS数据进行坐标变换，得到AIS目标集合A，对有a＝{mmsi_a，ρ_a，θ_a}，其中mmsi_a表示目标用户识别号，ρ_a表示目标距离，θ_a表示目标方位，设Δρ为雷达距离精度，Δθ为雷达方位精度，则以[ρ_a-10Δρ，ρ_a+10Δρ]为距离筛选区间，以[θ_a-10Δθ，θ_a+10Δθ]为方位筛选区间，对雷达目标进行筛选，同时满足筛选区间的雷达目标加入雷达目标集合B，对有b＝{id_b，ρ_b，θ_b}，其中id_b表示目标用户识别号，ρ_b表示目标距离，θ_b表示目标方位，以[ρ_b-10Δρ，ρ_b+10Δρ]为距离筛选区间，以[θ_b-10Δθ，θ_b+10Δθ]为方位筛选区间，对AIS进行反馈筛选，同时满足筛选区间的AIS目标加入b的配对目标集合C_b，若对其配对目标集合C_b有且只有一个元素，则完成目标配对；否则，分别以Δρ和Δθ为步进长度，减小b的筛选区间继续进行筛选，直到配对目标集合C_b中有且只有一个元素；若某次筛选时集合C_b为空，则将b从B中剔除。

5.权利要求1所述的面向海用雷达标校的测量值与AIS真值点对构建方法，其中步骤(3)所述的目标对的时间对齐，具备如下特征：

对的航迹b^(t)＝{id_b，ρ_b ^(t)，θ_b ^(t)，t}，其中t表示该航迹的时刻，ρ_b ^(t)表示目标b在t时刻的距离，θ_b ^(t)表示目标b在t时刻的方位，取a∈C_b的航迹和其中t₁＜t＜t₂，且t₁与t之间、t与t₂之间均无航迹，通过以下公式进行插值航迹的计算：

$k=\frac{t-t_1}{t_2-t_1},$

${{\mathrm{\ρ}}_a}^{\′}={{\mathrm{\ρ}}_a}^{\left(t_1\right)}+k({{\mathrm{\ρ}}_a}^{\left(t_2\right)}-{{\mathrm{\ρ}}_a}^{\left(t_1\right)}),$

${{\mathrm{\θ}}_a}^{\′}={{\mathrm{\θ}}_a}^{\left(t_1\right)}+k({{\mathrm{\θ}}_a}^{\left(t_2\right)}-{{\mathrm{\θ}}_a}^{\left(t_1\right)}),$

其中，ρ_a′和θ_a′分别为插值得到的a在t时刻的距离和方位，则航迹点b^(t)＝{id_b，ρ_b ^(t)，θ_b ^(t)，t}和a^(t)＝{mmsi_a，ρ_a′，θ_a′，t}的组合，即为雷达测量值与AIS真值点对。