CN108333605A - 一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法和*** - Google Patents

一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法和*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法，伪距差分定位模块和惯性导航模块采集船舶实时定位数据并发送至MCU；MCU将定位数据中的速度数据采用Kalman滤波算法进行融合得到实时融合速度，将船舶定位数据中的实时经纬度转换至平面坐标；结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间T，当预测跨越时间超出报警时间阈值时发出报警信号。本发明还公开了一种基于差分定位的船舶通航分道判断***。本发明可以为船舶用户提供高精度的定位服务和速度信息，使船舶能够基于通航分道中的分隔线(带)并进行航道偏离预警。

Description

一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法和***
技术领域
本发明属于船舶定位通航技术领域，具体涉及一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法和***。
背景技术
目前在长江分道通航制中，分隔带(线)在为航运带来了诸多便利的同时，也存在着一定的局限。分隔带(线)是一条无形态的带(线)，船舶驾引人员无法视觉识别，这为基于分隔带(线)的航道判断预警决策带了很大的困难，要求所有驾引人员都能判断是很困难的，这可能导致船舶行驶在错误的通航分道上，从而与对驶相遇的他船发生碰撞，这也是分道通航水域和定线制水域对驶相遇船舶碰撞事故时发的主要原因之一；目前船舶定位主要依靠GPS，但常规GPS的定位精度大约为10m，在长江分道通航制的水域，大多航道较窄，水文条件比较复杂，显然10m精度的常规GPS定位无法完全满足长江分道通航制水域的船舶定位需求；同时，当前缺少对于船舶航行数据的有效收集与分析，这从一定程度上加重了海事监管的工作量，造成了效率偏低，也对船公司制定航线以及航行计划不利。因此，如何有效的解决上述问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容：
为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法和***，使船舶能够基于通航分道中的分隔线 (带)并进行航道偏离预警。
为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：
一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法，包括：
步骤1，伪距差分定位模块和惯性导航模块采集船舶实时定位数据并发送至MCU；
步骤2，MCU将定位数据中的速度数据采用Kalman滤波算法进行融合得到实时融合速度，将船舶定位数据中的实时经纬度转换至平面坐标；
步骤3，结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间T，当预测跨越时间超出报警时间阈值时发出报警信号。
较佳地，步骤3中结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间的方法包括：
当航道边界形态为曲线，船舶实时运动形态为直线，且船位位于曲线航道边界的外侧时，
若船舶位于航道边界以上，且航向角在预设指标范围以内时，则通过算法1获取预测跨越时间T；
若船舶位于航道边界以下，且航向角在预设指标范围以外时，则通过算法1获取预测跨越时间T；
通过算法1获取预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；y1r代表实时船位和曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离；θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；v代表实时船舶速度；Ψ表示船舶航向角。
较佳地，步骤3中结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间的方法包括：
当航道边界形态为曲线，船舶实时运动形态为直线，且船位位于曲线航道边界的内侧时，
若船舶位于航道边界以上，且航向角在预设指标范围以内时，则通过算法2获取预测跨越时间T；
通过算法2获取预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；y1r代表实时船位和曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离；θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；v代表实时船舶速度；Ψ表示船舶航向角。
较佳地，步骤3中结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间的方法包括：
当航道边界形态为曲线，船舶实时运动形态为曲线，且船舶位于曲线航道边界的外侧时，
若船舶位于航道边界以上，且船舶的旋回直径大于船舶距航道边界的最小距离，则通过算法3获取预测跨越时间T，
通过算法3获取预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；Rav代表船舶艏柱的旋回半径；α代表船舶从当前位置到跨越航道边界所经过的弧度角；ua代表船舶艏柱的线速度；θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；Rv代表船舶旋回轨迹半径；Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；d表示船舶艏柱到转心的距离；β表示船舶转心处的漂角；ROT表示船舶转向率；v表示实时船舶速度；Ψ表示船舶航向角；l为中间变量；若船舶位于航道边界以下，且船舶的旋回直径大于船舶距航道边界的最小距离，则通过算法4获取预测跨越时间T；
其中，
T代表船舶预测跨越时间；Rav代表船舶艏柱的旋回半径；α代表船舶从当前位置到跨越航道边界所经过的弧度角；ua代表船舶艏柱的线速度；θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；β表示船舶转心处的漂角；Ψ表示船舶航向角；l为中间变量。
较佳地，步骤3中结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间的方法包括：
当航道边界形态为直线，且船舶实时运动形态为直线时，
若船舶位于航道边界以上，且航向角在预设指标范围以内时，则通过算法5获取预测跨越时间T，
若船舶位于航道边界以下，且航向角在预设指标范围以外时，则通过算法5获取预测跨越时间T；
通过算法5获取预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；y2r代表实时船位和直线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离；θ2代表船舶航向与航道边界所在直线的夹角；a0、a1为航道边界拟合函数的系数；v表示实时船舶速度。
较佳地，步骤3中结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间的方法包括：
当航道边界形态为直线，船舶实时运动形态为曲线，且船舶的旋回直径大于船舶距航道边界的最小距离时，通过算法6获取预测跨越时间T；
通过算法6获取预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；Rav代表船舶艏柱的旋回半径；α代表船舶从当前位置到跨越航道边界所经过的弧度角；ua代表船舶艏柱的线速度；Rav代表船舶艏柱的旋回半径；θ2代表船舶航向与航道边界所在直线的夹角；β表示船舶转心处的漂角；y2r代表实时船位和直线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离。
本发明还提供一种基于差分定位的船舶通航分道判断***：包括惯性导航模块和伪距差分定位模块，惯性导航模块和伪距差分定位模块的信号输出端连接MCU的信号输入端，MCU通过通讯模块连接岸基平台服务器和报警器，MCU被配置为执行计算机程序时实现如权利要求1-6任一项方法的步骤。
较佳地，伪距差分定位模块的型号为NEO-M8N。
较佳地，惯性导航模块的型号为UM220-INS N。
本发明的有益效果在于：本发明可以为船舶用户提供高精度的定位服务和速度信息，使船舶能够基于通航分道中的分隔线(带)并进行航道偏离预警，同时可以将船舶日常的航行数据发送至岸基数据管理平台服务器，积累船舶航行经验，为船舶管理、航线设计、海事监管提供支持，也可以同时将船舶的遇险报警信息发送至岸基数据管理平台服务器和其他船舶。
附图说明
图1为本发明实施例一的流程图，
图2为本发明实施例二的***结构示意图，
图3为本发明实施例一船舶与航道的位置关系示意图，
图4为本发明实施例一船舶与航道的位置关系示意图，
图5为本发明实施例一船舶与航道的位置关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
伪距差分定位模块2和INS模块3采集船舶定位数据(包括经纬度、速度、速度、高程)并发送至MCU 1；MCU 1首先将两者的速度数据采用Kalman滤波算法进行融合，进而得到融合后的速度信息。以伪距差分定位模块输出的东向和北向的速度，INS模块输出的东向和北向的加速度作为外部观测值，利用Kalman全局滤波器对伪距差分定位模块数据进行融合和滤波，采用Kalman局部滤波器对每间隔 200ms的加速度数据进行融合与滤波，如图所示。
由于伪距差分定位模块的定位结果表现在WGS-84全球坐标系中，而我国的测绘结果普遍表现在北京-54坐标系中，WGS-84全球坐标系与北京-54坐标系的大地基准面与参考椭球体不同，因此需要经纬度坐标到平面坐标的转换。假设北京54椭球中心和坐标轴方向与WGS-84椭球相一致，可以通过平面转换模型将伪距差分定位模块得到的大地经纬度和高程(B84，L84，h84)T，转换成平面坐标(xg，yg) T：
(1)通过WGS-84的椭球参数，即椭球长半径和扁率，将 (B84，L84，h84)T换算成空间直角坐标(X,Y,Z)T，公式如下：
(2)由北京54的椭球参数，将(X,Y,Z)T换算成大地坐标形式 (B54，L54，h54)T，公式如下：
(3)根据实际需要，确定中央子午线，投影面高程以及北向、东向偏移量将(B54,L54)T投影为高斯坐标(xg,yg)T，公式如下：
其中，t＝tanB；η2＝e2cos2B；
根据最终得到的定位数据以及预先读取的通航分道的坐标数据进行航道判断决策，并将判断决策发送至报警器4，航道判断决策方法如下。
假设船舶当前航行水域的航道边界为直线，且可由电子航道图中两座相邻的虚拟航道界标航标1和航标2的连线界定，将船舶运动简化为水平面内的匀速直线运动，船舶、航标1、航标2的坐标分别为 (x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)，其相互之间的距离分别为L1、L2、L3，如图3 所示。
船舶在直线航道边界的左侧航行，为保证顺利通过航道，船舶的预期轨迹应当与航道边界线平行，若船舶某些原因，船舶航向和预期轨迹发生偏离，当船舶向左侧偏离时，将不会发生跨越航道边界的危险，当船舶向右侧发生偏离时，则存在跨越航道边界的危险，如图4 所示。
当船舶发生向右偏离时，以偏离预期轨迹角θ的航向进行直线航行，在此阶段中，设船舶为刚体，将船舶的运动过程简化成水平面内的匀速直线运动，即船舶加速度a＝0，船舶速度V保持不变，将船舶当前航向和与航道平行的船舶预期轨迹之间的夹角θ称为船舶的相对偏航角，如图5所示。
在图5中，A点为经过预测时间TP后的船首预测位置点，C点为船首跨越航道边界的位置点，即船舶的航道偏离位置点，将船首从预测位置点至跨越航道边界所经过的距离称为船舶的偏离距离(即沿着船舶预测行驶方向，从船舶预测位置延伸到与航道边界相交点处) 用D表示，船首跨越航道边界所经过的时间称为船舶的偏离时间，用T表示。要计算偏离时间T，首先要求得偏离距离D，即图3中 AC线段长LAC。由图3中的几何关系，结合三角函数知识可得：
式中，θ为船舶的相对偏航角，yr为船首距航道边界的横向距离，要想求得偏离距离D，那么就要求出横向距离yr，由于直线航道边界可以由长江电子航道图中相邻两界标航标l和航标2的连线确定，船首预测位置、航标1、航标2的坐标分别为(x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)，其相互之间的距离分别为L1、L2、L3，那么根据三角形的面积计算公式以及海伦公式：
可以得到：
其中：
可求得偏离距离D，求得偏离距离D后，便可求得船舶偏离时间T：
其中，V为船舶速度。当偏离时间小于报警时间阈值即T≤Tth时，***将发出报警。同时，MCU 1将船舶的航行定位数据通过3G模块 5发送至岸基数据管理平台服务器7，当船舶穿越通航分道报警时通过AIS模块6将报警信息发送至他船AIS设备及AIS基站。
与此同时，3G模块5与MCU 1之间通过RS232进行通信，通信协议是AT命令集；MCU 1通过正确的AT指令对3G模块5设置后，可使其进行拨号连接并附着到3G网络上，同时获取动态口，打开TCP/UDP socket，指定所述岸基数据管理平台服务器7的IP、端口号，3G模块5将船舶航行数据进行AES加密处理，再通过3G网络进行无线传输至岸基数据管理平台服务器7。岸基数据管理平台服务器7建立和维护数据库。
海事部门和船公司相关人员可通过岸基数据管理平台服务器7 在后台实现实时分析船舶航行数据与报警信息，实现了远程监测与报警指挥，并进行大数据分析以改善和完善海事监管策略及船舶运营策略。
实施例一
本实施例的一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法，具体包括如下步骤：
步骤1，伪距差分定位模块和惯性导航模块采集船舶实时定位数据并发送至MCU；
步骤2，MCU将定位数据中的速度数据采用Kalman滤波算法进行融合得到实时融合速度，将船舶定位数据中的实时经纬度转换至平面坐标；
步骤3，结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间T，当预测跨越时间超出报警时间阈值时发出报警信号。
其中，结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间的方法包括以下几种情况：
情况一
当航道边界形态为曲线，船舶实时运动形态为直线，且船位位于曲线航道边界的外侧时，
若船舶位于航道边界以上，且航向角在预设指标范围以内时，则通过算法1获取预测跨越时间T；
若船舶位于航道边界以下，且航向角在预设指标范围以外时，则通过算法1获取预测跨越时间T；
通过算法1获取预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；y1r代表实时船位和曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离；θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；v代表实时船舶速度；Ψ表示船舶航向角。
情况二
当航道边界形态为曲线，船舶实时运动形态为直线，且船位位于曲线航道边界的内侧时，
若船舶位于航道边界以上，且航向角在预设指标范围以内时，则通过算法2获取预测跨越时间T；
若船舶位于航道边界以下，且航向角在预设指标范围以内时，则通过算法2获取预测跨越时间T；
通过算法2获取预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；y1r代表实时船位和曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离；θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；v代表实时船舶速度；Ψ表示船舶航向角。
情况三
当航道边界形态为曲线，船舶实时运动形态为曲线，且船舶位于曲线航道边界的外侧时，
若船舶位于航道边界以上，且船舶的旋回直径大于船舶距航道边界的最小距离，则通过算法3获取预测跨越时间T，
通过算法3获取预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；Rav代表船舶艏柱的旋回半径；α代表船舶从当前位置到跨越航道边界所经过的弧度角；ua代表船舶艏柱的线速度；θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；Rv代表船舶旋回轨迹半径；Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；d表示船舶艏柱到转心的距离；β表示船舶转心处的漂角；ROT表示船舶转向率；v表示实时船舶速度；Ψ表示船舶航向角；l为中间变量。
若船舶位于航道边界以下，且船舶的旋回直径大于船舶距航道边界的最小距离，则通过算法4获取预测跨越时间T；
其中，
T代表船舶预测跨越时间；Rav代表船舶艏柱的旋回半径；α代表船舶从当前位置到跨越航道边界所经过的弧度角；ua代表船舶艏柱的线速度；θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；β表示船舶转心处的漂角；Ψ表示船舶航向角；l为中间变量。
情况四
当航道边界形态为直线，且船舶实时运动形态为直线时，
若船舶位于航道边界以上，且航向角在预设指标范围以内时，则通过算法5获取预测跨越时间T，
若船舶位于航道边界以下，且航向角在预设指标范围以外时，则通过算法5获取预测跨越时间T；
通过算法5获取预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；y2r代表实时船位和直线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离；θ2代表船舶航向与航道边界所在直线的夹角；a0、a1为航道边界拟合函数的系数；v表示实时船舶速度。
情况五
当航道边界形态为直线，船舶实时运动形态为曲线，且船舶的旋回直径大于船舶距航道边界的最小距离时，通过算法6获取预测跨越时间T；
通过算法6获取预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；Rav代表船舶艏柱的旋回半径；α代表船舶从当前位置到跨越航道边界所经过的弧度角；ua代表船舶艏柱的线速度；Rav代表船舶艏柱的旋回半径；θ2代表船舶航向与航道边界所在直线的夹角；
β表示船舶转心处的漂角；y2r代表实时船位和直线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离。
本实施例的计算船舶预测跨越时间T的具体算法可以表述如下：
已知：经过坐标转换后的经纬度(xk,yk)，转向率ROT(来自船舶转向率指示器)，经过Kalman滤波融合后的船舶速度v，航向角Ψ (来自罗经)，船艏柱距转心的距离d(船舶固有参数，其值视船型而定)，船舶定常旋回时转心处的漂角β(船舶固有参数，其值视船型而定)，报警时间阈值Tth(预先设置，其值视船舶操纵性能而定)，确定航道边界的坐标集(xi,yi)i＝1,2,3…n(预先下载到存储器中，从存储器中调用)。(x1,y1)、(xn,yn)分别为起点和终点。
对(xi,yi)i＝1,2,3…n通过最小二乘法进行拟合，得到拟合函数：若ai＝0，i∈[2,n]那么函数在x∈[x1,xn]上是直线；若ai≠0，i∈[2,n]那么函数在x∈[x1,xn]上是曲线。
若ai≠0，i∈[2,n](航道边边界为曲线)，且ROT＝0(船舶直线运动)，那么计算P'(x1)、P"(x1)、
1、(执行算法1的条件)：
当(船位(xk,yk)位于曲线航道边界的外侧)时，那么计算以下参数：
计算(xk,yk)对于Pn(x)在x∈[x1,xn]上两个切点的坐标，用(xq1,yq1) 和(xqn,yqn)表示。
即解关于xq的方程：在x∈[x1,xn]上的两个近似根(可用二分法)，再将求得的解带回到Pn(x)即可得。
令
比较yk与Pn(xk)的大小，
若yk>Pn(xk)(船位(xk,yk)位于航道边界以上)，若ψk满足： min(ε1',εn')<ψ<max(ε1',εn')，那么执行算法1；若ψ不满足该条件，程序结束。
若yk<Pn(xk)(船位(xk,yk)位于航道边界以下)，若ψ满足： 0<ψ<min(ε1',εn')&max(ε1',εn')<ψ<360，那么执行算法1，若不满足该条件，程序结束。
也即，执行算法1的条件可以表述为：
2、(执行算法2的条件)：
当(船位(xk,yk)位于曲线航道边界的内侧)时，那么计算以下参数：
令
其中，(x1,y1)、(xn,yn)分别为函数的起点和终点坐标。
比较yk与Pn(xk)的大小，
若yk>Pn(xk)(船位(xk,yk)位于航道边界以上)，若ψ满足： min(ε1,εn)<ψ<max(ε1,εn)，那么执行算法2；若ψ不满足该条件，程序结束。
若yk<Pn(xk)(船位(xk,yk)位于航道边界以下)，若ψ满足： 0<ψ<min(ε1,εn)&max(ε1,εn)<ψ<360，那么执行算法2，若不满足该条件，程序结束。
也即，执行算法2的条件可以表述为：
3、(执行算法3的条件)：
当(船位(xk,yk)位于曲线航道边界的外侧)且ROT≠0时，那么计算以下参数：
计算(xk,yk)对于Pn(x)在x∈[x1,xn]上距离最近的点的坐标，用 (xb,yb)表示。
即解关于xb的方程在x∈[x1,xn] 上的根，再带回到Pn(x)即可得。
令
若yk>Pn(xk)(船位(xk,yk)位于航道边界以上)，满足：y1r<Rav，那么执行算法3，若不满足该条件，程序结束。
也即，执行算法3的条件可以表述为：
4、(执行算法4的条件)
若yk<Pn(xk)(船位(xk,yk)位于航道边界以下)，满足：y1r<Rav，那么执行算法4，若不满足该条件，程序结束。
也即，执行算法4的条件可以表述为：
5、(执行算法5的条件)
若ai＝0，i∈[2,n](航道边界为直线)，且ROT＝0时(船舶直线运动)，计算以下参数：
令
若yk>Pn(xk)(船位(xk,yk)位于航道边界以上)，若ψ满足： min(ε1,εn)<ψ<max(ε1,εn)，那么执行算法5；若ψ不满足该条件，程序结束。
若yk<Pn(xk)(船位(xk,yk)位于航道边界以下)，若ψ满足： 0<ψ<min(ε1,εn)&max(ε1,εn)<ψ<360，那么执行算法5，若不满足该条件，程序结束。
也即，执行算法5的条件可以表述为：
6、(执行算法6)
若ai＝0，i∈[2,n](航道边界为直线)，且ROT≠0时(船舶曲线运动)，计算以下参数：
若满足：y2r<Rav，那么执行算法6，若不满足该条件，程序结束。
也即，执行算法6的条件可以表述为：
然后按照上文所述的算法1至6计算船舶预测跨越时间T：
实施例二
本发明还提供一种基于差分定位的船舶通航分道判断***：包括惯性导航模块和伪距差分定位模块，惯性导航模块和伪距差分定位模块的信号输出端连接MCU的信号输入端，MCU通过通讯模块连接岸基平台服务器和报警器，MCU被配置为执行计算机程序时实现如实施例一所述方法的步骤。
伪距差分定位模块的型号为NEO-M8N。
惯性导航模块的型号为UM220-INS N。
基于差分定位的船舶通航分道判断***，其特征在于：它包括安装于驾驶台的MCU、3G模块、AIS模块、报警器、电源模块，安装在罗经甲板的伪距差分定位模块、INS模块，以及与船舶分离的岸基数据管理平台服务器；其中，MCU至少设置5路UART、一路 RS232、一路RS485，伪距差分定位模块、INS组合模块通过UART 与MCU相连接；MCU还与报警器通过UART连接；3G模块通过 RS232与MCU相连接，AIS模块通过RS485与MCU相连接；3G模块通过3G无线网络与岸基数据管理平台服务器相连接，AIS模块通过VHF与他船AIS设备、AIS基站相连接；电源模块支持5～24v宽电压供电，并设有电源保护。
伪距差分定位模块可以同时观测北斗、GPS双星座。
伪距差分定位模块至少具有2路UART。
伪距差分定位模块通过UART接收来自3G模块或AIS模块的 RTCM2.3协议的差分信息，并进行伪距差分计算，并通过UART向 MCU发送经过伪距差分计算后的船舶定位数据。
INS模块可以测量船舶定位数据。
INS模块至少具有1路UART，并通过UART将船舶定位数据发送至MCU。
MCU至少具有5路UART、1路RS232和一路RS485。
MCU通过UART接收来自伪距差分定位模块和INS模块的定位数据并进行Kalman滤波融合计算和WGS-84坐标系向平面坐标系的坐标转换计算。
MCU可以下载长江分道通航制中分隔带(线)的坐标数据。
MCU根据预先下载的长江分道通航制中分隔带(线)的坐标数据及进行坐标转换后的定位数据进行基于分隔带(线)的通航分道判断计算。
MCU根据航道判断计算后的结果向报警器通过UART发送报警决策。
MCU将船舶航行数据封装成符合3G私有协议格式的语句，并通过RS232发送至3G模块。
MCU将报警数据封装成符合IEC61162和IEC62287协议的标准语句通过RS485发送至AIS模块。
报警器至少具有1路UART并通过UART接收来自MCU的报警决策进行声光报警。
3G模块至少具有一路RS232和一路UART，3G模块通过RS232 接收来自MCU的封装后的航行数据和报警数据。
3G模块通过3G无线网络接收RTCM2.3协议的差分数据并通过UART发送至伪距差分定位模块。
3G模块通过3G无线网络向岸基数据管理平台服务器发送船舶航行数据和报警数据。
3G模块带有为3G无线传输加密的AES加密模块。
岸基数据管理平台服务器通过3G无线网络接收来自3G模块的航行数据和报警数据。
AIS模块至少具有1路RS485和一路UART。
AIS模块通过RS485接收来自MCU封装的符合IEC61162和 IEC62287协议的标准语句。
AIS模块通过VHF接收RTCM2.3协议格式的差分数据并通过 UART发送至伪距差分定位模块。
AIS模块通过VHF向其他船舶和AIS基站发送船舶报警信息。
电源模块支持5～24v宽电压供电，并设有电源保护。
工作时，伪距差分定位模块和INS模块采集船舶定位数据(包括经纬度、速度、航向、高程等)并发送至MCU；MCU首先将两者的定位数据进行Kalman融合滤波计算，再将得到的定位数据进行从 WGS-84坐标系向平面坐标系的坐标转换计算，根据最终得到的定位数据以及预先下载的通航分道的坐标数据进行航道判断决策，并将判断决策发送至报警器；同时，MCU将船舶的航行定位数据通过3G 模块发送至岸基数据管理平台服务器，当船舶穿越通航分道报警时通过AIS模块将报警信息发送至他船AIS设备及AIS基站。
当基于差分定位的船舶通航分道判断***开始正常工作后，伪距差分定位模块和INS模块采集船舶定位数据(包括经纬度、速度、航向、高程等)并发送至MCU；MCU首先将两者的定位数据进行 Kalman融合滤波计算，再将得到的定位数据进行从WGS-84坐标系向平面坐标系的坐标转换计算，根据最终得到的定位数据以及预先下载的通航分道的坐标数据进行航道判断决策，并将判断决策发送至报警器；同时，MCU将船舶的航行定位数据通过3G模块发送至岸基数据管理平台服务器，当船舶穿越通航分道报警时通过AIS模块将报警信息发送至他船AIS设备及AIS基站。
与此同时，3G模块与MCU之间通过RS232进行通信，通信协议是AT命令集；MCU通过正确的AT指令对3G模块设置后，可使其进行拨号连接并附着到3G网络上，同时获取动态口，打开TCP /UDP socket，指定所述岸基数据管理平台服务器的IP、端口号，3G 模块将船舶航行数据进行AES加密处理，再通过3G网络进行无线传输至岸基数据管理平台服务器。岸基数据管理平台服务器建立和维护数据库。
海事部门和船公司相关人员可通过岸基数据管理平台服务器在后台实现实时分析船舶航行数据与报警信息，实现了远程监测与报警指挥，并进行大数据分析以改善和完善海事监管策略及船舶运营策略。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法，其特征在于，包括：
步骤1，伪距差分定位模块和惯性导航模块采集船舶实时定位数据并发送至MCU；
步骤2，MCU将所述定位数据中的速度数据采用Kalman滤波算法进行融合得到实时融合速度，将所述船舶定位数据中的实时经纬度转换至平面坐标；
步骤3，结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间T，当所述预测跨越时间超出报警时间阈值时发出报警信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法，其特征在于，所述步骤3中结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间的方法包括：
当航道边界形态为曲线，船舶实时运动形态为直线，且船位位于曲线航道边界的外侧时，
若船舶位于航道边界以上，且航向角在预设指标范围以内时，则通过算法1获取所述预测跨越时间T；
若船舶位于航道边界以下，且航向角在预设指标范围以外时，则通过算法1获取所述预测跨越时间T；
通过算法1获取所述预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；
Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；
y1r代表实时船位和曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离；
θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；
xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；
v代表实时船舶速度；
Ψ表示船舶航向角。
3.根据权利要求1所述的一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法，其特征在于，所述步骤3中结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间的方法包括：
当航道边界形态为曲线，船舶实时运动形态为直线，且船位位于曲线航道边界的内侧时，
若船舶位于航道边界以上，且航向角在预设指标范围以内时，则通过算法2获取所述预测跨越时间T；
若船舶位于航道边界以下，且航向角在预设指标范围以内时，则通过算法2获取所述预测跨越时间T；
通过算法2获取所述预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；
Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；
y1r代表实时船位和曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离；
θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；
xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；
v代表实时船舶速度；
Ψ表示船舶航向角。
4.根据权利要求1所述的一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法，其特征在于，所述步骤3中结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间的方法包括：
当航道边界形态为曲线，船舶实时运动形态为曲线，且船舶位于曲线航道边界的外侧时，
若船舶位于航道边界以上，且船舶的旋回直径大于船舶距航道边界的最小距离，则通过算法3获取所述预测跨越时间T，
通过算法3获取所述预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；
Rav代表船舶艏柱的旋回半径；
α代表船舶从当前位置到跨越航道边界所经过的弧度角；
ua代表船舶艏柱的线速度；
θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；
xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；
Rv代表船舶旋回轨迹半径；
Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；
d表示船舶艏柱到转心的距离；
β表示船舶转心处的漂角；
ROT表示船舶转向率；
v表示实时船舶速度；
Ψ表示船舶航向角；
l为中间变量。
若船舶位于航道边界以下，且船舶的旋回直径大于船舶距航道边界的最小距离，则通过算法4获取所述预测跨越时间T；
其中，
T代表船舶预测跨越时间；
Rav代表船舶艏柱的旋回半径；
α代表船舶从当前位置到跨越航道边界所经过的弧度角；
ua代表船舶艏柱的线速度；
θ1代表船舶航向与曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点的切线的夹角；
xb表示航道边界上距离实时船位最近的位置点的横坐标；
Rr代表曲线航道边界上距离实时船位最近的位置点处的曲率半径；
β表示船舶转心处的漂角；
Ψ表示船舶航向角；
l为中间变量。
5.根据权利要求1所述的一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法，其特征在于，所述步骤3中结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间的方法包括：
当航道边界形态为直线，且船舶实时运动形态为直线时，
若船舶位于航道边界以上，且航向角在预设指标范围以内时，则通过算法5获取所述预测跨越时间T，
若船舶位于航道边界以下，且航向角在预设指标范围以外时，则通过算法5获取所述预测跨越时间T；
通过算法5获取所述预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；
y2r代表实时船位和直线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离；
θ2代表船舶航向与航道边界所在直线的夹角；
a0、a1为航道边界拟合函数的系数；
v表示实时船舶速度。
6.根据权利要求1所述的一种基于差分定位的船舶通航分道判断方法，其特征在于，所述步骤3中结合航道边界形态、平面坐标系下实时船舶定位数据与航道边界的关系和船舶实时运动形态获取预测跨越时间的方法包括：
当航道边界形态为直线，船舶实时运动形态为曲线，且船舶的旋回直径大于船舶距航道边界的最小距离时，通过算法6获取所述预测跨越时间T；
通过算法6获取所述预测跨越时间T的方法为：
其中，
T代表船舶预测跨越时间；
Rav代表船舶艏柱的旋回半径；
α代表船舶从当前位置到跨越航道边界所经过的弧度角；
ua代表船舶艏柱的线速度；
Rav代表船舶艏柱的旋回半径；
θ2代表船舶航向与航道边界所在直线的夹角；
β表示船舶转心处的漂角；
y2r代表实时船位和直线航道边界上距离实时船位最近的位置点之间的距离。
7.一种基于差分定位的船舶通航分道判断***，其特征在于：包括惯性导航模块和伪距差分定位模块，所述惯性导航模块和所述伪距差分定位模块的信号输出端连接MCU的信号输入端，所述MCU通过通讯模块连接岸基平台服务器和报警器，所述MCU被配置为执行计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
8.根据权利要求7所述的一种基于差分定位的船舶通航分道判断***，其特征在于：所述伪距差分定位模块的型号为NEO-M8N。
9.根据权利要求7所述的一种基于差分定位的船舶通航分道判断***，其特征在于：所述惯性导航模块的型号为UM220-INS N。
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