基于ais信息的岸基对海雷达标校方法

基于ais信息的岸基对海雷达标校方法

1基于gps的方法本拉登具有勘探、跟踪和引导大海中的船只的功能。随着工作时间的延长,其系统误差不断累积,会导致测量值误差增大,严重影响其性能发挥。因此,必须定期对雷达系统误差进行标定和校准,这一过程就是雷达标校。目前,国内岸基对海雷达标校主要采用架设标校塔、使用有源雷达标校设备和“船舶+GPS”等方法。前两种方法易受雷达阵地、气候条件等因素影响,存在实施复杂、设备需求高、标校效果不佳等不足。基于GPS技术的“船舶+GPS”标校方法以加装高精度差分GPS的船舶作为配合目标,数据传输设备将配合目标GPS位置实时送至雷达标校设备,利用雷达天线和配合目标的GPS位置信息实时解算出配合目标的距离方位真值,作为标校参考值进行雷达系统误差计算。该方法可靠性好,精度高,得到了广泛使用,但标校时需要专门目标船配合,标校时间长,经费需求大。船舶自动识别系统(AutomaticIdentificationSystem,AIS)作为一种新型辅助导航设备,其岸台设备可接收由船载设备播发的包含本船GPS位置信息的AIS报文,即可获得与“船舶+GPS”雷达标校方法相同的信息。本文将对应用AIS报文信息进行岸基对海雷达标校的实现方法进行讨论。2ais报文校核学AIS是国际海事组织、国际航标协议、国际电信联盟等国际组织近几年共同研究的一种新型的辅助导航设备,由船载设备和岸台设备两部分组成。根据国际海事组织要求,所有航行于国际航线300总吨以上船舶和航行于国内航线500总吨以上的船舶,已于2008年7月1日之前完成了船载AIS设备安装。因此,岸台AIS接收设备可方便获得观测海域内船舶发出的AIS报文。雷达标校包括标定和校准两个阶段,雷达标定是获取雷达系统误差值的过程,其方法为:确定雷达配合目标,由被校雷达测出该目标位置作为测量值,由测量精度为被校雷达5倍以上的标准设备测出目标位置作为真值,将测量值与真值进行统计计算即可获得被校雷达系统误差值。求得系统误差后,对雷达测距零值和测角零值进行修正,完成对雷达的校准。应用AIS信息进行雷达标校原理如图1所示,雷达站安装AIS接收设备、数据录取设备和数据处理设备。AIS接收设备接收海上船舶发出的AIS报文,辅助雷达进行目标识别。数据录取设备分别实时记录AIS报文和雷达对海上船舶探测数据。数据处理设备提取数据录取设备记录数据,将雷达对同一批目标测量数据集合构成一条雷达航迹,同一部船载AIS设备报文中的位置数据集合构成一条AIS航迹,通常一个时间段内数据可获得多条雷达航迹和AIS航迹。对雷达航迹与AIS航迹进行关联运算,若关联成功,则表明两条航迹来自于同一个目标,这时将雷达航迹中雷达对该目标的距离、方位值作为测量值,将根据AIS报文提供的GPS位置信息计算获得的目标距离、方位值作为真值,经统计计算即可获得雷达系统误差。3计算系统误差的过程3.1雷达和ais收入数据的读取在保证统计计算数据量的前提下,选取一段时间内雷达和AIS录取数据,雷达数据按照录取批次,AIS数据按照报文MMSI(海上移动服务识别码)号,将同一目标的数据按时间顺序存放。3.2雷达和ais在不同设备设备比航迹关联流程如图2所示。由于AIS报文中的GPS位置信息采用WGS-84世界大地坐标系,雷达探测信息采用以雷达站为中心的站心极坐标系,其目标位置坐标不同。同时,雷达和AIS的开机时间、采样率不同,不同设备数据录取时间不一致,存在着观测数据的时间差。因此,在进行关联判决前需要进行坐标变换和时间配准,完成了时空统一后再进行航迹关联判决。航迹关联的重点是要保证关联的正确性,即每一对关联成功航迹的数据必须来自于同一个目标,可采用增加关联判决成功比(L/R),选择合适关联门限、人工分析航迹等方法保证关联正确性。3.2.1gps位置坐标系的确定将坐标统一到以雷达为中心的站心极坐标系上,测出雷达天线GPS位置坐标,并利用AIS报文所含船舶GPS位置信息,经计算即可获得船舶相对雷达的站心极坐标,坐标转换方法见文献。3.2.2相邻数据时间t雷达数据率低,通常将雷达数据时间作为公共时间,把AIS数据的时间都统一到公共时间上。假定雷达数据时间为t,AIS相邻数据时间为t1、t2且满足t1<t<t2,那么:如果Z(t1)<Z(t2),则:如果Z(t1)>Z(t2),则:式中,Z(t)、Z(t1)、Z(t2)为AIS数据在相应时间的距离、方位位置信息。这样就得到AIS数据在t时刻的位置信息。3.2.3航迹关联判决采用双门限关联准则,对来自两个局部节点的R个估计差样本,首先逐个基于χ2分布门限进行假设检验,若判为接受,则计数器加1,否则计数器值不变。然后把计数器所计之值与指定的数L进行比较,经过R次检验后,如果计数器的输出大于或等于L,则完成航迹关联判决,否则判定为不关联航迹。具体方程及判决过程如下:对于l=1,2,…,R,选用加权法检验统计量,并逐点计算:如果则当mij(l)≥L时,则宣布局部节点1的航迹i与局部节点2的航迹j关联,否则判为不关联。式(3)中,Xˆ1i(l|l)X^i1(l|l)、Xˆ2j(l|l)X^j2(l|l)和P1ii1(l|l)、P2jj2(l|l)分别为来自局部节点1航迹i和局部节点2航迹j在l时刻的状态估计及估计协方差。3.3测量值与标准值之差通过航迹关联,可获得某一目标对应的雷达和AIS数据。以雷达数据为测量值,AIS数据经过解算获得的距离和方位值作为标准值。设Δi为各次测量值与标准值之差,即真差。平均误差α相当于统计平均,是一组测量结果的系统误差:标准误差σ为各次等精度测量的真差与平均误差之差的均方根值,相当于统计方差的平方根,是一组测量结果的随机误差:式中,i=1,…,n,n为测量次数。4航迹数据分析本文所讨论的应用AIS信息进行岸基对海雷达标校的方法,已利用某实测数据进行了效果验证。与“船舶+GPS”标校方法获得雷达系统误差值对比结果表明:由于不同船舶AIS设备GPS定位精度不同,利用不同航迹数据计算所得雷达系统误差结果存在一定