基于无线电通信技术的海上船舶自主定位方法

设计应用技术ＤＯＩ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０２３．０５．０１６
基于无线电通信技术的海上船舶自主定位方法
刘大勇
（扬州中远海运重工，江苏扬州225200）
摘要：为提高海上船舶自主定位精度，降低或避免外界环境因素对定位精度造成的干扰，引入无线电通信技术，开展对定位方法的设计研究。

利用无线电通信技术，接收海上船舶信息，并完成对信息的时空配准。

基于权重的协方差融合方法，融合海上船舶位置数据。

结合高斯投影和到达时间（Time of Arrival，TOA）算法，实现自主投影定位解算，获得海上船舶的位置测定结果。

对比实验结果证明，新的定位方法定位结果误差更小，定位精度更高。

关键词：无线电通信技术；自主定位；海上船舶
Autonomous Positioning Method of Ships at Sea Based on
Radio Communication Technology
LIU Dayong
(COSCO Shipping Heavy Industry （Yangzhou）Co., Ltd., Yangzhou 225200, China)
Abstract: In order to improve the autonomous positioning accuracy of ships at sea and reduce or even avoid the interference of external environmental factors on positioning accuracy, radio communication technology is introduced to carry out the design and research on positioning methods. Using radio communication technology to receive the information of ships at sea and complete the space-time registration of the information. The covariance fusion method based on weight fuses the position data of ships at sea. Combining Gaussian projection and Time of Arrival(TOA) algorithm, the autonomous projection positioning solution is realized, and the position measurement results of ships at sea are obtained. The results of comparative experiments show that the new positioning method has smaller positioning error and higher positioning accuracy.
Keywords: radio communication technology; autonomous positioning; maritime ship
0 引 言
在世界经济飞速发展的今天，航海作为一项不可替代的事业，在经济发展中发挥着举足轻重的作用，同时，我国的船舶数量和航线也在逐年增长。

随着运输次数的增加、市场的扩大，船舶在港口及某些地势较为复杂的海域经常会出现交通事故，对船员的人身和财产造成极大的损害。

为保证航行安全，降低事故发生率，对船舶的准确定位技术进行了持续的探索[1]。

根据不完全的数据统计，目前海上交通事故的发生率呈逐年增加的趋势，这与船舶之间信息交流不及时、信息的准确获取有密切的联系。

目前，国际上对国际航运信息交流的研究已经成为各国研究的热点。

在复杂的海上环境中，仅靠一个导航系统是不行的，最常用的方法就是将船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）和雷达的信息融合，将2者的特性结合在一起，形成优势互补[2]。

雷达可以根据舰船的方位信息自动监控，但对环境的要求很高，容易受到天气、干扰等因素的干扰，移动中船只的跟踪丢失率很高，有可能发生碰撞。

AIS可以为其他船只提供基本的静态信息（船长、船名、类型、目的港等）和动态信息（速度、航向等），但AIS不能像雷达那样自动追踪，并且不能像雷达那样依靠反射来显示目标的尺寸。

针对目前现有定位技术在应用到海上船舶定位中存在的问题，引入无线电通信技术，开展对海上船舶自主定位方法的设计研究。

1 基于无线电通信技术的海上船舶信息接收与处理 
在对海上船舶进行定位时，需要获取船舶航行的具体信息和周围环境中各个影响船舶定位因素的相关信息。

为确保后续定位精度，引入无线电通信技术，对海上船舶信息进行接收。

无线电通信的原理是通过无线电波传播信号，根据无线电波的变化情况，通过一定转换得到所需的信息[3]。

将其应用到对海上船舶信息的接收中，利用站点安装的无线电接收装置，获取从定位船舶上安装的信号发送装置产生的无线电波。

利用RadarPro完成对数据的处理，并将处理后的数据进行提取输出[4]。

RadarCtrl负责数据的接收和传输，对海上船舶无线电发送装置发出的数据进行接收和过滤，并将融合后的数据传送到中央处理
收稿日期：2023-01-17
作者简介：刘大勇（1986—），男，吉林长春人，本科，工程师，主要从事船舶建造管理工作。

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中心。

Collector 对相关的轨迹进行分类，并将相关性高的目标进行融合，并将其发送到 GeoViewer 中进行最终的展示。

为确保接收到的船舶信息具备较高的精度，在对无线电接收装置进行选择时，需要将其接收灵敏度作为选择的依据。

针对接收装置的灵敏度，计算公式为
χ=η-2e +r 1-x +r 2
（1）
式中：χ为无线电接收装置的接收灵敏度；η为无线电输出功率；e 为传输损耗；r 1为发射天线增益；r 2为接收天线增益；x 为电缆损耗。

根据式（1）计算接收装置的接收灵敏度，并采集灵敏度符合要求的装置获取到的海上船舶信息。

针对接收到的海上传播信息的处理，主要是实现对信息数据的时空配准，以此实现目标参数的统一。

以海上船舶信息中的位置坐标为例，在进行时空配准时可以表示为 X =ρcos θ （2） Y =ρsin θ （3）
Z =0
（4）
式中：X 为配准处理后的船舶位置横坐标；Y 为配准后的传播位置纵坐标；Z 为配准处理后传播位置垂直坐标，由于船舶只能在海平面以上航行，高度一定，可以视为0；ρ、θ均表示极坐标下的坐标值。

按照上述逻辑，完成对所有海上船舶信息的处理。

2 海上船舶位置数据融合
在此基础上，提出了一种基于权重的协方差融合方法，利用该方法实现对海上船舶位置数据的融合。

假设无线电通信装置探测的目标在某一时刻的参数信息期望值为z ，则经过处理后得到的观测值为R z 。

在融合后得到的数据信息需要由R z 和融合规则中的系数R A 共同决定，融合后的观测值为
H =w r 1R z +w r 2R A
（5）
式中：H 为融合后的观测值；w r 1和w r 2为加权因子。

根据最小均方误差，计算得出融合后目标轨迹在某一时刻的4种属性方差。

在融合的过程中，还需要采用卡尔曼滤波器，用以减小融合后的数据误差。

卡尔曼滤波器是一种可用于不稳定的随机信号的递归过程，它可以被广泛地用于对雷达进行航速、航向等定位信息的测量，并对其进行处理，从而消除目标参数中的噪声，从而获得与实际情况更加相近的估计。

假设获取到的无线电数据为连续时间获取，将融合状态方程离散化得到离散动态模型。

卡尔曼滤波器当中包含预测和更新，通过
预测和更新得到的数据为误差在合理范围内的海上船舶位置数据融合结果。

3 自主投影定位解算
将融合后的数据汇总，并按照投影解算规则确定船舶的具体位置信息，实现定位。

利用基站与无线电接收装置之间的集合关系，完成定位解算，这一过程可采用到达时间（Time of Arrival ，TOA ）算法实现。

高斯投影是假设一根柱子围绕着一个球体，柱子的内壁与一条直线相交，这条直线叫做子午线。

在圆柱形的中轴上，球面的东西2侧，以等角的方式投射在柱面上，然后用“过极点”的母线把圆柱体展开，形成一个高斯图[5]。

高斯投影在中心子午线上是凹陷的，在赤道上的投射为一条横贯中央子午线的直线，而在其他的坐标上则是一条以赤道为轴的对称曲线，并朝着赤道方向凸出即经纬线彼此仍是垂直的，在相同的方位上。

距离中央子午线经差计算公式为
l =L -L 0
（6）
式中：l 为距离中央子午线经差；L 为中央子午线精 度；L 0为原点经度。

导出高斯投影的中心经线。

高斯投影按照频段的不同，可以分成6级和3级，根据不同的级别，分别计算出各自的区域和区域中心经线。

最终投影解算结果为海上船舶的具体位置测定结果。

为实现对海上船舶的自主定位，将上述设计的内容通过计算机完成程序的编写，并将其导入到海上船舶控制中心，通过程序的运算将上述定位流程自动化，达到自主定位的目的。

4 对比实验
在根据上述内容完成对海上船舶自主定位方法的理论设计后，为验证该方法的应用效果，选择将该定位方法作为实验组，将基于雷达的定位方法作为对照A 组，将基于AIS 的定位方法作为对照B 组。

图1为所选择的某海上实验区域示意图。

从图1可以看出，该海上实验区域中包含了岛屿、礁石区、河口等海上结构，构成了一个较为复杂的海上船舶行进环境。

针对该实验区域内的5艘船只分别编号为CB-#01、CB-#02、CB-#03、CB-#04以及CB-#05，针对每一艘船只对其进行海上自主定位。

通过3种定位方法定位每艘船只在航海过程中各个时段的位置，并将定位结果与船只实际计划航线对应时段的位置坐标进行对比，并通过下述公式计算得出定位误差，即
σ=（7）式中：σ为定位误差；x为船舶实际位置横轴坐标；y 为船舶实际位置纵轴坐标；x'为定位方法测定船舶横轴坐标；y'为定位方法测定船舶纵轴坐标。

通过上述计算公式完成对3种定位方法定位误差的测定，对比其定位精度。

定位误差越小，则对应方法的定位精度越高；反之，定位误差越大，则对应方法的定位精度越低。

根据上述论述，记录定位误差，得到如表1所示的实验结果。

对表1中的数据进行分析，实验组定位方法在对5艘船只的位置进行测定时，得到的定位结果误差在0.10～0.15 m，对照A组定位方法定位结果误差在2.20～2.85 m，对照B组定位方法定位结果误差在4.10～4.40 m。

对比3种定位方法定位结果误差，按照从小到大的顺序进行排列为实验组<对照A组<对照B组。

由上述分析可进一步得出，3种定位方法的定位精度从高到低依次为实验组>对照A组>对照B组。

根据得到的实验结果，本文设计的基于无线电通信技术的定位方法在实际应用中可以实现对船舶更高精度的定位，为海上交通安全运行提供有利的支撑条件。

表1 3种定位方法实验结果对比表单位：m
编号
实验组定位误差对照A组定位误差对照B组定位误差
第1时段第2时段第1时段第2时段第1时段第2时段
CB-#010.110.112.362.424.264.13 CB-#020.120.102.452.254.364.28 CB-#030.110.122.582.314.254.22 CB-#040.130.142.312.244.214.13 CB-#050.100.122.352.814.124.36
5 结 论
针对现有海上船舶定位方法在实际应用中存在的不足问题进行探究，并结合无线电通信技术提出了一种新的海上船舶自主定位方法。

在实际应用新的定位方法时，所选用的传感器自身可能会受到外界环境因素的影响，造成一定误差，进而可能会影响到定位结果精度。

针对这一问题，为确保定位方法在实际应用中不会受到外部干扰，进一步提升定位精度，应当根据实际情况和定位所需选择适合的传感器型号，以此促进自主定位方法的自适应性提升。

参考文献：
[1] 曾 霞，廖干洲，黎鋆洪. 基于图像分割的故
障船舶定位技术研究[J].舰船科学技术，2021，43（14）：214-216.
[2] 吴 敌，钟俊阳. 海事重点监管船舶定位系统
黄浦江水域应用研究[J].中国海事，2021（3）：41-44.
[3] 吴佐政.浅谈北斗导航技术在船舶定位中的应
用[J].珠江水运，2021（1）：90-91.
[4] 秦 尧，胡 楠，李勇跃，等. 海底管道巡检
船定位能力分析[J].船舶设计通讯，2020（增 刊1）：29-34.
[5] 白燕青，吕晓芳. 双桨船舶定位数据存储技术
研究[J].舰船科学技术，2020，42（4）：178-
180.
图1 某海上实验区域示意
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