AIS自主定位系统传播路径误差及修正技术研究

摘要

为保障沿海航行安全，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）已明确建议船舶应配备天基和陆基双备份的定位导航系统。船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）是IMO的人命安全公约(International Convention for Safety of Life at Sea，SOLAS)强制船舶装备的导航系统，其位置信息依赖于内嵌的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)芯片。一旦GNSS信号失效，将会导致AIS瘫痪，严重威胁船舶安全。因此，在国际航标协会（The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities，IALA）的世界无线电导航计划中，已呼吁各成员国积极研究基于AIS岸站的陆基定位系统，即所谓的AIS自主定位系统。
　　决定陆基定位系统定位精度的定位误差主要来源于三个方面，包括参考台发射系统部分、信号传播路径部分和接收系统部分。本文主要研究传播路径引起的定位误差对定位精度的影响。定位系统的定位信息产生于信道，信道传播媒质对信号传播相速的影响是引起传播路径误差的主要因素，而陆基定位系统的传播路径比较复杂，因此对传播路径误差的研究具有极大的挑战性。定位信息的测量所依据的几何参量主要是TOA（Time of Arrival,TOA）和TDOA(Time Difference of Arrival，TDOA)。由于AIS的本质是通信系统，因此对于AIS信号的这些定位几何参量测量的研究，目前尚未有可参考的成果，也未发现对这些定位几何参量测量误差研究的成果。为了使基于AIS岸站的陆基定位系统能够成为世界认可的陆基无线电定位导航系统，应首先突破解决传播媒质对AIS信号传播相速的影响，从而影响定位测量精度这一技术难点。本文在深入研究AIS信号传播特性的基础上，解析各径信号的传播特性，给出AIS信号附加二次相位因子(Additional Secondary Phase Factor，ASF)修正的两种解决方案。解决方案之一是模型修正，即研究ASF预测算法，推导出ASF预测模型，并通过实测进行验证。解决方案之二是ASF实时修正技术，设计并研制ASF实时修正系统，并将该系统在基于AIS岸站的自主定位系统中进行实际验证。因此，本研究内容主要有以下几个方面:
　　首先，针对AIS信号在海面传播相速受传播媒质影响的问题，根据接收端接收到的多径信号组成，分析影响各径信号的因素，对传播距离、海水温度、盐度、风速和浪高等环境条件下的AIS多径信号相位和损耗进行分析和评估。在此基础上，给出不同因素条件下AIS多径信号海面传播特性的定量算法，为AIS定位接收机的多径信号抑制设计提供理论依据，并为后续的AIS信号的ASF预测算法奠定基础。
　　其次，针对传播媒质对AIS信号传播相速的影响从而产生TOA测量误差的问题，推导在光滑海面条件下AIS信号的ASF预测算法。利用AIS信号海面传播特性，分析各径信号的接收相位组成，并通过对接收信号相位分解重构，得到AIS信号的ASF预测算法，可用于定位误差的模型修正。
　　之后，针对极端天气条件严重影响AIS信号定位精度的问题，提出粗糙海面条件下AIS信号的ASF预测理论模型。对各径信号的接收相位进行理论推导与数值计算，在此基础上，给出AIS信号在粗糙海面传播时的ASF理论模型与实验分析结果。该模型定量研究了由环境因素引起的ASF误差特性，可以为恶劣海况条件下AIS高精度定位提供修正参量。
　　最后，深入研究ASF实时修正技术，给出了实时修正系统设计方案，并研制了实时修正系统。利用该实时修正系统监测的传播延时误差对本文推导的ASF预测模型进行验证。同时，在基于AIS岸站的AIS自主定位系统中，实际搭建了ASF实时修正平台。该平台能够实时监测不同环境下收发设备之间的传播延时误差并播发ASF修正量，对定位接收机的原始测量值进行实时修正，提高了AIS信号覆盖海域的自主定位精度。
　　综上所述，本文提出的关于AIS自主定位系统传播路径误差与修正技术研究，其研究成果对于提高AIS自主定位系统的定位精度具有重要的理论意义和实用价值，对国际上该系统的发展做出了一定的贡献。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景及意义

1．1．1 eLoran系统

1．1．2 AIS自主定位系统

1．1．3陆基定位系统国内外研究现状小结

1．2 VHF信号海面传播特性

1．3 ASF预测模型研究

1．4 ASF实时修正技术

1．5本文主要研究内容及章节安排

第2章VHF信号海面传播特性研究

2．1引言

2．2光滑海面AIS多径信号相位

2．2．1光滑海面AIS反射信号相位推导

2．2．2光滑海面AIS表面波信号相位推导

2．3光滑海面AIS多径信号损耗评估

2．3．1光滑海面AIS反射信号损耗

2．3．2光滑海面AIS表面波信号损耗

2．3．3光滑海面AIS信号传输损耗评估

2．4粗糙海面AIS多径信号相位

2．4．1粗糙海面AIS反射信号相位推导

2．4．2粗糙海面AIS绕射信号相位推导

2．5粗糙海面AIS多径信号损耗评估

2．5．1粗糙海面AIS反射信号损耗评估

2．5．2粗糙海面AIS绕射信号损耗评估

2．5．3粗糙海面AIS信号传输损耗评估

2．6本章小结

第3章AIS信号的ASF预测模型研究

3．1引言

3．2光滑海面AIS信号的ASF预测算法与实验研究

3．2．1光滑海面AIS接收信号相位

3．2．2光滑海面ASF预测算法

3．2．3实验与分析

3．3粗糙海面AIS信号的ASF预测算法与实验研究

3．3．1粗糙海面AIS接收信号相位

3．3．2粗糙海面ASF预测算法

3．3．3实验与分析

3．4本章小结

第4章AIS信号的ASF实时修正技术研究

4．1 AIS信号的ASF实时修正系统

4．1．1 ASF实时修正系统总体设计

4．1．2发射系统设计

4．1．3接收系统设计

4．2 ASF实测研究

4．2．1 ASF实测数据与预测模型比较

4．2．2 ASF实测数据分析

4．3定位试验

4．4本章小结

第5章结论与展望

5．1主要结论

5．2未来展望

参考文献

附录

攻读学位期间发表的论文

攻读学位期间参与的科研课题和项目

致谢

作者简介