海上目标雷达与AIS航迹时空匹配方法组成比例

本发明专利技术涉及海上目标雷达与AIS航迹时空匹配方法，属于海上目标雷达与AIS航迹时空匹配方法技术领域。本发明专利技术利用航向变化率，结合使用内插外推法和航速航向法，进行雷达航迹与AIS航迹进行时空匹配，其中，航速航向法是分别根据t

【技术实现步骤摘要】
海上目标雷达与AIS航迹时空匹配方法


[0001]本专利技术涉及海上目标雷达与AIS航迹时空匹配方法，属于海上目标雷达与AIS航迹时空匹配方法


技术介绍

[0002]海上船舶的轨迹数据主要有AIS和雷达两种数据类型，二者收集到的航速、航向、距离和方位等船舶航迹数据既独立又相互关联。为确保海上交通管理和安全监控的准确性和可靠性，需结合二者数据进行精准分析。
[0003]AIS(Automatic Identification System)是船舶自动识别系统，通过VHF无线电信道传输实现海上船舶的自动识别、跟踪和信息交换，其核心是通过VHF数字通信将船舶的GPS位置、航速、航向等信息广播给周围的其他船舶和岸基监控站，从而实现海上船舶的自动识别和监视。AIS信息更新率通常在每数秒一次，容易受到天气、交通、设备状态等多种因素的影响。
[0004]雷达的信息更新率通常比AIS快得多，作为船舶监控和导航的重要数据源之一，其信息更新率通常可以达到每秒钟数百次到数千次的级别。雷达利用无线电波通过空气传输的方式进行测距和测速，所以在接收到反射回来的信号后，可以快速计算出目标物体的距离、速度、方向等信息，并在短时间内进行更新。
[0005]因此，在同一时间内，AIS数据和雷达数据获取到的目标信息可能存在差异，甚至在该时刻没有AIS数据。此外，在空间上AIS和雷达的覆盖范围不同，两种传感器获取到的目标数据也可能存在差异。所以将目标AIS数据作为真值数据使用时，与雷达数据存在严重的数据时空不匹配。
>[0006]目前,解决时空不匹配的方法可以分为空间对齐和时间对齐，二者是独立的步骤，先后顺序不会影响最终匹配结果。空间对齐的解决方案是将数据统一到同一坐标系下；时间对齐通常包括时间阈值匹配和AIS对准雷达时间戳插值匹配。时间阈值匹配简单直接，易于实现，但雷达与AIS采样频率相差过大，采用时间阈值匹配会造成雷达量测数据的浪费。而传统对AIS插值匹配雷达数据的方法为方便后续数据融合，在精度上要求不高，通常以雷达时间为基准，对AIS数据进行单一的空间相关性插值。这种方法仅仅考虑了雷达时间断面上独立特征的AIS数据，忽视了数据间存在的变化约束，只适用于数据之间时空相对稳定的情况，当物体运动轨迹不同点之间距离和方向存在较大变化时，空间相关性可能会受到一定的影响。
[0007]若想要得到精度更高的数据集，就需要综合考虑船舶的运动状态特征数据间的关联性,目前暂未有相关报道。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的不足之处，提供一种海上目标雷达与AIS航迹时空匹配方法，该方法首先归纳分析雷达与AIS数据时空匹配过程，通过对传统时
间匹配的研究分析提出航速航向的时间匹配插值方法，仿真验证该方法可以大大减小机动较大情况下的匹配误差，最后根据船舶运动特点结合航速航向和内插外推两种方法进行时间匹配，本专利技术在考虑到匹配效率的同时可以大大减小匹配误差。
[0009]本专利技术的海上目标雷达与AIS航迹时空匹配方法，其特殊之处在于利用航向变化率，结合使用内插外推法和航速航向法，进行雷达航迹与AIS航迹进行时空匹配，其中，航速航向法是分别根据t
i
‑1和t
i+1
时刻的状态观值预测t
i
时刻的AIS数据，得到t
i
时刻的两个预测结果，根据插值点距离t
i
‑1与t
i+1
时刻的时间差，对两个预测结果进行加权平均，如果插值点(x1,y1)前后坐标A(x1,y1)、B(x2,y2)对应的时间为t1和t2，对t
i
时刻进行插值，具体步骤如下：
[0010]步骤1：针对雷达时刻没有AIS数据的插值点，根据插值点前后点坐标A(x1,y1)、B(x2,y2)，分别以A、B两点为基准得到预测坐标(x
i1
,y
i1
)和(x
i2
,y
i2
)；
[0011][0012]步骤2：工控计算机根据插值点距离t1与t2时刻的时间差，求A、B两端的权重Q1、Q2：
[0013][0014]步骤3：在工控计算机中求解最终插值点坐标：
[0015][0016]本专利技术针对AIS与雷达数据之间存在的时空不匹配现象，提出在空间对准之后结合航迹运动特点对AIS数据进行插值的方法，解决AIS和雷达数据之间时空不匹配问题的同时最大程度减小插值误差。该方法综合考虑船舶航速和航向对雷达时刻没有AIS数据的时间点进行插值，根据两端点的航迹信息计算预测坐标和权重得到插值航迹。实验结果表明，在综合考虑匹配精度和计算效率的情况下，该方法所得的插值航迹更加贴近于真实轨迹，为AIS与雷达时间匹配中的AIS航迹插值处理过程提供一种可靠的方法。
附图说明
[0017]图1为本专利技术采用结合航速航向的匹配插值方法进行时间匹配的流程图；
[0018]图2为本专利技术航速航向法的流程图；
[0019]图3为均速直线运动插值匹配图；
[0020]图4为均速直线运动匹配误差图；
[0021]图5为均速曲线运动插值匹配图；
[0022]图6为均速曲线运动匹配误差图；
[0023]图7为加速曲线运动插值匹配图；
[0024]图8为加速曲线运动匹配误差图；
[0025]图9为模拟轨迹插值匹配图；
[0026]图10为模拟轨迹匹配误差图；
[0027]图11为模拟轨迹插值匹配图；
[0028]图12为极径
‑
方位角坐标系；
[0029]图13为三次样条插值图。
具体实施方式
[0030]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0031]实施例1
[0032]本实施例的雷达采用以自身为中心的极坐标系，也称为极径
‑
方位角坐标系(图12)，目标的位置可以表示为相对于雷达的距离和方位角，用极坐标(R,θ)表示，将其转换为直角坐标系中的X和Y坐标可以使用极坐标转换公式
[0033][0034]其中，R是目标与雷达之间的距离，θ是目标相对于雷达的方位角。
[0035]AIS坐标转换
[0036]将AIS坐标转换到直角坐标系下主要有两种方法，分别为高斯
‑
克吕格投影
[4]和墨卡托投影
[7]。高斯
‑
克吕格投影是一种正轴等积圆柱投影，在地球椭球体上沿着某个子午线作为投影中心，将地球表面投射到一个圆柱面上，再将圆柱面展开成平面。投影计算简单、适用范围广，但是在大范围地图制图时会产生较大的形变，尤其是在高纬度区域本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.海上目标雷达与AIS航迹时空匹配方法，其特征在于利用航向变化率，结合使用内插外推法和航速航向法，进行雷达航迹与AIS航迹进行时空匹配，其中，航速航向法是分别根据t
i
‑1和t
i+1
时刻的状态观值预测t
i
时刻的AIS数据，得到t
i
时刻的两个预测结果，根据插值点距离t
i
‑1与t
i+1
时刻的时间差，对两个预测结果进行加权平均，如果插值点(x1，y1)前后坐标A(x1，y1)、B(x2，y2)对应的时间为t1和t2，对t
i
时刻进行插值，具体步骤如下：步骤1：针对雷达时刻没有AIS数据的插值点，根据插值点前后点坐标A(x1，y1)、B(x2，y2)，分别以A、B两点为基准得到预测坐标(x
i1
，y
i1
)和(x
i2
，y
i2
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宁波，王国庆，丁昊，黄勇，于恒力，曹政，柳超，董云龙，关键，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空大学，
类型：发明
国别省市：