AIS与导航雷达信息融合仿真平台设计与应用

论文摘要

随着海上交通日益繁忙,海上交通事故频繁发生,船舶安全导航已经成为急需解决的问题。船舶通常使用AIS和雷达实时获取海上交通信息来实现导航。在船舶安全导航实现的过程中,对AIS和雷达获取信息的处理无疑是一项关键技术。AIS具有在船舶之间进行船舶信息交换与识别的功能,雷达具有自主的对船舶周围环境进行全面探测的功能,两种传感器的功能不能相互替代。因此,将获取的AIS与雷达信息进行融合处理,以实现AIS与雷达的优势互补,从而保证船舶航行的安全,是船舶航行安全技术的发展方向。本课题以船舶安全导航技术研究为背景,对AIS与雷达信息融合问题进行研究,以解决工程中的实际问题。论文的主要工作如下：首先，介绍了AIS与雷达传感器的工作原理,阐述了AIS与雷达传感器的特点及两者在航海中的应用。分析了信息融合的基本原理、方法和结构模型,在此基础上结合AIS与雷达两个传感器特点,选择分布式结构作为信息融合的结构模型。其次,分析了AIS与雷达信息融合的基本步骤,包括：坐标变换、时间配准、航迹相关、信息融合。根据以上基本步骤,重点对每一步应该采取的方法进行深入研究,并给出具体的解决方法。具体方法为：坐标变换采用高斯-克吕格投影与极坐标变换,将观测到的AIS与雷达数据信息转换到统一的坐标系下；时间配准采用分段线性插值方法,将传感器观测到的不同步的观测信息同步到同一时刻；航迹相关采用模糊关联的方法,通过分析模糊双门限航迹关联方法,并对该方法进行改进,从而加速了航迹相关的判定：在信息融合环节,针对传感器精度未知情况,采用最大似然函数估计方法估计方差,推算精度,并导出了一种确定传感器权值分配方法。然后,采用Matlab对AIS与雷达传感器信息进行建模仿真,并利用最小二乘法将融合后的航迹数据进行拟合,得到一条能够更好逼近真实航线的航迹,由融合结果可知,该融合方法具有较好的稳定性。最后,以电子海图显示与信息系统（ECDIS）为基础,设计了一个AIS与雷达的信息融合平台,并将分析得到的信息融合方法应用于平台中,该平台可以更好的为船舶航行提供安全导航服务。本文提出的信息融合方法简便、高效,具有很强的实用价值,可适用于多传感器的信息融合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、目的和意义
• 1.1.1 课题的背景
• 1.1.2 课题的目的和意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 国外状况
• 1.2.2 国内状况
• 1.3 论文章节安排
• 第2章 AIS和雷达概述
• 2.1 AIS概述
• 2.1.1 AIS的基本原理
• 2.1.2 AIS航海应用
• 2.2 雷达概述
• 2.2.1 雷达基本原理
• 2.2.2 雷达测量
• 2.2.3 雷达航海应用
• 2.3 本章小结
• 第3章 AIS与雷达信息融合预处理
• 3.1 信息融合结构模型选择
• 3.1.1 信息融合的基本原理
• 3.1.2 结构模型选择
• 3.2 坐标变换
• 3.2.1 高斯-克吕格投影
• 3.2.2 投影变换
• 3.2.3 投影误差分析
• 3.2.4 雷达目标数据位置的坐标变换
• 3.2.5 AIS与雷达目标位置误差分析
• 3.3 AIS和雷达时间配准
• 3.3.1 时间配准概念
• 3.3.2 时间配准频率
• 3.3.3 时间配准算法
• 3.4 小章小结
• 第4章 AIS与雷达信息融合方法研究与应用
• 4.1 航迹相关算法研究
• 4.1.1 航迹相关概述
• 4.1.2 航迹相关算法
• 4.2 权值分配融合算法研究
• 4.2.1 权值分配算法推导
• 4.2.2 传感器方差估计
• 4.2.3 AIS与雷达融合算法权值分配
• 4.3 建模仿真
• 4.3.1 融合模型流程
• 4.3.2 实例融合仿真
• 4.3.3 实例拟合
• 4.3.4 信息融合评估
• 4.4 本章小结
• 第5章 AIS和雷达信息融合仿真平台的设计与实现
• 5.1 仿真平台的分析
• 5.1.1 平台的设计思想
• 5.1.2 应用需求分析
• 5.2 仿真平台的设计
• 5.2.1 平台的基本构成
• 5.2.2 平台的功能设计
• 5.2.3 平台的融合模块功能设计
• 5.2.4 平台的基本配置要求
• 5.3 仿真平台界面的设计
• 5.3.1 界面设计原则
• 5.3.2 界面设计方案
• 5.4 仿真平台的功能模块实现
• 5.4.1 平台模块模拟输入实现
• 5.4.2 平台模块实现
• 5.4.3 结果评价
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢