移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)在多船舶通信目標(biāo)定位中的應(yīng)用

賈雪松

(沈陽城市建設(shè)學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110167)

0 引 言

大型船舶改變既定航向需要一定的時(shí)間，為避免航道上船舶出現(xiàn)碰撞情況，對(duì)多船舶通信目標(biāo)進(jìn)行定位是重點(diǎn)關(guān)注的問題。目前有很多學(xué)者研究多船舶通信目標(biāo)定位方法，簡(jiǎn)杰等[1]提出AUV 協(xié)同定位方法，該方法利用閾值加權(quán)方法對(duì)船舶目標(biāo)位置觀測(cè)值進(jìn)行粗差改善，再進(jìn)行局部濾波處理后，生成位移AUV 定位信息，實(shí)現(xiàn)多船舶通信目標(biāo)定位。但該方法在處理多組船舶目標(biāo)位置觀測(cè)值時(shí)，受信號(hào)通信時(shí)延影響，其處理信號(hào)結(jié)果不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致其最終對(duì)船舶定位效果不佳。李宗凌等[2]提出SAR 圖像船舶目標(biāo)定位方法，該方法通過采集船舶SAR 圖像，利用圖像處理方式得到船舶目標(biāo)位置，但該方法采集的船舶SAR 圖像清晰度不足，導(dǎo)致其定位船舶目標(biāo)位置存在較大的偏差。移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)是將移動(dòng)通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，是網(wǎng)絡(luò)通信傳輸和移動(dòng)應(yīng)用實(shí)踐活動(dòng)的總稱。船舶在水域上航行時(shí)，其與地面站或其他船舶聯(lián)系均應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，因此本文研究移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)在多船舶通信目標(biāo)定位中的應(yīng)用方法，為防止船舶碰撞、避障提供技術(shù)支持。

1 移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的多船舶通信目標(biāo)定位方法

1.1 基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的相鄰船舶通信節(jié)點(diǎn)距離計(jì)算

在船舶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，令L×L表示該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個(gè)區(qū)域，L表示區(qū)域邊長(zhǎng)，在該區(qū)域內(nèi)存在N個(gè)船舶通信目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的通信半徑由r表示。在定位船舶通信目標(biāo)時(shí)，其通信節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)受到繞射、障礙物阻擋等因素影響，船舶通信節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳播具備各向異性[3]，在此使用對(duì)數(shù)正態(tài)傳播模型計(jì)算船舶通信節(jié)點(diǎn)信號(hào)功率。d0，d表示船舶通信發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的參考距離和實(shí)際距離，表示實(shí)際距離為d時(shí)，船舶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點(diǎn)的信號(hào)功率，其計(jì)算公式如下：

式中：n為信號(hào)傳輸路徑損耗因數(shù)；Pt為發(fā)射信號(hào)功率；Ω(d0)為無線電自由空間傳輸模型；Nσ為高斯隨機(jī)噪聲。

Gt為船舶移動(dòng)互聯(lián)發(fā)射節(jié)點(diǎn)的天線增益，Gr為接收天線增益，則無線電自由空間傳輸模型表達(dá)公式如下：

式中：λ為移動(dòng)互聯(lián)無線電信號(hào)波長(zhǎng)；η為信號(hào)接收端損耗系數(shù)。

在船舶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)[4]，令zi，zj表示區(qū)域L×L內(nèi)任意2 個(gè)節(jié)點(diǎn)，該2 個(gè)節(jié)點(diǎn)距離為d時(shí)，令

則船舶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)和的接收信號(hào)強(qiáng)度可利用對(duì)數(shù)正態(tài)傳輸模型表達(dá)，其公式如下：

對(duì)式(4)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，其變更如下：

其中：

將式(6) 代入式(5)，則10nlgd計(jì)算結(jié)果為：

由于多船舶通信節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)區(qū)域內(nèi)為均勻隨機(jī)分布狀態(tài)，且每個(gè)多船舶通信節(jié)點(diǎn)的通信半徑均相同，其作用范圍為規(guī)則的圓[75]，依據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)距離之間的近似關(guān)系，則最小接收信號(hào)強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)最大節(jié)點(diǎn)距離之間的關(guān)系如下：

式中：Pmin、dmax分別為最小接收信號(hào)強(qiáng)度和最大節(jié)點(diǎn)距離。

信號(hào)傳輸路徑損耗因數(shù)n計(jì)算公式如下：

將式(8)、式(9)代入到式(7)，則多艦船通信節(jié)點(diǎn)距離的估算值表達(dá)公式如下：

利用式(10)即可得到船舶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)所有多船舶通信節(jié)點(diǎn)的距離。

1.2 相鄰船舶通信節(jié)點(diǎn)距離誤差補(bǔ)償

由于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信信號(hào)內(nèi)存在干擾噪聲以及信號(hào)傳輸?shù)乃p性，導(dǎo)致計(jì)算相鄰船舶通信節(jié)點(diǎn)距離存在一定誤差[6]，為提升多船舶通信目標(biāo)定位精度，需對(duì)相鄰船舶通信節(jié)點(diǎn)距離誤差進(jìn)行補(bǔ)償處理，其詳細(xì)過程如下：d表示2 個(gè)多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離，該距離與距離誤差之間關(guān)系表達(dá)公式如下：

式中：?(d)為距離誤差，ε；ζ分別為一次誤差系數(shù)和常誤差系數(shù)。

Z(ε,ζ)為誤差系數(shù)函數(shù)，其表達(dá)公式如下：

式中：di為實(shí)際測(cè)量值；?(di)為實(shí)際測(cè)量值與距離估計(jì)值的差值。

對(duì)式(12)結(jié)果內(nèi)的誤差系數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，其表達(dá)公式如下：

再利用二元一次方程對(duì)式(13)進(jìn)行求解，得到一次誤差系數(shù)和常誤差系數(shù)數(shù)值，公式如下：

以式(14)結(jié)果為基礎(chǔ)，相鄰船舶通信節(jié)點(diǎn)距離誤差補(bǔ)償后的修正值公式如下：

1.3 基于單移動(dòng)信標(biāo)的多船舶通信目標(biāo)定位方法

多船舶在航行時(shí)，其位于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，多船舶在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)信標(biāo)會(huì)隨著船舶的航行向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不斷發(fā)送位置信息包，該位置信息包內(nèi)包括信標(biāo)位置和當(dāng)前時(shí)間，此時(shí)未知的多船舶通信目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可依據(jù)概率推算其位于某個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周圍，從而實(shí)現(xiàn)多船舶通信目標(biāo)的定位。以補(bǔ)償后的相鄰船舶通信節(jié)點(diǎn)距離為基礎(chǔ)，xi，yi為補(bǔ)償后相鄰船舶通信節(jié)點(diǎn)i距離坐標(biāo)，Ui為多船舶通信節(jié)點(diǎn)位置約束方程，即

為保障多船舶通信目標(biāo)定位更加準(zhǔn)確，設(shè)置其連通性通信節(jié)點(diǎn)位置約束方程更新公式如下：

式中：k表示區(qū)域內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)，表示該節(jié)點(diǎn)的區(qū)域邊界。

當(dāng)一個(gè)船舶通信目標(biāo)節(jié)點(diǎn)被檢測(cè)到，則其連通性通信節(jié)點(diǎn)位置約束方程更新公式如下：

式中：xa，ya為信標(biāo)的坐標(biāo)，s為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信半徑。

當(dāng)一個(gè)船舶通信目標(biāo)節(jié)點(diǎn)沒有被檢測(cè)到，則其連通性通信節(jié)點(diǎn)位置約束方程更新公式如下：

式中，Uneg為船舶通信目標(biāo)通信半徑同心圓區(qū)域，其表達(dá)公式如下：

式中，Qneg為 同心圓內(nèi)接正方形邊長(zhǎng)。

依據(jù)上述過程更新多船舶通信目標(biāo)通信節(jié)點(diǎn)區(qū)域后，利用下式得到多船舶通信目標(biāo)未知點(diǎn)的自身位置，表達(dá)公式如下：

式中：O(x,y)為多船舶通信目標(biāo)未知點(diǎn)的自身位置，x,y∈Ui；PDFRS S I(·)為未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)距離似然概率函數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以某港口出入港航線作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用本文方法對(duì)出入港航線內(nèi)多船舶通信目標(biāo)進(jìn)行定位，其中多船舶均加入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，多船舶的信標(biāo)信息發(fā)送間隔為0.1～1.0 s，其通信半徑區(qū)間為10～30 m，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度10～50 s。

多艦船通信節(jié)點(diǎn)距離估算是多艦船通信目標(biāo)定位的基礎(chǔ)，在移動(dòng)互聯(lián)區(qū)域內(nèi)選擇10 個(gè)多艦船通信目標(biāo)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用本文方法估算多艦船通信節(jié)點(diǎn)距離。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加充分，同時(shí)使用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法展開實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。分析表1 可知，同時(shí)應(yīng)用本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離估算時(shí)，本文方法估算的結(jié)果與多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離實(shí)際數(shù)值最為接近，其與多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離實(shí)際數(shù)值偏差位于0.29～0.96 m 之間，而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法估算的多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離實(shí)際數(shù)值偏差分別位于0.59～1.55 m 和0.46～1.83 m之間。上述結(jié)果說明：本文方法估算多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離與其設(shè)計(jì)距離最為接近，可有效估計(jì)多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離。

表1 多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離估算結(jié)果(m)Tab. 1 Distance estimation results of multiple ships communication nodes (m)

驗(yàn)證本文方法對(duì)多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離估算值誤差補(bǔ)償效果，以表1 內(nèi)10 個(gè)多船舶通信節(jié)點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使用本文方法對(duì)其距離估算值誤差進(jìn)行補(bǔ)償處理，并設(shè)置補(bǔ)償后誤差值不得高于0.5 m，測(cè)試結(jié)果如表2 所示?？芍瑧?yīng)用本文方法對(duì)估算的多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離進(jìn)行補(bǔ)償后，其估算多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離偏差最小為0.14 m，最大僅為0.33 m，該數(shù)值較所設(shè)的閾值低，說明本文方法可有效對(duì)多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離與其實(shí)際距離極為接近。

表2 多船舶通信節(jié)點(diǎn)估算距離誤差修正結(jié)果(m)Tab. 2 Correction results for distance error estimation of multiple ships communication nodes (m)

驗(yàn)證本文方法對(duì)多船舶通信目標(biāo)的定位效果，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具科學(xué)性，分別在10 艘和30 多艘船舶環(huán)境下對(duì)其通信目標(biāo)進(jìn)行定位，驗(yàn)證本文方法實(shí)際應(yīng)用效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。分析可知，在10 艘船舶和30 艘船舶的多船舶環(huán)境下，本文方法在定位船舶通信目標(biāo)時(shí)的定位位置與船舶通信目標(biāo)位置完全吻合。該結(jié)果說明本文方法在定位多船舶通信目標(biāo)時(shí)受船舶數(shù)量影響較少，具備較強(qiáng)的多船舶通信目標(biāo)定位方法，應(yīng)用效果較好。

圖1 多船舶通信目標(biāo)定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 1 Experimental results of multiple ships communication target localization

3 結(jié) 語

本文研究移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)在多船舶通信目標(biāo)定位中的應(yīng)用方法，利用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)連接多船舶通信目標(biāo)，使多船舶通信目標(biāo)位于一個(gè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，計(jì)算該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償后，依據(jù)多船舶通信節(jié)點(diǎn)距離實(shí)現(xiàn)其通信目標(biāo)定位。對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證表明，其具備較好的應(yīng)用性，未來可為船舶導(dǎo)航、避障等提供有效定位信息。