移動互聯技術在多船舶通信目標定位中的應用

賈雪松

(沈陽城市建設學院 信息與控制工程學院, 遼寧 沈陽 110167)

0 引 言

大型船舶改變既定航向需要一定的時間，為避免航道上船舶出現碰撞情況，對多船舶通信目標進行定位是重點關注的問題。目前有很多學者研究多船舶通信目標定位方法，簡杰等[1]提出AUV 協同定位方法，該方法利用閾值加權方法對船舶目標位置觀測值進行粗差改善，再進行局部濾波處理后，生成位移AUV 定位信息，實現多船舶通信目標定位。但該方法在處理多組船舶目標位置觀測值時，受信號通信時延影響，其處理信號結果不夠準確，導致其最終對船舶定位效果不佳。李宗凌等[2]提出SAR 圖像船舶目標定位方法，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位置，但該方法采集的船舶SAR 圖像清晰度不足，導致其定位船舶目標位置存在較大的偏差。移動互聯技術是將移動通信技術和互聯網技術相結合，是網絡通信傳輸和移動應用實踐活動的總稱。船舶在水域上航行時，其與地面站或其他船舶聯系均應用移動互聯技術實現，因此本文研究移動互聯技術在多船舶通信目標定位中的應用方法，為防止船舶碰撞、避障提供技術支持。

1 移動互聯技術的多船舶通信目標定位方法

1.1 基于移動互聯技術的相鄰船舶通信節點距離計算

在船舶移動互聯網絡內，令L×L表示該網絡內的一個區域，L表示區域邊長，在該區域內存在N個船舶通信目標傳感器節點，節點的通信半徑由r表示。在定位船舶通信目標時，其通信節點發出的信號受到繞射、障礙物阻擋等因素影響，船舶通信節點信號傳播具備各向異性[3]，在此使用對數正態傳播模型計算船舶通信節點信號功率。d0，d表示船舶通信發射節點和接收節點的參考距離和實際距離，表示實際距離為d時，船舶移動互聯網絡接收節點的信號功率，其計算公式如下：

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

Gt為船舶移動互聯發射節點的天線增益，Gr為接收天線增益，則無線電自由空間傳輸模型表達公式如下：

式中：λ為移動互聯無線電信號波長；η為信號接收端損耗系數。

在船舶移動互聯網絡內[4]，令zi，zj表示區域L×L內任意2 個節點，該2 個節點距離為d時，令

則船舶移動互聯網絡內節點和的接收信號強度可利用對數正態傳輸模型表達，其公式如下：

對式(4)進行簡化處理，其變更如下：

其中：

將式(6) 代入式(5)，則10nlgd計算結果為：

由于多船舶通信節點在移動互聯網區域內為均勻隨機分布狀態，且每個多船舶通信節點的通信半徑均相同，其作用范圍為規則的圓[75]，依據接收信號強度和節點距離之間的近似關系，則最小接收信號強度與對應最大節點距離之間的關系如下：

式中：Pmin、dmax分別為最小接收信號強度和最大節點距離。

信號傳輸路徑損耗因數n計算公式如下：

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

利用式(10)即可得到船舶移動互聯網絡所有多船舶通信節點的距離。

1.2 相鄰船舶通信節點距離誤差補償

由于移動互聯網絡內通信信號內存在干擾噪聲以及信號傳輸的衰減性，導致計算相鄰船舶通信節點距離存在一定誤差[6]，為提升多船舶通信目標定位精度，需對相鄰船舶通信節點距離誤差進行補償處理，其詳細過程如下：d表示2 個多船舶通信節點距離，該距離與距離誤差之間關系表達公式如下：

式中：?(d)為距離誤差，ε；ζ分別為一次誤差系數和常誤差系數。

Z(ε,ζ)為誤差系數函數，其表達公式如下：

式中：di為實際測量值；?(di)為實際測量值與距離估計值的差值。

對式(12)結果內的誤差系數進行求導，其表達公式如下：

再利用二元一次方程對式(13)進行求解，得到一次誤差系數和常誤差系數數值，公式如下：

以式(14)結果為基礎，相鄰船舶通信節點距離誤差補償后的修正值公式如下：

1.3 基于單移動信標的多船舶通信目標定位方法

多船舶在航行時，其位于移動互聯網絡內，多船舶在移動互聯網絡內的移動信標會隨著船舶的航行向網絡內不斷發送位置信息包，該位置信息包內包括信標位置和當前時間，此時未知的多船舶通信目標節點可依據概率推算其位于某個信標節點周圍，從而實現多船舶通信目標的定位。以補償后的相鄰船舶通信節點距離為基礎，xi，yi為補償后相鄰船舶通信節點i距離坐標，Ui為多船舶通信節點位置約束方程，即

為保障多船舶通信目標定位更加準確，設置其連通性通信節點位置約束方程更新公式如下：

式中：k表示區域內任意節點，表示該節點的區域邊界。

當一個船舶通信目標節點被檢測到，則其連通性通信節點位置約束方程更新公式如下：

式中：xa，ya為信標的坐標，s為信標節點通信半徑。

當一個船舶通信目標節點沒有被檢測到，則其連通性通信節點位置約束方程更新公式如下：

式中，Uneg為船舶通信目標通信半徑同心圓區域，其表達公式如下：

式中，Qneg為 同心圓內接正方形邊長。

依據上述過程更新多船舶通信目標通信節點區域后，利用下式得到多船舶通信目標未知點的自身位置，表達公式如下：

式中：O(x,y)為多船舶通信目標未知點的自身位置，x,y∈Ui；PDFRS S I(·)為未知節點與信標節點距離似然概率函數。

2 實驗結果與分析

以某港口出入港航線作為實驗對象，使用本文方法對出入港航線內多船舶通信目標進行定位，其中多船舶均加入移動互聯網，多船舶的信標信息發送間隔為0.1～1.0 s，其通信半徑區間為10～30 m，信標節點移動速度10～50 s。

多艦船通信節點距離估算是多艦船通信目標定位的基礎，在移動互聯區域內選擇10 個多艦船通信目標節點應用本文方法估算多艦船通信節點距離。為使實驗結果更加充分，同時使用文獻[3]方法和文獻[4]方法展開實驗，實驗結果如表1 所示。分析表1 可知，同時應用本文方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法進行多船舶通信節點距離估算時，本文方法估算的結果與多船舶通信節點距離實際數值最為接近，其與多船舶通信節點距離實際數值偏差位于0.29～0.96 m 之間，而文獻[3]方法和文獻[4]方法估算的多船舶通信節點距離實際數值偏差分別位于0.59～1.55 m 和0.46～1.83 m之間。上述結果說明：本文方法估算多船舶通信節點距離與其設計距離最為接近，可有效估計多船舶通信節點距離。

表1 多船舶通信節點距離估算結果(m)Tab. 1 Distance estimation results of multiple ships communication nodes (m)

驗證本文方法對多船舶通信節點距離估算值誤差補償效果，以表1 內10 個多船舶通信節點作為實驗對象，使用本文方法對其距離估算值誤差進行補償處理，并設置補償后誤差值不得高于0.5 m，測試結果如表2 所示。可知，應用本文方法對估算的多船舶通信節點距離進行補償后，其估算多船舶通信節點距離偏差最小為0.14 m，最大僅為0.33 m，該數值較所設的閾值低，說明本文方法可有效對多船舶通信節點距離進行補償，補償后的多船舶通信節點距離與其實際距離極為接近。

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

驗證本文方法對多船舶通信目標的定位效果，為使實驗結果更具科學性，分別在10 艘和30 多艘船舶環境下對其通信目標進行定位，驗證本文方法實際應用效果，實驗結果如圖1 所示。分析可知，在10 艘船舶和30 艘船舶的多船舶環境下，本文方法在定位船舶通信目標時的定位位置與船舶通信目標位置完全吻合。該結果說明本文方法在定位多船舶通信目標時受船舶數量影響較少，具備較強的多船舶通信目標定位方法，應用效果較好。

圖1 多船舶通信目標定位實驗結果Fig. 1 Experimental results of multiple ships communication target localization

3 結 語

本文研究移動互聯技術在多船舶通信目標定位中的應用方法，利用移動互聯技術連接多船舶通信目標，使多船舶通信目標位于一個移動互聯網絡內，計算該網絡內多船舶通信節點距離并對其進行補償后，依據多船舶通信節點距離實現其通信目標定位。對本文方法進行驗證表明，其具備較好的應用性，未來可為船舶導航、避障等提供有效定位信息。