移动互联技术在多船舶通信目标定位中的应用_贾雪松.pdf

移动互联技术在多船舶通信目标定位中的应用移动互联技术在多船舶通信目标定位中的应用贾雪松(沈阳城市建设学院 信息与控制工程学院，辽宁 沈阳 110167)摘 要:船舶通信目标定位为船舶导航、避障等提供技术支持，为保障船舶通信目标定位较为准确，研究移动互联技术在多船舶通信目标定位中的应用方法。该方法利用基于移动互联技术的相邻船舶通信节点距离计算方法，获得船舶通信节点距离后，通过计算船舶通信节点距离与距离误差之间关系，并对其求导后得到距离误差补偿量，对多船舶通信节点距离误差实施补偿。以补偿结果为基础，使用基于单移动信标的多船舶通信目标定位方法实现多船舶通信目标定位。实验结果表明，该方法可有效计算船舶通信节点距离并对其误差进行有效补偿，并在不同多船舶环境情况下有效对通信目标进行定位，具备较好的应用效果。关键词：移动互联技术；多船舶通信；目标定位；节点距离；误差补偿中图分类号：TP391 文献标识码：A文章编号：1672 7649(2023)12 0118 04 doi：10.3404/j.issn.1672 7619.2023.12.022Application of mobile interconnection technology in target localization ofmultiple ships communicationJIA Xue-song(School of Information and Control Engineering,Shenyang Urban Construction University,Shenyang 110167,China)Abstract:Ship communication target positioning provides technical support for ship navigation,obstacle avoidance,etc.In order to ensure accurate positioning of ship communication targets,this study investigates the application method ofmobile interconnection technology in multi ship communication target positioning.This method uses the distance calcula-tion method of adjacent ship communication nodes based on mobile interconnection technology to obtain the distancebetween ship communication nodes.By calculating the relationship between ship communication node distance and distanceerror,and deriving it,the distance error compensation amount is obtained.The distance error of multiple ship communica-tion nodes is compensated based on this compensation result,using a single mobile beacon based multi ship communicationtarget localization method to achieve multiple ships communication target localization.The experimental results show thatthis method can effectively calculate the distance of ship communication nodes and compensate for their errors.It can alsoeffectively locate communication targets in different multi ship environments and has good application effects.Key words:mobile internet technology；multi ships communication；target positioning；node distance；error com-pensation 0 引言大型船舶改变既定航向需要一定的时间，为避免航道上船舶出现碰撞情况，对多船舶通信目标进行定位是重点关注的问题。目前有很多学者研究多船舶通信目标定位方法，简杰等1提出 AUV 协同定位方法，该方法利用阈值加权方法对船舶目标位置观测值进行粗差改善，再进行局部滤波处理后，生成位移 AUV 定位信息，实现多船舶通信目标定位。但该方法在处理多组船舶目标位置观测值时，受信号通信时延影响，其处理信号结果不够准确，导致其最终对船舶定位效果不佳。李宗凌等2提出 SAR 图像船舶目标定位方法，该方法通过采集船舶 SAR 图像，利用图像处理方式得到船舶目标位置，但该方法采集的船舶 SAR 图像清晰度不足，导致其定位船舶目标位置存在较大的偏差。移动互联技术是将移动通信技术和互联网技术相第 45 卷 第 12 期舰 船 科 学 技 术Vol.45,No.122023 年 6 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYJun.,2023 收稿日期:2022 12 10基金项目:辽宁省教育厅基本科研项目（LJKMZ20221933）作者简介:贾雪松(1985 )，女，硕士，讲师，主要研究方向为无线通信、人工智能及物联网技术。结合，是网络通信传输和移动应用实践活动的总称。船舶在水域上航行时，其与地面站或其他船舶联系均应用移动互联技术实现，因此本文研究移动互联技术在多船舶通信目标定位中的应用方法，为防止船舶碰撞、避障提供技术支持。1 移动互联技术的多船舶通信目标定位方法 1.1 基于移动互联技术的相邻船舶通信节点距离计算LLLNrd0dd在船舶移动互联网络内，令表示该网络内的一个区域，表示区域边长，在该区域内存在个船舶通信目标传感器节点，节点的通信半径由 表示。在定位船舶通信目标时，其通信节点发出的信号受到绕射、障碍物阻挡等因素影响，船舶通信节点信号传播具备各向异性3，在此使用对数正态传播模型计算船舶通信节点信号功率。，表示船舶通信发射节点和接收节点的参考距离和实际距离，表示实际距离为时，船舶移动互联网络接收节点的信号功率，其计算公式如下：Pr(d)=Pt(d0)10nlg(d/d0)+N。(1)nPt(d0)N式中：为信号传输路径损耗因数；为发射信号功率；为无线电自由空间传输模型；为高斯随机噪声。GtGr为船舶移动互联发射节点的天线增益，为接收天线增益，则无线电自由空间传输模型表达式如下：(d0)=10lg|2(4)2d20|。(2)式中：为移动互联无线电信号波长；为信号接收端损耗系数。zizjLLd在船舶移动互联网络内 4，令，表示区域内任意 2 个节点，该 2 个节点距离为 时，令Pr(d0)=Pt(d0)，(3)则船舶移动互联网络内节点和的接收信号强度可利用对数正态传输模型表达，其公式如下：Pr(d)=Pr(d0)10nlg(d/d0)+N，(4)对式(4)进行简化处理，其变更如下：Pr(d)=10nlgd。(5)其中：=Pr(d0)N，(6)10nlgd将 式(6)代 入 式(5)，则计 算 结 果 为：10nlgd=Pr(d)。(7)由于多船舶通信节点在移动互联网区域内为均匀随机分布状态，且每个多船舶通信节点的通信半径均相同，其作用范围为规则的圆5，依据接收信号强度和节点距离之间的近似关系，则最小接收信号强度与对应最大节点距离之间的关系如下：10nlgdmax=Pmin。(8)Pmindmax式中：、分别为最小接收信号强度和最大节点距离。n信号传输路径损耗因数 计算公式如下：n=(Pmin)/10nlgdmax，(9)将式(8)、式(9)代入到式(7)，则多舰船通信节点距离的估算值表达式如下：d=dPr(d)Pminmax rPr(d)Pmin。(10)利用式(10)即可得到船舶移动互联网络所有多船舶通信节点的距离。1.2 相邻船舶通信节点距离误差补偿d由于移动互联网络内通信信号内存在干扰噪声以及信号传输的衰减性，导致计算相邻船舶通信节点距离存在一定误差6，为提升多船舶通信目标定位精度，需对相邻船舶通信节点距离误差进行补偿处理，其详细过程如下：表示 2 个多船舶通信节点距离，该距离与距离误差之间关系表达式如下：(d)=d+。(11)(d)式中：为距离误差，；分别为一次误差系数和常误差系数。Z(,)为误差系数函数，其表达式如下：Z(,)=ni=1di+(di)2。(12)di(di)式中：为实际测量值；为实际测量值与距离估计值的差值。对式(12)结果内的误差系数进行求导，其表达式如下：|Q=2ni=1didi+(di)=0，Q=2ni=1di+(di)=0。(13)再利用二元一次方程对式(13)进行求解，得到一次误差系数和常误差系数数值，公式如下：第 45 卷贾雪松：移动互联技术在多船舶通信目标定位中的应用 119|=|ni=1di(di)1n|ni=1di|ni=1(di)|/|ni=1d2i1n|ni=1di|2|，=|ni=1(di)ni=1di|/n。(14)?di以式(14)结果为基础，相邻船舶通信节点距离误差补偿后的修正值公式如下：?di=di(di)。(15)1.3 基于单移动信标的多船舶通信目标定位方法xiyii?diUi多船舶在航行时，其位于移动互联网络内，多船舶在移动互联网络内的移动信标会随着船舶的航行向网络内不断发送位置信息包，该位置信息包内包括信标位置和当前时间，此时未知的多船舶通信目标节点可依据概率推算其位于某个信标节点周围，从而实现多船舶通信目标的定位。以补偿后的相邻船舶通信节点距离为基础，为补偿后相邻船舶通信节点 距离坐标，为多船舶通信节点位置约束方程，即Ui=xmini,xmaxiymini,ymaxi。(16)xmaxixminiymaxiyminixmini xi xmaxiymini yi ymaxi式中：，分别为节点区域方向最大、最小边界和方向最大最小边界，且，。为保障多船舶通信目标定位更加准确，设置其连通性通信节点位置约束方程更新公式如下：UiUikKxkminr,xkmax+rykminr,ykmax+r。(17)kxkminxkmaxykminykmax式中：表示区域内任意节点，表示该节点的区域边界。当一个船舶通信目标节点被检测到，则其连通性通信节点位置约束方程更新公式如下：Ui Uixas,xa+syas,ya+s。(18)xayas式中：，为信标的坐标，为信标节点通信半径。当一个船舶通信目标节点没有被检测到，则其连通性通信节点位置约束方程更新公式如下：Ui UiUneg，(19)Uneg式中，为船舶通信目标通信半径同心圆区域，其表达式如下：Uneg=xaQneg2,xa+Qneg2yaQneg2,ya+Qneg2。(20)Qneg式中，为同心圆内接正方形边长。依据上述过程更新多船舶通信目标通信节点区域后，利用下式得到多船舶通信目标未知点的自身位置，表达式如下：O(x,y)=PDFRSSI(xi,yi),(xa,ya)，(21)O(x,y)x,y UiPDFRSSI()式中：为多船舶通信目标未知点的自身位置，；为未知节点与信标节点距离似然概率函数。2 实验结果与分析以某港口出入港航线作为实验对象，使用本文方法对出入港航线内多船舶通信目标进行定位，其中多船舶均加入移动互联网，多船舶的信标信息发送间隔为 0.11.0 s，其通信半径区间为 1030 m，信标节点移动速度 1050 s。多船舶通信节点距离估算是多舰船通信目标定位的基础，在移动互联区域内选择 10 个多舰船通信目标节点应用本文方法估算多船舶通信节点距离。为使实验结果更加充分，同时使用文献 3 方法和文献 4 方法展开实验，实验结果如表 1 所示。分析表 1 可知，同时应用本文方法、文献 3 方法和文献 4 方法进行多船舶通信节点距离估算时，本文方法估算的结果与多船舶通信节点距离实际数值最为接近，其与多船舶通信节点距离实际数值偏差位于 0.290.96 m 之间，而文献 3 方法和文献 4 方法估算的多船舶通信节点距离实际数值偏差分别位于 0.591.55 m 和 0.461.83 m之间。上述结果说明：本文方法估算多船舶通信节点距离与其设计距离最为接近，可有效估计多船舶通信节点距离。验证本文方法对多船舶通信节点距离估算值误差补偿效果，以表 1 内 10 个多船舶通信节点作为实验对象，使用本文方法对其距离估算值误差进行补偿处理，表 1 多船舶通信节点距离估算结果(m)Tab.1 Distance estimation results of multiple shipscommunication nodes(m)目标节点编码实际距离本文方法文献3方法文献4方法168.267.6667.0266.37271.570.9869.9569.96320.619.7219.1319.51419.818.8418.7819.27533.533.2132.5533.04672.171.5671.2170.99776.476.2275.8175.17865.364.4864.0863.78973.973.1872.4972.821050.649.8349.5449.48 120 舰 船 科 学 技 术第 45 卷并设置补偿后误差值不得高于 0.5 m，测试结果如表 2所示。可知，应用本文方法对估算的多船舶通信节点距离进行补偿后，其估算多船舶通信节点距离偏差最小为0.14 m，最大仅为 0.33 m，该数值较所设的阈值低，说明本文方法可有效对多船舶通信节点距离进行补偿，补偿后的多船舶通信节点距离与其实际距离极为接近。表 2 多船舶通信节点估算距离误差修正结果(m)Tab.2 Correction results for distance error estimation ofmultiple ships communication nodes(m)目标节点编码实际距离补偿结果偏差值168.267.950.25271.571.190.31320.620.270.33419.819.660.14533.533.340.16672.171.920.18776.476.180.22865.365.010.29973.973.590.311050.650.280.32 验证本文方法对多船舶通信目标的定位效果，为使实验结果更具科学性，分别在 10 艘和 30 多艘船舶环境下对其通信目标进行定位，验证本文方法实际应用效果，实验结果如图 1 所示。分析可知，在 10 艘船舶和 30 艘船舶的多船舶环境下，本文方法在定位船舶通信目标时的定位位置与船舶通信目标位置完全吻合。该结果说明本文方法在定位多船舶通信目标时受船舶数量影响较少，具备较强的多船舶通信目标定位方法，应用效果较好。3 结语本文研究移动互联技术在多船舶通信目标定位中的应用方法，利用移动互联技术连接多船舶通信目标，使多船舶通信目标位于一个移动互联网络内，计算该网络内多船舶通信节点距离并对其进行补偿后，依据多船舶通信节点距离实现其通信目标定位。对本文方法进行验证表明，其具备较好的应用性，未来可为船舶导航、避障等提供有效定位信息。参考文献：简杰,朱志宇.基于加权信息增益的并行融合 AUV 协同定位方法 J.中国舰船研究,2022,17(4):7991.JIAN Jie,ZHU Zhiyu.A Parallel fusion method for AUV coop-erative localization based on weighted information gainJ.Chi-nese Journal of Ship Research,2022,17(4):7991.1李宗凌,汪路元,蒋帅,等.超轻量网络的 SAR 图像舰船目标在轨提取 J.遥感学报,2021,25(3):765775.LI Zongling,WANG Luyuan,JIANG Shuai,et al.On orbit ex-traction method of ship target in SAR images based on ultra-lightweight networkJ.Journal of Remote Sensing,2021,25(3):765775.2刘亚琴,杨士莪,张海刚,等.利用辐射噪声对舰船进行定位 J.哈尔滨工程大学学报,2021,42(7):921927.LIU Yaqin,YANG Shie,ZHANG Haigang,et al.Localizationof ship using radiated noiseJ.Journal of Harbin EngineeringUniversity,2021,42(7):921927.3张啸尘,赵建森,王胜正,等.基于 YOLOv3 算法的船舶双目视觉检测与定位方法 J.上海海事大学学报,2021,42(1):2632.ZHANG Xiaochen,ZHAO Jiansen,WANG Shengzheng,et al.Binocular vision detection and positioning method for 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