AIS与雷达数据融合的数学模型研究

分类号密级UDC单位代码10151AIS与雷达数据融合的数学模型研究(中文题名和副题名)翟艺书(研究生姓名)指导教师刘巍职称教授职称学位授予单位大连海事大学申请学位级别硕士学科与专业应用数学研究方向可拓数学论文提交日期2005年3月学位授予日期答辩委员会主席评阅人IMathematicsModleForAISandRadarInformationFusionDissertationSubmittedtoDalianMaritimeUniversityInparticialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterofScienceByZhaiYishu(AppliedMathematics)DissertationSupervisor:ProfessorLiuWeiMarch,2005II大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文“AIS与雷达数据融合的数学模型研究”。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密□不保密□（请在以上方框内打“√”）论文作者签名：导师签名：日期：年月日III摘要本文主要针对中小型船舶通信中的数据融合问题进行研究。在对于航行安全保障技术的长期研究中，人们越来越认识到船舶之间和船岸之间信息交换、信息识别的重要性。那么对于占有相当一部分比重的中小型船舶的通信问题，即中小型船舶与VTS之间、中小型船舶与其它船舶之间的通信问题的研究是很有实际意义的。虽然目前有ARPA（即电子计算机与船用雷达相结合的自动雷达标绘仪）来解决船舶的通信、识别及避碰问题，但是其高昂的价格，使得中小型船舶难以接受。在解决通信问题的方法中，现在比较流行的船舶自动识别系统（AIS）成本较低，而且它可以从根本上解决雷达等信息源的不可靠性，能够即时地把本船的静态和动态信息传送给他船及VTS中心，因而能很好的解决识别船只、协助跟踪目标、简化信息交流甚至避免碰撞等问题。然而目前AIS还不能完全替代雷达。如果将成本较低的AIS和雷达构成一个系统（简记为RA），采用数据融合的方法来处理中小型船舶的通信问题，则需要解决数据融合的数学模型问题。本文首先探讨了相关的一些技术性问题，然后给出了AIS与雷达融合的数学模型，研究了两种算法来确定采样时刻，并给出了仿真实验结果。最后，利用可拓评价方法对两种算法做了综合评价。关键词：雷达；AIS；RA；数据融合；可拓评价IVAbstractThispaperstudiesonthedatafusionofAIS(theAutomaticIdentificationSystem)andradarobjectsinordertosolvethecommunicationproblemsofsmallerships.Duringthelongtimestudyingofshippingsafeguardtechnology,moreandmorepeoplerealizetheimportanceoftheinformationcommuteandidentifier.Sothestudyoncommunicationproblemsofsmallershipsisverysignificative.ThoughARPA(akindofradarbasedoncomputer)isverygoodtosolveships’communication、identificationandcollosionavoidance,Itsexpensivecostisabigproblemforsmallerships.AIShasitsvirtuesasameansforsurveillanceandtrackingofthoseshipsthatareequipped.Andmoreimportant,itscostischeap.Becauseofthedifferentcharacteristics,radarandAIScomplementeachother,weconsidertosolvetheproblembythewayofAISandradardatafusion.Inthispaper,somecorrelativetechnologyispresentedfirstly,secondlythemathematicmodleisgiven.Thirdly,thepapergivestheexperimenttovalidatethevalidityofthemodle.Atlast,thepaperhadaassessmentwithextensionassessmentmethod.Keywords:Radar;AIS;RA;DataFusion;ExtentionAssessmentI目录第1章绪论..........................................................11.1问题的引出....................................................11.2AIS产生的背景及目前国内外的发展状况[22][23][54][55][56][57][58]............21.2.1产生背景.................................................21.2.2AIS目前在国内外的发展状况...............................31.3AIS和雷达系统信息融合的必要性................................51.4AIS与雷达数据融合的意义[23][25][26]................................61.5本文的主要研究内容............................................81.6主要研究成果..................................................81.7本文的结构....................................................9第2章技术基础.....................................................102.1航海雷达的工作原理[9][13][14][15][17][18][19]20][21]..........................102.1.1雷达的测距、测向原理....................................102.1.2雷达的组成及其工作原理..................................112.1.3雷达在航海上的应用.....................................122.2船用自动识别系统AIS[25][26][53][54][55][56][57][58]..........................122.2.1AIS的基本功能..........................................132.2.2AIS的组成和原理........................................132.2.3AIS的标准..............................................152.3可拓学理论[1][2][3][4][5][6][50]........................................182.3.1可拓学的研究对象........................................182.3.2物元理论................................................182.3.3关联函数及关联度.......................................192.3.4可拓评价方法[1][2][7][33][42][43][44][45][46][47][48][49].....................202.4数据融合理论[8][10][11][27][40].......................................202.4.1数据融合的定义和意义....................................202.4.2数据融合的基本原理......................................212.4.3数据融合技术的应用领域..................................212.4.4数据融合所采用的主要技术................................212.4.5数据融合的主要内容......................................22第3章AIS和雷达目标航迹的数据融合..................................263.1模型的建立...................................................263.2AIS和雷达目标航迹相关的判定................................273.2.1空间数据校准............................................273.2.2时间校准即确定相同的采样时刻...........................293.2.3航迹相关................................................323.3AIS和雷达目标位置数据点迹合并...............................33第4章仿真实验及可拓评价...........................................344.1AIS与雷达目标航迹相关判定实验...............................344.2基于两种采样时刻算法的数据融合实验...........................38II4.2.1基于时刻采样算法1的融合实验............................384.2.2基于时刻采样算法2的融合实验............................404.3基于两种采样算法的误差实验...................................424.4仿真结论.....................................................474.5融合信息的物元表示及可拓评价.....................................484.5.1可拓信息[34][35][36][37][38]..............................