Radar için AIS tabanlı yüksek hassasiyetli hata kalibrasyon yöntemi
Deniz ortamı ve mekanik kayıp gibi faktörlerden etkilenen deniz radarının sistem hataları çalışma sırasında birikmeye devam edecek ve ardından kayma, bu da radarın algılama doğruluğunu ciddi şekilde etkiliyor. Bu nedenle, radar, sistematik hatalara karşı düzenli olarak kalibre edilmelidir.
Gemi (Otomatik Tanımlama Sistemi, AIS), yeni bir dijital seyrüsefer yardımcısı türü olarak, geminin GPS konumunu masa ekipmanına gerçek zamanlı olarak iletebilir ve radar ölçüm bilgileri ile işbirliği yapabilir.Bu nedenle, sistem hatası kalibrasyonu için AIS uygulaması giderek mevcut ana akım haline gelmiştir. . Bununla birlikte, kalibrasyon işlemi sırasında, kalibrasyondan sonra radarın doğruluğunun birçok durumda önemli ölçüde iyileştirilmediği keşfedildi. Literatür, kalibrasyon hedefi olarak uygun bir gemiyi seçer, ancak hedeflerin sayısı, radar algılama alanını kaplayamayacak kadar küçüktür. Literatür, deniz radarının sistem hatasını kalibre etmek için denizde birden fazla hedef kullanır, ancak gerçek deniz ortamından uzak olan hedef durum ve dağıtım hakkında daha ideal varsayımlar yapar. Literatür, hatayı tahmin etmek için denizde birden fazla hedefin ölçülen verilerini kullanır, ancak analiz etmez.Hata tahmini, farklı izlerin verilerinin doğrudan ortalaması alınarak elde edilir.
Genel olarak, radar sistemi hatasının deniz alanında eşit olarak dağıldığına ve radar algılama alanındaki örneklerin nispeten yoğunlaştığına ve istatistikte normalliğin özelliklerini gösterdiğine inanılmaktadır. Ancak çalışmalar, bazı deniz alanlarında sistematik hataların dağılımının tek tip olmadığını ve hata tahmini için alt bölgesel işleme gibi işlemlerin gerekli olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, mevcut kalibrasyon süreci çoğunlukla hata analizini göz ardı ederek düşük kalibrasyon doğruluğuna neden olur. Ek olarak, anormal değerlerin işlenmesi de kalibrasyondan sonra radarın düşük doğruluğunun önemli bir nedenidir. Ve mevcut sistem hatası tahmin yönteminde, tek hedef hata dizisindeki aykırı değerler esas olarak elimine edilirken, yanlış hedef dizisinin ortadan kaldırılması göz ardı edilir.
Bu nedenle, bu makale ilk olarak korelasyon ve hizalamadan sonra ölçülen hata sırasını işlemeden önce bu deniz alanındaki radar sistemi hatalarının dağılımını analiz etmektedir. Bu deniz alanındaki hata dağılımının muntazam bir dağılımı sağladığı varsayımı altında, elde edilen hata dizisi, tek sıralı aykırı değere ve elimine edilecek yanlış ilişkili anormal sıraya tabi tutulur. Son olarak, sistem hata tahmini elde edilir ve radar hatası kalibrasyonu ve doğrulaması gerçekleştirilir. Deneyler, bu makalede önerilen yöntemin sistem hatası sapmasını etkili bir şekilde kalibre edebileceğini göstermektedir.
1 Temel hata kalibrasyon süreci
Deniz radarının ve AIS'nin denizdeki birden fazla hedefi aynı anda tespit edebildiği varsayılır ve radar ölçümleri sırasıyla mesafesi ve azimut distance'dir. ve birbirinden bağımsız olduğundan ve hedef dizi analiz yöntemleri aynı olduğundan, genelliği kaybetmeden, bu makale hata tahmin yöntemini tanıtmak için mesafe sistem hatasını örnek olarak alır.
1.1 Veri ön işleme
Belirli bir süre içinde radar ve AIS rapor verilerini seçin Aynı hedefe ait veriler için, radar ölçüm değerleri kabul grubuna göre kronolojik sırada ve mesaj numarasına göre AIS bilgisine göre saklanır.
1.2 Hata dizisi edinimi
İlk olarak, birleşik zamanlama ekipmanı altında önceden işlenmiş AIS ve radar verilerini okuyun. Ardından, radar ölçüm değeri ve AIS tarafından sağlanan hedef bilgileri kabaca ilişkilendirilir ve radar ve AIS hedef nokta çifti kümesini elde etmek için zaman-uzay hizalanır.Sistem hatasını elde etmek için her noktanın mesafesini ve azimut sistemi hatasını hesaplamak için bu nokta çifti kümesi verilerini kullanın. sıra.
1.3 Hata dizisi işleme
Elde edilen hata dizisi için, deniz alanındaki tüm örnek verilerin ortalamasını alma yöntemi genellikle hata tahminini elde etmek için kullanılır. Ancak hata değerini tahmin etmeden önce, hala iki önemli adım var. Öncelikle, bu deniz alanındaki sistematik hataların dağılımı, hata dizisi işlemeden önce analiz edilmelidir. İkinci olarak, hedef izleme kümelenmesi, çapraz geçiş ve radar verileri ile AIS arasındaki yanlış ilişki nedeniyle, az sayıda anormal ölçüm değeri ve hata dizisi örnek konsantrasyon alanı dışında yanlış ilişkilendirme dizileri olacaktır. Filtrelemek.
Genel hata kalibrasyonu süreci Şekil 1'de gösterilmektedir.
2 Hata tahmin yöntemi
2.1 Kaba iz korelasyonu
2.2 Zaman uyumu
2.3 Hata dağılımı özelliklerinin analizi
Bu kağıt, radar ölçüm bilgilerini ve çok değişkenli yerleştirmeyi gerçekleştirmek için AIS tarafından elde edilen sistem hata değerini kullanır. Şu anda, hata dizisinin işlenmesinin tekdüze dağılım varsayımı aralığında olup olmadığını belirlemek için yalnızca sistem hatasının dağılım eğilimini anlamak gereklidir ve polinom uydurma, ölçüm anormal değerlerinin etkisini bir dereceye kadar göz ardı edebilir.Bu nedenle, bu makale sistem hatasını kurar. Radar yerel dikdörtgen koordinat sistemindeki dağılım fonksiyonunun polinom uydurma denklemi:
Bunlar arasında, ve rad sırasıyla radarın mesafe ve azimut sistemi hatalarıdır, x ve y radarın yerel dikdörtgen koordinat sistemindeki konumdur, g ve h, uygunluk denkleminde tahmin edilecek parametrelerdir; m, n, m, n uydurma Denklemin sırasının önceden belirlenmesi gerekir Bu makale sadece deniz alanındaki sistematik hatanın dağılım eğilimi ile ilgili olduğundan, montaj sırası genellikle 1 veya 2 olarak seçilir.
2.4 Sistem hatası anormal değerlerinin ortadan kaldırılması
2.4.1 Tek hedef hata dizisinin aykırı değerlerinin ortadan kaldırılması
Bunlar arasında u bir sabittir ve değeri farklı veri analizlerine göre seçilebilir. Genel olarak, orta düzeyde bir aykırı değer seçilirse, yaklaşık 1.5'i seçebilirsiniz.
i Hedef hata dizisindeki aykırı değerleri kaldırma adımları aşağıdaki gibidir:
(1) Aykırı değerler için aralığı ve sırayla aralığın dışındaki hata örneklerini tarayın;
(2) Seçilen anormal mesafe hatası örneklerini çıkardıktan sonra, hata dizisinin kalan örnekleri için minimum ve maksimum tahminleri yeniden hesaplamak için denklemleri (5) ve (6) kullanın ve (1) adımına geçin;
(3) Hata dizisindeki tüm mesafe hata değerleri adım (1) 'i karşılamayıncaya kadar, hata dizisinin aykırı değer giderimi tamamlanır.
Burada açıklanması gereken şey, belirli bir mesafe hata dizisi için aykırı değerler elimine edilirken, elimine edilen aykırı değerlere karşılık gelen azimut hata örneklerinin aynı zamanda ortadan kaldırılması gerektiğidir. Benzer şekilde, azimut hata dizisinde aykırı değerler önerirken de bu ilkeye uyulmalıdır.
2.4.2 Yanlış ilişkilendirilmiş hedeflerin ortadan kaldırılması
Tek hedef hata dizisinin anormal değerlerini kaldırma yöntemine benzer şekilde, belirli bir mesafe hata dizisi kaldırıldıktan sonra, karşılık gelen azimut hata dizisi kaldırılır. Aynısı, hizalama hatası dizisi ile uğraşırken de geçerlidir.
3 Deneysel sonuçlar ve analiz
3.1 Hata tahmin deneyi
Bu deneyin veri toplanmasında, radar 76 dakikalık toplama süresinde 68 grup iz tespit etti.Kıyı istasyonu AIS ekipmanı 1.463 hedef aldı, 57 hedef çifti başarıyla ilişkilendirdi ve 3.546 hata dizisi örneği elde etti.
İlk olarak, elde edilen hata dizisini, gerçek dağılımını keşfetmek için radar menzili sistem hatasının polinom uydurmasını gerçekleştirmek için kullanın.Uyum sırası p = 2, q = 1'i seçer ve sağlamlık, minimum mutlak kalıntı yöntemi LAR'ı seçer. Sonuçlar, uyum iyiliğinin 0.9913 olduğunu ve uyum durumunun gereksinimleri karşıladığını göstermektedir. Şekil 2, bu deniz alanının mesafe sapma dağılımının polinom uydurma sonucunu göstermektedir. Şekil 3'teki yörünge, kayıtlı radar ölçüm yörüngesi ve AIS "gerçek değer" yörüngesi kullanılarak elde edilen sistematik hata yörüngesidir ve farklı boyutlardaki yörüngeler bölgelere ayrılmıştır.
Şekil 2 ve Şekil 3'teki uygulama sonuçlarından görülebileceği gibi, radar sistemi hatası, farklı deniz alanlarında önemli ölçüde farklılık gösterse de, genel bir bakış açısından, algılama süresinde yavaş değişim ve rastgele olmayan özelliklere uymaktadır. Sistematik hata değerlerinin aralığı esas olarak 400 m ile 600 m arasında yoğunlaşmıştır ve deniz alanında başka hata aralığı birikim alanı yoktur. İstatistiksel ortalama işleme kapsamında, yani bu deniz alanında tek tip dağılım varsayımı makuldür. Bu nedenle, bir sonraki adımda anormal ölçüm değerleri kaldırıldıktan sonra, tüm bölgenin hata örneklerinin ortalama değerini hesaplama yöntemi, hata tahmin değerini elde etmek için kullanılabilir.
Elde edilen sistem hata dizisi üzerine bir dağılım noktası dağılım diyagramı ve sayısal bir değer dağılım histogramı çizin ve sonuçlar Şekil 4 ve Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 4 ve Şekil 5'ten görülebileceği gibi, hata dizisinin konsantre dağıtım alanı dışında çok sayıda anormal örnek vardır ve bu örneklerin elimine edilmesi gerekir.
İlk olarak, çeyreklik yöntemi tek hedef aykırı değerleri taramak için kullanılır ve ardından taranan anormal numuneler elimine edilir. Deneysel sonuçlar, bu adımda 202 anormal örneğin elendiğini ve 3344 örneğin kaldığını göstermektedir. Ortadan kaldırıldıktan sonra hata dizisinin dağılım grafiği Şekil 6'da gösterilmektedir.
Tek hedefli aykırı değer yok etme işlemi tüm hata dizilerinde gerçekleştirildikten sonra, bazı anormal diziler hala mevcuttur. Bunun temel nedeni, tek bir hedef dizide, aykırı değerlerin standart sapmasının, merkezi örnek verilerinin standart sapmasından çok farklı olması, dolayısıyla filtrelenmesinin kolay olmasıdır. Bununla birlikte, yoğun olarak dağılmış bir alandaki hedefler için, radar izleme genellikle dengesizdir veya gözden kaçar ve yanlış bir şekilde takip edilir ve daha sonra düzeltilir, bu da tüm hata sekansının konsantre numune alanından sapmasına veya sekansın bir kısmının Şekil 6'da gösterildiği gibi konsantre alanın dışında salınmasına neden olur. Hedef 1 ve Hedef 2'de gösterildiği gibi. Bu tür bir sekans için, yanlış ilişkilendirilmiş izin tarama seviyesinden başlamak gerekir, aksi takdirde tek hedefli tarama yoluyla onu ortadan kaldırmak zordur. Şekiller 7 ve 8, sırasıyla ortalama seriler ve standart sapma serileri kullanılarak yanlış ilişkilendirilmiş hedeflerin eliminasyon sürecidir Yanlış ilişkilendirilmiş hedef çiftlerinin ortalama ve standart sapması tarandıktan sonra karşılık gelen hedef sekansları elimine edilir.
Bu yazıda önerilen hatalı iz yok etme yöntemini kullanarak, toplam 6 hatalı şekilde ilişkili yol elimine edildi ve 3149 hata dizisi örneği kaldı. Artık mesafe hata dizisinin dağılım grafiği ve istatistiksel histogramı sırasıyla Şekil 9 ve Şekil 10'da gösterilmektedir. Şekil 10'dan, artık mesafe hata serilerinin istatistiksel özelliklerinin normal olarak dağılma eğiliminde olduğu görülebilir.
Anormal dizi ortadan kaldırıldıktan sonra, hata tahminini elde etmek için kalan mesafe hatası örneklerinin istatistiksel ortalaması hesaplanır. Hesaplamadan sonra, menzil hatası 484.32 m kadar büyüktür Kalan azimut hata dizisinin istatistiksel ortalama değeri aynı yöntemle hesaplanır ve azimut hatası 0.729 ° çok büyüktür, bu da radarın algılama doğruluğunu aşar.
3.2 Kalibrasyon ve doğrulama deneyi
Radar menzilini ve azimut sistemi hatalarını kalibre etmek için yukarıdaki deneylerden elde edilen hata tahminlerini kullanın ve önerilen yöntemin etkinliğini doğrulamak için deneylere devam edin. Doğrulama deneyi ve ilk veri toplama aynı radar istasyonunda gerçekleştirildi Radar, elde etme süresinin 71 dakikası içinde 61 grup iz tespit etti Sahil istasyonu AIS ekipmanı 1.253 hedef aldı ve 46 hedef çifti başarıyla ilişkilendirdi. Bu yazıda önerilen aykırı değer eliminasyon yöntemi ile işlendikten sonra, 43 ilişki çifti kalmıştır ve 2.867 mesafe hata örneği elde edilmiştir. Kalibrasyondan sonra, mesafe hata dizisinin istatistiksel histogramı ve hedef dağılım noktalarının dağılımı Şekil 11 ve Şekil 12'de gösterilmektedir.
Hesaplamadan sonra, kalibrasyondan sonraki radar sistemi hatası 18.83 m çok büyük ve azimut sistemi hatası 0.016 ° çok büyük, her ikisi de bu tür radarın algılama doğruluğu aralığı içindedir, bu da bu makalede önerilen yöntemin etkinliğini doğrular.
4. Sonuç
Bu makale, radar kalibrasyonunun doğruluğunu etkileyen faktörleri analiz eder ve AIS ekipmanı kullanarak yüksek hassasiyetli radar kalibrasyonu elde etmek için bir yöntem önerir. Yeni yöntem, geleneksel kalibrasyon sürecine hata dağılımı analizi adımını ekler ve yerinde toplanan hata dizisindeki aykırı değerleri ve anormal dizileri iki kez ortadan kaldırır. Deneysel sonuçlar, bu yazıda önerilen yöntemin deniz radar sistemi hatalarının kalibrasyonunda ideal sonuçlara ulaştığını kanıtlamaktadır. Araştırma çalışmasının bir sonraki adımı, farklı deniz alanlarının hata dağılımını analiz etmeye ve farklı dağıtım eğilimleri için makul hata tahmin yöntemleri önermeye odaklanacaktır.
Referanslar
Yuan Zhengwu, He Gege.Yüksek hassasiyetli GPS-RTK konumlandırma teknolojisinin tasarımı ve uygulaması. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (6): 63-67.
Zhao Yonggang.Kıyı ve kıyı uyarı radarları için bir kalibrasyon yöntemi Modern Elektronik Teknolojisi, 2012, 35 (9): 22-24.
Luo Jun, Shang Yunli, Zeng Hao, vb Kıyıdan denize radar kalibrasyonu için AIS bilgilerinin uygulanması Telekomünikasyon Teknolojisi, 2009, 49 (9): 87-89.
HABTEMARIAM B K, THARMARASA R, MEGER E, ve diğerleri Deniz gözetimi için ölçüm seviyesi AIS / radar füzyonu SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2012, 8393: 83930I.
Wang Ke, Jiang Baofu, Zhang Yao. Tek tip olmayan sistem hatasına dayalı bir sensör uzaysal kayıt yöntemi Komut Bilgi Sistemi ve Teknolojisi, 2010, 1 (4): 26-31.
Zhu Qiyue Radar kalibrasyonu için diferansiyel GPS teknolojisinin uygulanması Telekomünikasyon Teknolojisi, 2006, 46 (1): 108-110.
yazar bilgileri:
Dong Yunlong, Huang Gaodong, Li Baozhu, Liu Ningbo, Chen Xiaolong
(Bilgi Füzyon Enstitüsü, Deniz Havacılık Üniversitesi, Yantai 264001, Shandong)
