一种短时唤醒工作模式下船舶定位飞点快速识别方法及系统与流程

本发明涉及一种船舶定位飞点识别方法及系统，特别是一种短时唤醒工作模式下船舶定位飞点快速识别方法及系统。

背景技术：

1、gnss（全球导航卫星系统，global navigation satellite system）可以为船舶监管对象提供位置、速度和时间信息，已经广泛应用于渔船监管、小型商船管理、电子围栏、海上作业安全和海上物联网等场景。在开阔海域中，gnss通常能够获得较稳定的位置结果；但是，船载定位终端为了降低功耗，往往按照预设周期在休眠状态和短时唤醒状态之间切换。当终端长时间休眠后再次唤醒时，gnss接收机可能处于冷启动或辅助数据未及时更新状态，且早期观测与定位滤波尚未稳定，首个或少量早期定位历元可能产生较大位置偏差。如果该异常定位结果被直接作为真实船位上传，监管平台就可能产生瞬时越界、瞬时超速、异常靠泊或电子围栏误报警。

2、现有技术中的gnss模块通常输出经纬度、高程、速度、航向、卫星数、hdop（水平精度因子，horizontal dilution of precision）、vdop（垂直精度因子，vertical dilutionof precision）和定位状态等信息；mems imu（微机电系统惯性测量单元，micro-electro-mechanical systems inertial measurement unit）通常包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于采集机体系比力和角速度，经零偏补偿、姿态转换及短时递推后可得到短时姿态和位移变化。低成本mems imu在缺少外部观测校正时难以长期保持高精度惯性导航结果，但在终端唤醒后的数秒级检测窗口内，其短时状态可作为gnss早期定位结果的同历元参照。船舶位于海面附近，gnss天线高程还受到海面参考高程、潮位、天线安装高度和海况的共同约束，因此可由海面约束与短时惯性信息共同检验定位结果的物理合理性。

3、针对船舶定位信息在gnss停止工作、通信中断或采样稀疏期间的估计，现有研究主要采用运动模型外推和轨迹插值，此类方案通常先获取中断前后的连续船位以及航速、航向信息，再建立恒速、恒转率或曲线运动模型，或者在相邻有效定位点之间进行插值，最后输出中断区间的估计轨迹，并利用后续有效定位点进行平滑或校正。

4、针对gnss不可用期间的连续导航，现有技术通常在gnss有效时完成滤波器初始化和误差估计，在gnss中断期间依靠ins（惯性导航系统，inertial navigation system）、辅助传感器或预测模型递推位置，在gnss恢复后再以恢复的gnss量测更新组合导航状态。

5、上述连续组合导航方案通常还需dvl（多普勒计程仪，doppler velocity log）、双天线gnss或较高性能imu（惯性测量单元，inertial measurement unit），以及时间同步、杆臂标定和持续滤波。

6、此外，现有技术中的单一直线外推难以覆盖正常转弯和绕障，单向可达范围又不能检验候选点所隐含运动的可逆性及内部连续性；依赖后续定位点的平滑方法不能在当前唤醒周期内完成判决。

7、综上所述，现有连续组合导航方案通常依赖持续运行，并需配置dvl、双天线gnss或较高性能imu，配套完成时间同步、杆臂标定和持续滤波，导致硬件成本、标定工作量、运算功耗和系统复杂度上升；学习预测方案还依赖训练数据，二者均不适合低成本、低功耗终端的短时唤醒窗口。简化的平面残差、速度门限或直线外推虽成本较低，但未联合海面高程和曲率连续可达信息。因此，高程明显异常的候选点可能漏检，正常转弯、绕障或弧线运动可能被误判，且非可信位置缺少统一的安全回传路径。

8、现有前向预测或单向可达判定只能说明候选点可能由历史状态到达，不能检验由候选点反向回到可信锚点以及两条虚拟轨迹在区间内部是否接合；采用下一有效点平滑或闭合则需要等待后续数据，无法在当前周期完成判决。若飞点、待定或不可用样本继续参与在线更新，还会污染运动边界和判决阈值，增加后续误判风险。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种短时唤醒工作模式下船舶定位飞点快速识别方法及系统。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种短时唤醒工作模式下船舶定位飞点快速识别方法及系统，其中所述方法包括以下步骤：

3、步骤1，在船舶定位装置进入短时唤醒工作窗口后，根据上一工作窗口保存的数据，计算唤醒时刻初始数据并设置对应有效性标志；

4、步骤2，采集mems imu短时测量，并使用步骤1得到的唤醒时刻初始数据作为递推初值，得到与当前gnss历元对齐的惯性测量数据及对应有效性标志；

5、步骤3，使用步骤2得到的惯性测量数据，将当前gnss历元定位数据进行坐标转换并进行杆臂补偿，得到同一坐标系、同一历元下的gnss候选位置、惯性参照位置及对应有效性标志；

6、步骤4，使用步骤3得到的gnss候选位置和惯性参照位置，结合海面参考高程、天线安装高度和最近可信状态，计算海面高程-曲率可达联合特征向量、安全位置候选及对应有效性标志；

7、步骤5，使用步骤4处理的当前gnss候选状态及对应有效性标志，并以最近可信状态为单一锚点，计算单锚双向虚拟自闭合因子及对应有效性标志；

8、步骤6，使用步骤4得到的联合特征向量和安全位置候选，以及步骤5得到的单锚双向虚拟自闭合因子和对应有效性标志执行分层判断，输出可信、飞点、待定或不可用状态，并完成对应的结果处置。

9、进一步的，步骤1中所述的计算唤醒时刻初始数据并设置对应有效性标志，包括：

10、在船舶定位装置进入短时唤醒工作窗口后，读取上一工作窗口保存的最近可信状态，并读取安装参数和场景参数；

11、建立局部导航坐标系并计算休眠时间间隔、累计传播不确定度和唤醒时刻参考状态，得到固定参考坐标系、唤醒时刻初始数据及对应有效性标志；其中，唤醒时刻初始数据包括唤醒时刻参考位置、初始速度和初始姿态；

12、其中，根据最近可信状态的时间戳计算休眠时间间隔，并由最近可信状态协方差、休眠时间间隔和预设运动边界得到累计传播不确定度；在所述休眠时间间隔和累计传播不确定度均未超过对应限值时，按照曲线运动关系或其直线退化式计算唤醒时刻参考位置，否则将最近可信位置及其原时间戳作为保守回传基准。

13、进一步的，步骤2中所述的得到与当前gnss历元对齐的惯性测量数据及对应有效性标志，包括：

14、使用步骤1得到的唤醒时刻参考位置、初始速度和初始姿态作为递推初值，将memsimu短时测量递推或插值至当前gnss历元，得到与当前gnss历元对齐的惯性测量中心位置、速度、加速度和姿态，并设置相应有效性标志。

15、进一步的，步骤3中所述的将当前gnss历元定位数据进行坐标转换并进行杆臂补偿，包括：

16、使用步骤2得到的惯性测量中心位置和姿态，将当前gnss早期定位候选量转换至局部导航坐标系，并根据由惯性测量中心指向gnss天线相位中心的固定安装向量进行杆臂补偿，得到同一坐标系、同一历元下的gnss候选位置、惯性参照位置，并设置相应有效性标志；具体地，

17、将由惯性测量中心指向gnss天线相位中心并在船体坐标系中表示的固定安装向量转换至局部导航坐标系，并与惯性测量中心位置相加，得到惯性参照位置；缺少所述固定安装向量时，仅采用不依赖杆臂补偿的约束量；所述惯性参照位置满足下式：

18、

19、其中，为当前gnss历元下的惯性参照位置，为惯性测量中心位置，为由船体坐标系到局部导航坐标系的姿态转换矩阵，为由惯性测量中心指向gnss天线相位中心的固定安装向量，上标n表示局部导航坐标系，上标b表示船体坐标系，下标a表示gnss天线相位中心，下标i表示惯性测量中心。

20、进一步的，步骤4中所述的计算海面高程-曲率可达联合特征向量、安全位置候选及对应有效性标志，包括：

21、使用步骤3得到的gnss候选位置和惯性参照位置，结合海面参考高程、天线安装高度和最近可信状态，分别计算绝对高程残差、相对高程残差以及gnss候选位置相对于曲率连续可达域的归一化距离，得到所述联合特征向量即海面高程-曲率可达联合特征向量和安全位置候选，并设置相应有效性标志；具体地，

22、预期天线高程、绝对高程残差和相对高程残差的计算方法如下：

23、

24、

25、

26、其中，为海面参考高程，为天线相位中心相对海面的安装高度，为gnss高程，为步骤3输出的惯性参照位置的高程分量；为预期天线高程，为绝对高程残差，为相对高程残差；

27、以最近可信状态为起点，在纵向加速度、轨迹曲率和曲率变化率边界内传播连续平面船舶运动关系，并将所得名义终端位置集合与位置不确定域作闵可夫斯基求和，得到曲率连续可达域：

28、

29、其中，为终端平面位置， 为上一可信状态，为控制向量，为平面位置不确定域，表示闵可夫斯基求和；为传播区间内时刻的控制向量，为当前处理周期的允许控制集合，为当前处理序号；上标tr表示可信状态，上标n表示局部导航坐标系，下标en表示东向和北向平面位置分量；

30、当前gnss候选位置相对于所述曲率连续可达域的归一化距离计算方法如下：

31、

32、将所述绝对高程残差、相对高程残差和归一化距离组合为海面高程-曲率可达联合特征向量；

33、其中，海面参考高程与天线相位中心相对海面的安装高度之和为预期天线高程；绝对高程残差为gnss高程相对于预期天线高程的偏差，相对高程残差为gnss高程相对于惯性参照高程的偏差；曲率连续可达域由允许控制集合内各控制量对应的名义终端位置集合与位置不确定域作闵可夫斯基求和得到，所述归一化距离采用可达域位置协方差矩阵度量；其中，为可达域内的任一平面位置，为当前gnss候选平面位置，为可达域位置协方差矩阵，上标表示转置，上标−1表示逆矩阵，min表示在可达域内取加权距离的最小值；

34、所述安全位置候选由步骤1得到的唤醒时刻参考位置与步骤2得到的从唤醒时刻至当前gnss历元的水平位移增量相加得到，其平面分量计算方法如下：

35、

36、其中，为安全位置候选的东向和北向分量，为步骤1得到的唤醒时刻参考位置，为步骤2从递推至得到的水平位移增量；为本次唤醒时刻，为当前gnss历元时刻；

37、输出所述联合特征向量、安全位置候选及对应有效性标志。

38、进一步的，步骤5中所述的计算单锚双向虚拟自闭合因子及对应有效性标志，包括：

39、使用步骤4中参与联合特征计算的当前gnss候选状态及相应有效性标志，以步骤1读取的最近可信状态为单一锚点、以所述当前gnss候选状态为虚拟终点，在同一物理运动边界下分别计算正向可达代价、反向回锚代价和内部检查点接合代价，得到单锚双向虚拟自闭合因子，并设置相应有效性标志；具体地，

40、使用步骤4中参与联合特征计算的当前gnss候选状态，计算表征由最近可信状态传播至当前gnss候选状态的正向可达代价、表征由当前gnss候选状态按逆时间运动关系返回最近可信状态的反向回锚代价以及表征正向虚拟轨迹与反向虚拟轨迹在多个虚拟检查点处状态和曲率差异的内部检查点接合代价；所述内部检查点接合代价和单锚双向虚拟自闭合因子计算方法如下：

41、

42、

43、

44、其中，为第r个虚拟检查点处正向虚拟轨迹状态与反向虚拟轨迹状态的差值向量，和分别为采用最优正向控制和最优反向控制得到的第个虚拟检查点状态，为用于对状态差各分量进行归一化加权的权重矩阵，为虚拟检查点数量，和为对应曲率，为曲率接合误差的正则化权重，为第r个虚拟检查点对应的时刻；

45、、和分别为正向可达代价、反向回锚代价和内部检查点接合代价，、和为对应权重；求和项中的状态差为正向虚拟轨迹与反向虚拟轨迹在对应虚拟检查点处的状态差，权重矩阵用于统一各状态分量的量纲，曲率正则化项用于约束两条虚拟轨迹在对应检查点处的曲率差异。

46、进一步的，步骤6中所述的执行分层判断，包括：

47、使用步骤4得到的联合特征向量和安全位置候选，以及步骤5得到的单锚双向虚拟自闭合因子和相应有效性标志执行分层判断，判断结果为可信、飞点、待定或不可用；计算所需候选字段缺失或无法完成时间对齐时，判断结果为不可用；其中，

48、先使用步骤4得到的联合特征向量进行第一层判断：当海面高程约束项和曲率可达约束项均异常时判断结果为飞点，均正常且姿态参照满足参与条件时判断结果为可信，其余具有完整计算条件的候选点判断结果为待定；

49、仅对待定候选点使用步骤5得到的单锚双向虚拟自闭合因子进行第二层复核，当该因子不大于可信确认阈值时改判断结果为可信，当该因子不小于飞点确认阈值时改判断结果为飞点，介于两阈值之间或因子无效时保持待定。

50、进一步的，步骤6完成分层判断后，对于判断结果为飞点、待定或不可用的候选点，拦截原gnss位置，并在外推时间和累计传播不确定度满足限值且步骤4得到的安全位置候选有效时，用所述安全位置候选替代原gnss位置作为输出，否则输出带原时间戳的最近可信位置或无效标记。

51、进一步的，步骤6完成输出后，仅将最终判断结果为可信的定位位置写入可信样本队列，用于更新运动边界、噪声尺度、自闭合权重和判断阈值，且更新结果仅供后续唤醒周期使用。

52、本发明还提出一种短时唤醒工作模式下船舶定位飞点快速识别系统，用于实现前述方法，包括：

53、唤醒初始化与参考状态计算模块、mems imu同历元参照计算模块、gnss候选位置坐标统一与杆臂补偿模块、联合特征计算模块、自闭合因子计算模块、分层判断与结果处置模块以及可信反馈模块；其中，

54、所述唤醒初始化与参考状态计算模块，用于根据最近可信状态、安装参数和场景参数，通过建立局部导航坐标系并计算休眠时间间隔、累计传播不确定度和唤醒时刻参考状态，得到固定参考坐标系、唤醒时刻参考位置、初始速度、初始姿态及相应有效性标志；

55、所述mems imu同历元参照计算模块，用于根据所述唤醒初始化与参考状态计算模块得到的唤醒时刻参考位置、初始速度和初始姿态以及mems imu短时测量，通过惯性递推或插值，得到当前gnss历元的惯性测量中心位置、速度、加速度、姿态及相应有效性标志；

56、所述gnss候选位置坐标统一与杆臂补偿模块，用于根据所述mems imu同历元参照计算模块得到的惯性测量中心位置和姿态以及当前gnss早期定位候选量，通过坐标转换和固定安装向量补偿，得到同一坐标系、同一历元下的gnss候选位置、惯性参照位置及相应有效性标志；

57、所述联合特征计算模块，用于根据所述gnss候选位置坐标统一与杆臂补偿模块得到的gnss候选位置和惯性参照位置，通过计算绝对高程残差、相对高程残差和候选位置相对于曲率连续可达域的归一化距离，得到海面高程-曲率可达联合特征向量、安全位置候选及相应有效性标志；

58、所述自闭合因子计算模块，用于根据所述联合特征计算模块处理的当前gnss候选状态和相应有效性标志以及最近可信状态，通过计算正向可达代价、反向回锚代价和内部检查点接合代价，得到单锚双向虚拟自闭合因子及其有效性标志；

59、所述分层判断与结果处置模块，用于根据所述联合特征计算模块得到的联合特征向量进行第一层判断，并仅对第一层输出的待定候选点根据所述自闭合因子计算模块得到的单锚双向虚拟自闭合因子进行第二层复核，得到可信、飞点、待定或不可用状态以及相应回传结果；

60、所述可信反馈模块，用于根据所述分层判断与结果处置模块得到的可信样本，通过可信样本队列更新，得到供后续唤醒周期使用的运动边界、噪声尺度、自闭合权重和判断阈值。

61、有益效果：

62、1、本发明利用上一可信状态和短时mems imu构造与当前gnss历元对齐的参照，将绝对高程残差、相对高程残差和候选点相对曲率连续可达域的归一化距离组成海面高程-曲率可达联合约束。结论明确时直接输出可信或飞点；飞点、待定或不可用结果不上传原gnss位置，而回传安全位置或无效标记。由此可在终端既有传感器和短时运算条件下，同时提高垂向异常识别能力和正常曲线运动容纳能力。

63、2、本发明以最近可信状态为锚点、当前gnss候选点为虚拟终点，在同一物理运动边界下计算正向可达代价、反向回锚代价和内部检查点接合代价，并融合为单锚双向虚拟自闭合因子，以在当前周期输出可信、飞点或待定结论。仅将定位状态和关键字段有效、时间对齐与可用性校验通过，且经联合约束初判或必要的自闭合复核后最终判定为可信的样本纳入反馈队列，用于更新运动边界、噪声尺度、自闭合权重和判决阈值；飞点、待定、不可用及自闭合因子无效的样本不参与更新，从而形成判决、结果处置和可信反馈闭环。