一种基于时空特征的多源导助航信息融合方法及系统

技术领域

本发明涉及海事导助航服务技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于时空特征的多源导助航信息融合方法及系统。

背景技术

海事导助航信息是保障船舶航行安全，开展水上交通组织管理的基础数据。随着各种新型导助航技术的不断涌现和发展，如甚高频数据交换系统(VDES)、海上数字广播(NAVDAT)等，导助航系统和服务得到了进一步地补充完善。但是由于现有导助航系统彼此独立，缺乏融合协调机制，使各种导助航信息难以融合，严重影响港口、沿海导助航服务精准度，同时也无法及时响应深远海导助航需求。因此，构建高可信的综合导助航服务支撑体系既符合e航海岸基一体化管理的发展方向，又是未来海事服务的必然趋势。时空统一、基准一致、高可信的导助航信息是构建综合导助航服务支撑体系的基石，是提供高质量综合导助航服务的前提。

然而目前导助航信息来源于不同的导助航系统和外部数据源，由于各个导助航系统时间不同步，数据基准不同，存在导助航信息时空不统一、甚至彼此有冲突等问题，很难为船舶航行和安全监管提供高可信统一的综合导助航服务。

发明内容

本发明提供一种基于时空特征的多源导助航信息融合方法及系统，以克服现有技术存在的不同来源的数据由于时间不同步和数据基准不同，导致导助航信息时空不统一、彼此冲突的技术问题，为综合导助航服务提供高可信的时空统一的导助航数据。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于时空特征的多源导助航信息融合方法，包括以下步骤：

获取来自不同导助航系统和数据源的导助航数据，对获取的导助航数据进行解析，判断解析后的导助航数据是否正常；

对判断结果正常的数据按照信息类型进行分类；

对分类后的导助航数据进行合理性检验，包括对数据取值范围进行检验以及对作用时间有效性进行检验；

对通过合理性检验的多源异构同类数据进行空间一致性和时间一致性校准；

对通过一致性校准的多源异构同类数据进行数据融合，从而生成融合后的导助航数据；

对融合后的导助航数据进行完好性评估，根据预设的完好性指标参数，计算完好性等级，结合预设的数据完好性等级评价标准输出满足不同用户需求的导助航数据；

针对不同海事业务导助航需求，对满足用户需求的导助航数据按需进行格式化分发和存储，为综合导助航服务平台提供融合后标注有完好性等级的导助航数据。

进一步地，对判断结果正常的数据按照信息类型进行分类，包括：按照船舶相关信息、航路相关信息、航行安全相关信息以及水文气象相关信息进行分类。

进一步地，对分类后的导助航数据进行合理性检验，包括：通过监测滑动时间窗口内的均值和方差对导助航数据进行检验。

进一步地，所述方法还包括：在多源导助航信息融合处理过程中，对接收到报警信息进行数据告警处理，对告警信息进行分级和分类处理，并根据综合导助航服务平台的反馈管理告警状态。

进一步地，在多源导助航信息融合处理过程中，需对接收到报警信息进行数据告警处理，包括以下情况的至少一种：

对判断结果不正常的导助航数据进行数据告警；

对不通过合理性检验的多源异构同类数据进行数据告警；

对不通过一致性校准的多源异构同类数据进行数据告警；

对不通过完好性评估的多源异构同类数据进行数据告警。

本发明还提供了一种基于时空特征的多源导助航信息融合系统，包括：

多源导助航数据获取单元，其用于获取来自不同导助航系统和数据源的导助航数据，对获取的导助航数据进行解析，判断解析后的导助航数据是否正常；

分类处理单元，其用于对判断结果正常的数据按照信息类型进行分类；

合理性检验单元，其用于对分类后的导助航数据进行合理性检验，包括对数据取值范围进行检验以及对作用时间有效性进行检验；

一致性校准单元，其用于对通过合理性检验的多源异构同类数据进行空间一致性和时间一致性校准；

数据融合单元，其用于对通过一致性校准的多源异构同类数据进行数据融合，从而生成融合后的导助航数据；

完好性评估单元，其用于对融合后的导助航数据进行完好性评估，根据预设的完好性指标参数，计算完好性等级，结合预设的数据完好性等级评价标准输出满足不同用户需求的导助航数据；

导助航数据输出单元，其用于针对不同海事业务导助航需求，对满足用户需求的导助航数据按需进行格式化分发和存储，为综合导助航服务平台提供融合后标注有完好性等级的导助航数据。

进一步地，所述系统还包括数据警告单元，其用于在多源导助航信息融合处理过程中，对接收到报警信息进行数据告警处理，对告警信息进行分级和分类处理，并根据综合导助航服务平台的反馈管理告警状态。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明依托现有导助航系统和其他外部数据源，基于多源异构导助航数据的时空特征，在时空一致性校准的基础上实现导助航信息融合，能够为综合导助航服务平台提供标注有完好性等级的导助航数据，为管理者提供统一的监管基础，保障船舶航行安全，全面支撑海上交通组织和精准时空海事服务。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于时空特征的多源导助航信息融合方法流程图。

图2为本发明基于时空特征的多源导助航信息融合系统结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种基于时空特征的多源导助航信息融合方法，包括以下步骤：

S1、获取来自不同导助航系统和数据源的导助航数据，对获取的导助航数据进行解析，判断解析后的导助航数据是否正常。

具体来说，该步骤主要接收来自外部不同导助航系统和其他外部数据源的各类导助航数据。其中，外部导助航系统包括RBN-DGNSS系统、海事CORS系统、AIS系统、Navtex系统等；其他外部数据源包括船舶登记数据库、航标基础数据库、通航环境数据库、电子海图等；不同导助航系统提供的导助航数据包括系统发送的各类报文信息、系统运行状态监测信息等。若解析的各类导助航报文信息和系统运行状态监测信息都正常，则转到S2。若解析的各类导助航数据存在异常，如报文数据长度不符合要求、报文数据校验错误、系统运行状态报警等，则转到S8。

S2、对判断结果正常的数据按照信息类型进行分类。

具体来说，对输入的各类导助航数据按照信息类型进行分类，具体包括船舶相关信息、航路相关信息、航行安全相关信息、水文气象相关信息等。其中，船舶相关信息可进一步细分为船舶静态信息、船舶动态信息、船舶航程信息等；航路相关信息可进一步细分为包括航标信息、航道信息、碍航物信息等；航行安全相关信息可进一步细分为航行警告、航标动态等；水文气象相关信息可进一步细分为实时水文信息、预告水文信息、实时气象信息、预告气象信息等。

S3、对分类后的导助航数据进行合理性检验，包括对数据取值范围进行检验以及对作用时间有效性进行检验等。

具体来说，对分类后的各类导助航数据进行合理性检验，包括数据取值范围、作用时间有效性等，也可通过均值和方差的监测来进行合理性判断。需要判断各种类型导助航数据的取值范围是否合理，如空间信息中的经度数据是否为-90°至90°，空间信息中的纬度数据是否为-180°至180°等；对于时效性导助航数据，如航行警告等，需要判断是否仍在有效的作用时间内；对于存在时间相关性数据，如船舶动态数据、水文数据、气象数据等，通过监测其滑动时间窗口内的均值和方差是否超过门限来判断其合理性。若数据通过合理性检验，则将相应的导助航数据转到S4；若数据未通过合理性检验，则将该类数据对应的数据源、未通过合理性检验的原因等内容转到S8。

S4、对通过合理性检验的多源异构同类数据进行空间一致性和时间一致性校准。

具体来说，优选将所有的时空导助航数据都校准至以北斗卫星导航系统的坐标系统和时间系统基准下，即空间信息采用北斗坐标系，时间信息采用北斗时。结合多源异构同类数据的时间特征和空间特征对数据的时空一致性进行比对，若在预定门限内，则数据通过一致性校准，转到S5。如超过预定门限，则该类数据未通过一致性校准，则在后续融合处理中排除该类数据，并将该类数据对应的数据源、未通过一致性校准的原因等内容转到S8。

S5、对通过一致性校准的多源异构同类数据进行数据融合，从而生成融合后的导助航数据。

具体来说，对多源异构同类导助航数据进行融合，可利用自适应加权平均、α-β滤波估计、卡尔曼滤波估计、贝叶斯估计等不同的数据融合算法进行处理，并输出融合后的导助航数据至S6。

S6、对融合后的导助航数据进行完好性评估，根据预设的完好性指标参数，计算完好性等级，结合预设的数据完好性等级评价标准输出满足不同用户需求的导助航数据。

具体来说，对融合后的导助航数据进行完好性评估，根据预先设定的完好性指标参数，计算完好性等级。完好性指标参数包括报警限制、报警时间、完好性风险等，可以根据经验事先手动设定，也可基于先验数据自动计算。融合后的导助航数据完好性等级可分为高、中、低、无四级。如数据完好性等级为高或者中时，转到S7。如数据完好性等级为低或者无时，将融合后的数据及其对应的完好性等级转到S8。

S7、针对不同海事业务导助航需求，对满足用户需求的导助航数据按需进行格式化分发和存储，为综合导助航服务平台提供融合后标注有完好性等级的导助航数据。

具体来说，针对不同海事业务导助航需求，对融合后标注有完好性评估信息的导助航数据按需进行格式化分发和存储，为综合导助航服务平台提供融合后标注有完好性等级的导助航数据。如针对船舶进出港业务，可提供完好性等级高的高精度船舶动态位置数据；针对深远海船舶监控业务，可提供完好性等级中的一般船舶动态位置数据。

进一步地，所述方法还包括：

S8、在多源导助航信息融合处理过程中，对接收到报警信息进行数据告警处理，对告警信息进行分级和分类处理，并根据综合导助航服务平台的反馈管理告警状态。进一步地，在多源导助航信息融合处理过程中，需对接收到报警信息进行数据告警处理，包括以下情况的至少一种：

a.对判断结果不正常的导助航数据进行数据告警；

b.对不通过合理性检验的多源异构同类数据进行数据告警；

c.对不通过一致性校准的多源异构同类数据进行数据告警；

d.对不通过完好性评估的多源异构同类数据进行数据告警。

具体来说，在多源导助航信息融合处理过程中，需对接收到报警信息进行数据告警处理，对告警信息进行分级和分类处理。对于S1解析处理输出的各类导助航系统上报的告警，告警来源为数据解析类告警，进行分类分级后直接转发至综合导助航服务平台。对于S3数据合理性检验、S4数据一致性校准、S6数据完好性评估过程中，如果发现任何数据的异常情况，则需要对告警相关数据进行分析处理，根据告警来源对告警进行分类分级，并输出至综合导助航服务平台。告警来源可分为合理性告警、一致性告警、完好性告警等；根据信息来源可分为船位类、安全信息类、系统类等；根据告警严重程度可分为警报、告警、警示等。警报需要立即予以处理，告警如不进一步处理即会演变为警报，警示则为需要引起注意的信息，上述级别间可以互相转换。并根据综合导助航服务平台的反馈信息对告警状态进行管理，具体包括未被确认激活的告警、确认激活的告警、调整激活的告警、取消的告警等。

本发明还公开了一种基于时空特征的多源导助航信息融合系统，包括：多源导助航数据获取单元、分类处理单元、合理性检验单元、一致性校准单元、数据融合单元、完好性评估单元、导助航数据输出单元以及数据警告单元。具体来说：

多源导助航数据获取单元，其用于获取来自不同导助航系统和其他外部数据源的导助航数据，对获取的导助航数据进行解析，判断解析后的导助航数据是否正常。其中，外部导助航系统包括RBN-DGNSS系统、海事CORS系统、AIS系统、Navtex系统等；其他外部数据源包括船舶登记数据库、航标基础数据库、通航环境数据库、电子海图等。根据数据来源的不同按照相应的数据格式标准对输入数据进行解析处理，如RBN-DGNSS系统参照RTCMSC10402.3标准格式，AIS系统参照IEC 62320-2标准格式。

分类处理单元，其用于对判断结果正常的数据按照信息类型进行分类。具体包括船舶相关信息、航路相关信息、航行安全相关信息、水文气象相关信息等四大类。每一大类又可进一步细分为小类。船舶相关信息可进一步细分为船舶静态信息、船舶动态信息、船舶航程信息等；航路相关信息可进一步细分为包括航标信息、航道信息、碍航物信息等；航行安全相关信息可进一步细分为航行警告、航标动态等；水文气象相关信息可进一步细分为实时水文信息、预告水文信息、实时气象信息、预告气象信息等。

合理性检验单元，其用于对分类后的导助航数据进行合理性检验，包括数据取值范围、作用时间有效性等，也可通过监测滑动时间窗口内的均值和方差来进行合理性判断。若数据通过合理性检验，则将该类数据输出给所述的数据一致性校准单元；若数据未通过合理性检验，则将该类数据及其未通过合理性检验的原因输出给所述的数据告警处理单元。

一致性校准单元，其用于对通过合理性检验的多源异构同类数据进行空间一致性和时间一致性校准。具体来说，首先将所有的时空导助航数据都校准至北斗卫星导航系统时空基准下，即空间信息都采用北斗坐标系，时间信息采用北斗时。再利用多源异构同类数据时间特征和空间特征比对等方式对经过数据合理性检验单元处理后的各类导助航信息在同一时空基准下进行数据一致性校准，支持同类型数据间的校验、容错等处理。若数据通过一致性校准，则将该类数据输出给所述的多源异构数据融合单元；若数据未通过一致性校准，则在后续所述的多源异构数据融合单元处理中排除该类数据，并将该类数据对应的数据源、未通过一致性校准的原因等内容输出给所述的数据告警处理单元。

数据融合单元，其用于对通过一致性校准的多源异构同类数据进行数据融合，从而生成融合后的导助航数据。具体来说，可采用自适应加权平均、α-β滤波估计、卡尔曼滤波估计、贝叶斯估计等算法，产生融合后的导助航数据。

完好性评估单元，其用于对融合后的导助航数据进行完好性评估，根据预设的完好性指标参数，计算完好性等级，结合预设的数据完好性等级评价标准输出满足不同用户需求的导助航数据。具体来说，利用预先手动或自动设定的完好性指标参数，如报警限制、报警时间、完好性风险等，对经过多源异构数据融合单元处理后的综合导助航数据进行数据完好性评估，并标注完好性等级，如高、中、低、无四级。若评估的数据完好性等级为低或者无时，不满足用户需求，则将融合后的数据及其对应的完好性等级输出给所述的数据告警处理单元进行处理。若评估的数据完好性等级为高或者中时，满足用户需求，则将融合后标注有完好性评估信息的导助航数据输出给所述的导助航数据输出单元。

导助航数据输出单元，其用于针对不同海事业务导助航需求，对满足用户需求的导助航数据按需进行格式化分发和存储，为综合导助航服务平台提供融合后标注有完好性等级的导助航数据。具体来说，按照沿海、港口、深远海海事业务导助航服务的不同需要，对融合后标注有完好性等级的导助航数据进行格式化分发和存储，供综合导助航服务平台不同海事业务使用。

进一步地，所述系统还包括数据警告单元，其用于在多源导助航信息融合处理过程中，对接收到报警信息进行数据告警处理，对告警信息进行分级和分类处理，并根据综合导助航服务平台的反馈管理告警状态。具体来说，该单元用于处理其他单元发现的各种告警信息，并对告警进行分级分类，通过综合导助航服务平台提醒海事监管人员，并根据海事监管人员的反馈设置告警状态。对于多源导助航数据获取单元输出的各类导助航系统上报的报警，进行分级后直接转发至综合导助航服务平台。在数据合理性检验、数据一致性校准、数据完好性评估过程中，如果发现任何数据异常情况，数据告警处理单元对告警进行分析处理，根据告警来源对告警进行分类分级后输出至综合导助航服务平台。

其中，数据警告单元中的告警状态包括：未被确认激活的、确认激活的、调整激活的、取消的等。数据警告单元中的告警来源包括：数据解析类告警、合理性告警、一致性告警、完好性告警等。数据警告单元中的告警分级包括：警报、告警、警示等，且上述告警分级之间可以互相转换。数据警告单元中的告警分类包括：船位类、安全信息类、系统类等。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。