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基于LSTM和海图约束的舰船航迹预测方法

赵汝健 杨威 巫震宇 曾虹程 陈杰 马雷

赵汝健,杨威,巫震宇,等. 基于LSTM和海图约束的舰船航迹预测方法[J]. 北京麻豆精品秘 国产传媒学报,2025,51(10):3424-3432 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0516
引用本文: 赵汝健,杨威,巫震宇,等. 基于LSTM和海图约束的舰船航迹预测方法[J]. 北京麻豆精品秘 国产传媒学报,2025,51(10):3424-3432 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0516
ZHAO R J,YANG W,WU Z Y,et al. Ship track prediction method based on LSTM and nautical chart constraints[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(10):3424-3432 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0516
Citation: ZHAO R J,YANG W,WU Z Y,et al. Ship track prediction method based on LSTM and nautical chart constraints[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(10):3424-3432 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0516

基于LSTM和海图约束的舰船航迹预测方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0516
基金项目: 

国家自然科学基金(62271028,62101014)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail: yangweigigi@sina.com

  • 中图分类号: V221+.3;TB553

Ship track prediction method based on LSTM and nautical chart constraints

Funds: 

National Natural Science Foundation of China (62271028,62101014)

More Information
  • 摘要:

    针对现有方法对舰船航迹尤其是对具有点位稀疏、灵活机动特征的军用舰船进行预测时,航迹特征提取不完整、预测准确性与可靠性不理想的情况,综合考虑航迹的多维度特性、航迹间关联特征及舰船海上航行海图约束(NCC)等,基于船舶自动识别系统(AIS)数据提出一种改进的长短期记忆(LSTM)人工神经网络舰船位置预测方法。针对军用舰船航迹特点,预测时将历史航迹通过三次样条插值的方法生成等间隔点位数据;通过航行区域地图栅格化处理,定义可通航栅格,建立海图约束来提升预测效果。基于LSTM设计网络时,通过设置自定义损失函数、预测点位进行栅格匹配等方法将海图约束融入模型训练和预测过程。基于南海海域AIS数据的仿真实验结果表明:所构建的网络可以有效地预测舰船航迹,尤其是对于具有高度机动性的军用舰船。与传统预测方法相比,所提方法在预测准确性和预测可靠性2个方面均有所改善。

     

  • 图 1  数据处理流程

    Figure 1.  Data processing flow

    图 2  三次样条插值法效果

    Figure 2.  Effect of cubic spline interpolation

    图 3  栅格划分标准

    Figure 3.  Grid division standard

    图 4  数据聚类处理效果对比

    Figure 4.  Comparison of data clustering processing results

    图 5  南海海域可通航环境分布

    Figure 5.  Distribution of navigable environment in the South China Sea

    图 6  基于LSTM和海图约束的舰船航迹预测模型

    Figure 6.  Ship trajectory prediction model based on LSTM and nautical chart constraints

    图 7  航迹预测(单步)的可视化效果

    Figure 7.  Visualization of track prediction (single step)

    图 8  航迹预测(多步)距离误差对比

    Figure 8.  Track prediction (multi-step) distance error comparison

    表  1  网络参数设置

    Table  1.   Network parameter settings

    参数数值
    隐藏层节点数108
    训练轮数200
    批大小64
    Dropout0.3
    最小学习率0.001
    下载: 导出CSV

    表  2  不同方法结果对比

    Table  2.   Comparison of results of different methods

    对比参数 方法 经度/(°) 维度/(°) 航速/(m·s−1) 航向/(°) 点位距离/km
    MSE BP 0.0357 0.0193 0.0949 78.7890 637.3890
    LSTM 0.0099 0.0012 0.0972 61.2626 113.7072
    本文方法 0.0005 0.0007 0.0851 34.1310 13.5272
    最大误差 BP 0.2571 0.2827 0.9429 55.8103 35.8939
    LSTM 0.1559 0.0657 0.9872 62.2083 17.0231
    本文方法 0.1515 0.0242 0.7280 32.0447 18.4168
    最小误差 BP 0.0294 0.0005 0.0005 0.0226 10.9806
    LSTM 0.0336 0.0004 0.0006 0.0318 6.8273
    本文方法 0.0001 0.0001 0.0005 0.0135 0.5031
    平均误差 BP 0.1811 0.1228 0.1119 4.9629 23.9867
    LSTM 0.0980 0.0123 0.1066 4.0758 10.5349
    本文方法 0.0133 0.0082 0.0887 3.1775 2.7426
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-08
  • 录用日期:  2023-12-29
  • 网络出版日期:  2024-01-23
  • 整期出版日期:  2025-10-31

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