趙永剛

（91245部隊，遼寧葫蘆島,125001）

一種基于AIS信息的岸基警戒雷達標(biāo)校方法

趙永剛

（91245部隊，遼寧葫蘆島,125001）

本文介紹了AIS的功能組成、信息內(nèi)容，提出使用AIS信息為岸基警戒雷達進行精度標(biāo)校的方法，并通過某部岸基警戒雷達驗收試驗得到驗證，結(jié)果表明滿足岸基警戒雷達精度要求。

精度標(biāo)校； AIS；方法；岸基警戒雷達

0 引言

雷達標(biāo)校是準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和雷達數(shù)據(jù)組網(wǎng)融合的基本條件，但通用標(biāo)校設(shè)備價格高，使用受限。傳統(tǒng)標(biāo)校方法對場地使用，人員能力有特殊的要求，需要投入很多時間、人力和物力。因此需要一種新的標(biāo)校方法，既能方便簡單，又能滿足進度雷達精度要求。AIS系統(tǒng)由岸基設(shè)施和船載設(shè)備共同組成，是一種新型的集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、計算機技術(shù)、電子信息顯示技術(shù)為一體的數(shù)字助航系統(tǒng)和設(shè)備。目前，AIS信息已廣泛在各個方面使用。本文提出使用AIS信息為岸基警戒雷達進行精度標(biāo)校的方法，并通過實際應(yīng)用驗證了其可行性。

1 AIS系統(tǒng)綜述

AIS系統(tǒng)（海上船舶自動識別系統(tǒng)）配合全球定位系統(tǒng)（GPS）將船位、船速、改變航向率及航向等船舶動態(tài)結(jié)合船名、呼號、吃水及危險貨物等船舶靜態(tài)資料由甚高頻（VHF）頻道向附近水域船舶及岸臺廣播，使鄰近船舶及岸臺能及時掌握附近海面所有船舶之動靜態(tài)資訊，得以立刻互相通話協(xié)調(diào)，采取必要避讓行動，對船舶安全有很大幫助。

AIS系統(tǒng)分為船載和岸基兩種設(shè)備，船載設(shè)備傳輸船只的航信基本信息，岸基設(shè)備傳輸交管信息及其他船只信息。

AIS 消息提供三類數(shù)據(jù)，其中包含:

1.船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)，包含船名、呼號、MMSI、IMO、船舶類型、船長、船寬等;

2.船舶動態(tài)數(shù)據(jù)，包含經(jīng)度、緯度、船首向、航跡向、航速等;

3.船舶航程數(shù)據(jù)，包含船舶狀態(tài)，吃水，目的地、ETA等。

我們使用AIS系統(tǒng)接收機可以獲得眾多船只的實時信息，在標(biāo)校的過程中充分使用來自AIS系統(tǒng)發(fā)送的船只靜態(tài)和動態(tài)的信息，計算用來校準(zhǔn)目標(biāo)的距離和方向并將其記錄為校準(zhǔn)雷達測量數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)。

2 標(biāo)校基本原理

基于AIS信息的雷達標(biāo)校方法本質(zhì)上是一種GPS的標(biāo)校方法，但也有自己的特點，最突出的是需要雷達目標(biāo)軌跡和目標(biāo)的AIS軌跡相關(guān)。AIS的軌跡從本地AIS接收器接收并與雷達觀測軌跡相關(guān)聯(lián)，并且獲得軌跡之間的相關(guān)性。使用目標(biāo)船只的GPS數(shù)據(jù)和本地GPS定位數(shù)據(jù)來計算目標(biāo)船只相對于本地雷達的極坐標(biāo)作為雷達檢測目標(biāo)船的真實值。 雷達目標(biāo)軌跡和GPS目標(biāo)軌跡的時間—空間匹配和卡爾曼平滑。最后，通過雷達觀測得到的數(shù)據(jù)與匹配真值數(shù)據(jù)計算統(tǒng)計平均值和統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3 標(biāo)校系統(tǒng)

3.1 標(biāo)校系統(tǒng)組成

基于AIS的岸基警戒雷達標(biāo)校系統(tǒng)，包括硬件和軟件兩部分。系統(tǒng)組成如圖1所示。硬件部分主要由岸基警報雷達，AIS系統(tǒng)的接收機，GPS接收機和工業(yè)控制計算機組成。軟件部分主要跟蹤相關(guān)，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)程序。系統(tǒng)主要由三部分組成：定位信息接收子系統(tǒng)，岸基警報雷達檢測子系統(tǒng)和綜合數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。定位信息子系統(tǒng)接收兩個地點的GPS定位信息，并將兩個信息輸入計算機。雷達觀測子系統(tǒng)跟蹤校準(zhǔn)目標(biāo)并同時將觀測數(shù)據(jù)輸入到計算機中。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)提供航跡關(guān)聯(lián)模塊、誤差處理模塊和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)模塊。子系統(tǒng)通過同步串行通信連接。

圖1 標(biāo)校系統(tǒng)組成

3.2標(biāo)校數(shù)據(jù)采集

(2) 結(jié)合線網(wǎng)及建設(shè)規(guī)劃，梳理出換乘站合理的節(jié)點預(yù)留模式,并盡可能選擇靈活性較強的方案,減少廢棄工程;另外針對換乘車站進行多方案的討論、研究和比選，從而來選擇換乘功能最優(yōu)的方案。

本地GPS定位數(shù)據(jù)，目標(biāo)船GPS定位數(shù)據(jù)和雷達目標(biāo)探測數(shù)據(jù)三方面構(gòu)成了標(biāo)校數(shù)據(jù)采集：

（1）本地GPS數(shù)據(jù)：通過自帶GPS接收機數(shù)據(jù)定位，關(guān)鍵是設(shè)置數(shù)據(jù)采集率。為了便于對AIS數(shù)據(jù)進行時間和空間對準(zhǔn)的跟蹤，應(yīng)設(shè)置為高于AIS數(shù)據(jù)收集速率，通常為12秒。

（2）目標(biāo)船GPS數(shù)據(jù)：AIS接收附近海域的各種船只和沿?；景l(fā)送的船舶位置信息。觀察船只在屏幕上的分布情況，比較校準(zhǔn)范圍內(nèi)的目標(biāo)范圍和數(shù)據(jù)傳輸速率，選擇合理的目標(biāo)船來跟蹤和讀取數(shù)據(jù)。AIS數(shù)據(jù)傳輸速率一般不穩(wěn)定，發(fā)送速率通常與目標(biāo)船只航行狀態(tài)有關(guān)，其關(guān)系如表1所示。

（2）方位插值：數(shù)據(jù)沿軸分解的方向，其本質(zhì)是向量到標(biāo)量過程，當(dāng)方向連續(xù)變化時，數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸上的數(shù)據(jù)分量不斷變化，不發(fā)生較大的數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)，以滿足插值的先決條件，對數(shù)據(jù)進行常規(guī)插值的分解，然后重新組合數(shù)據(jù)的方向。 應(yīng)該注意的是合成方向的計算，其中數(shù)據(jù)確定象限。

4.2 航跡關(guān)聯(lián)與誤差融合

通常的關(guān)聯(lián)算法是在目標(biāo)跟蹤狀態(tài)下的點跡與航跡關(guān)聯(lián)，而標(biāo)校中的關(guān)聯(lián)不是基于跟蹤的航跡關(guān)聯(lián)，它是一種事后的靜態(tài)航跡與航跡關(guān)聯(lián)。而且用于關(guān)聯(lián)的AIS航跡不是完全來自于觀測，是由原始航跡插值后根據(jù)目標(biāo)運動狀態(tài)進行部分點跡平滑估計的偽航跡，這種關(guān)聯(lián)被稱為偽航跡關(guān)聯(lián)[5]。航跡關(guān)聯(lián)時，由于雷

表1 數(shù)據(jù)發(fā)送率與船舶狀態(tài)的關(guān)系

（3）雷達數(shù)據(jù)采集：將雷達設(shè)為一定的掃描周期，并采用半自動目標(biāo)錄取方式。由于雷達的系統(tǒng)誤差，AIS目標(biāo)不能直接在雷達顯示器上找到。需要使用光標(biāo)根據(jù)AIS提供的目標(biāo)參數(shù)定位目標(biāo)，包括船舶類型，噸位，數(shù)據(jù)，然后重新關(guān)聯(lián)。

3.3 GPS時間同步

標(biāo)校系統(tǒng)需嚴(yán)格保持各部分的時間同步。時間同步的精度直接影響標(biāo)校誤差校正的精度和最終標(biāo)校準(zhǔn)結(jié)果。對于最終校準(zhǔn)結(jié)果優(yōu)于8 m，每個接收系統(tǒng)與雷達的時間同步精度應(yīng)達到10 ms。

該系統(tǒng)使用GPS作為時間同步基準(zhǔn)，以實現(xiàn)各種設(shè)備之間的時間同步。 通用GPS設(shè)備具有50ns的時間精度和10s內(nèi)的時間同步穩(wěn)定性，平均隨機小于15ns，完全滿足校準(zhǔn)系統(tǒng)的要求[3]。GPS接收機不具備直接輸入所需的定時信號的功能，使用GPS接收機和廉價的高精度晶體振蕩器構(gòu)成一個穩(wěn)定的定時器。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

采集后的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理與分析包括：時間空間對準(zhǔn)、航跡關(guān)聯(lián)和誤差融合。這部分工作決定了雷達標(biāo)校的精度。

4.1 時間空間對準(zhǔn)

由于每個傳感器的數(shù)據(jù)接收率不同，所以要對接收的數(shù)據(jù)進行時間比較和對準(zhǔn)處理。在校準(zhǔn)時，需要兩個時空對準(zhǔn)。首先，GPS觀測數(shù)據(jù)和AIS接收數(shù)據(jù)的對齊，第二個是前面的計算與雷達數(shù)據(jù)的對齊。

前者的對準(zhǔn)精度要求很高，因此我們將增加本地GPS數(shù)據(jù)速率，要同一時間完成對準(zhǔn)，以避免推算位置時引進新的誤差。

后面的時空對準(zhǔn)是點軌道的非線性采樣數(shù)據(jù)問題。外推法與一般插值實現(xiàn)了數(shù)據(jù)線性，雷達數(shù)據(jù)于數(shù)據(jù)采樣相同。再濾除一些噪聲，利用目標(biāo)動態(tài)狀態(tài)對內(nèi)插數(shù)據(jù)進行卡爾曼平滑處理。然而，在雷達數(shù)據(jù)的內(nèi)插中有一個問題。距離插值滿足一般插值法，方位角的內(nèi)插不能使用一般的標(biāo)量內(nèi)插方法，因為方位角的變化不是唯一的，并且不遵循自相關(guān)的原理。

（1）距離插值：插值的關(guān)鍵是構(gòu)造一個近似函數(shù)。一般來說，拉格朗日，三次樣條和切比雪夫多項式用于內(nèi)插和擬合大時間跨度數(shù)據(jù)。然而，如果時間間隔過大，則許多有用的信息將丟失，并且內(nèi)插和擬合效果將不夠準(zhǔn)確。另外，在實踐中，我們應(yīng)該合理地選擇時間對準(zhǔn)內(nèi)插節(jié)點的數(shù)量。當(dāng)目標(biāo)以恒定速度移動一定時間時，時間對準(zhǔn)內(nèi)插點的數(shù)量越多，內(nèi)插精度越高。當(dāng)目標(biāo)運動改變時，對準(zhǔn)內(nèi)插節(jié)點的時間越少，內(nèi)插精度越高。所以當(dāng)我們使用多點拉格朗日插值時目標(biāo)沒有出現(xiàn)明顯的機動或轉(zhuǎn)向;如果有機動，選擇兩點插值;當(dāng)目標(biāo)大于12s的數(shù)據(jù)傳輸速率時，插值后用切比雪夫式擬合，比只使用一種方法更好。達存在系統(tǒng)誤差，在時間上可以和AIS航跡進行對準(zhǔn)，但空間數(shù)據(jù)無法完全對準(zhǔn)。雷達航跡與AIS航跡之間存在一個固定的距離和（或）方位上的平移和（或）旋轉(zhuǎn)。所以我們用信號相似性原理進行航跡關(guān)聯(lián)，假設(shè)兩航跡插值后的序列x (n)和y (n )，則：

當(dāng)兩個軌跡完全關(guān)聯(lián)時，由于兩個序列之間的線性誤差對相關(guān)系數(shù)幾乎沒有影響，因此比較相關(guān)系數(shù)，最大值對應(yīng)就是相關(guān)軌跡。軌跡融合我們使用最簡單的平均融合，可以消除部分隨機誤差。

4.3 注意事項

在AIS接收的多個目標(biāo)中，重要的是選擇合適的船只作為校準(zhǔn)目標(biāo)，這甚至可能影響最終校準(zhǔn)精度和校準(zhǔn)速度。目標(biāo)選擇主要有以下幾個方面：首先，選擇目標(biāo)距離適中，目標(biāo)太遠，雷達檢測范圍偏差增大。目標(biāo)距離不能太接近雷達回波太大無法確定其中心，引入過度偏差。一般選擇雷達1/3范圍內(nèi)的最大檢測范圍。其次，海面目標(biāo)的散射特性通常更復(fù)雜，并受海雜波和多徑效應(yīng)的影響。然而，如果不能準(zhǔn)確地確定目標(biāo)的散射中心，則會將誤差帶入計算結(jié)果。通常，選擇AIS的速度和航向相對穩(wěn)定，雷達顯示器上的目標(biāo)接近目標(biāo)回波或目標(biāo)回波，回波穩(wěn)定。

另外，GPS天線的架設(shè)也很重要。GPS的天線容易受無線電設(shè)備、電子設(shè)備和多路徑效應(yīng)的干擾，影響接收機的接收和解碼。同時考慮建筑物較多，對 GPS信號會產(chǎn)生遮擋，一般認為GPS 精度會下降，且工作不可靠。所以應(yīng)將 GPS 天線盡量架設(shè)到高處，離開其它電子設(shè)備一段距離的相對開闊地帶。

5 試驗數(shù)據(jù)

結(jié)合某部岸基警戒雷達驗收，利用本標(biāo)校方法對距離測量精度和方位測量精度標(biāo)校。數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表2所示。誤差結(jié)果均小于設(shè)計指標(biāo)，滿足正常工作使用。

表2 距離測量精度和方位測量精度試驗結(jié)果

6 結(jié)論

隨著岸基警戒雷達的數(shù)量越來越多，而且機動雷達轉(zhuǎn)場頻繁，每次展開后都需要進行標(biāo)校。使用AIS信息標(biāo)校雷達和精度檢測方便靈活，不受傳統(tǒng)方法的人力物力限制，將成為岸基警戒雷達的標(biāo)校和精度檢測的最佳方法。

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A Calibration Method of Alert Based Radar for Shore Based Radar

Zhao Yonggang
（Unit 91245 of PLA , Liaoning Huludao,125001）

This paper introduces the functional composition and information content of AIS, and proposes a method of calibrating calibration accuracy for shore-based warning radar using AIS information. It is verified by a certain bank-based warning radar acceptance test. The results show that the accuracy of shore- Claim.

precision calibration; AIS; method; shore-based warning radar

趙永剛（1985—），男，本科，工程師，主要研究方向信號處理。