◆王維圳 曾文浩

監(jiān)視雷達(dá)與無線電測向融合定位在水上交通中的綜合應(yīng)用

◆王維圳1曾文浩2

(1.中國交通通信信息中心智慧交通事業(yè)部, 北京 100011；2.中國電子科技集團(tuán)第二十八研究所, 江蘇 210007)

針對某些特殊情況下無法有效獲取船舶定位的問題，本文提出了利用監(jiān)視雷達(dá)與無線電測向融合定位的方法。首先介紹了監(jiān)視雷達(dá)以及無線電測向設(shè)備的定位性能以及在實際應(yīng)用中存在的問題，然后提出了一種雷達(dá)與無線電測向融合定位方法，利用時空校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、航跡融合等技術(shù)，實現(xiàn)多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合定位，并將該技術(shù)應(yīng)用于水上執(zhí)法和水上搜救中，有效提高了船舶定位精度。

無線電測向；融合定位；水上交通

0 引言

在水上交通管理中，通常運用船舶自動身份識別系統(tǒng)（AIS）來對船舶進(jìn)行定位和身份識別，獲取船舶的位置信息，并實現(xiàn)對船舶的跟蹤。但在某些特殊情況下，如當(dāng)目標(biāo)船舶為違法船舶時，通常會關(guān)掉船上的AIS設(shè)備，使相關(guān)單位無法有效的獲取目標(biāo)船舶的具體信息。因此，采用雷達(dá)、無線電測向等設(shè)備對目標(biāo)進(jìn)行主動識別，能夠有效解決此類問題。通過使用雷達(dá)設(shè)備，能夠有效檢測到目標(biāo)的位置、速度等信息，將這些信息在海圖上顯示出來，能夠使相關(guān)部門能夠直觀的對進(jìn)行目標(biāo)船舶進(jìn)行定位與跟蹤。無線電測向設(shè)備也能為目標(biāo)定位提供輔助定位信息，通過一定的算法將雷達(dá)數(shù)據(jù)與無線電測向數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而實現(xiàn)目標(biāo)的融合定位，能夠有效提高目標(biāo)的檢測精度，并在AIS設(shè)備等被動探測設(shè)備無法有效工作時，依然為海事業(yè)務(wù)提供目標(biāo)船舶定位服務(wù)[1,2]。

1 監(jiān)視雷達(dá)

場面監(jiān)視雷達(dá)通過發(fā)射電磁波照射目標(biāo)，并接受反射回波來確定目標(biāo)方位，同時通過接受回波在空間中的延遲來決定目標(biāo)與雷達(dá)的距離，測距公式為S=ct/2，其中S代表目標(biāo)的距離，c代表光速，t代表電磁波在空間中進(jìn)行傳遞所花費的時間，即雷達(dá)接受信號與發(fā)射信號的時間間隔。

目前海事中采用的場面監(jiān)視雷達(dá)，通常采用脈沖雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)兩種。其中脈沖雷達(dá)使用磁控管發(fā)射機，發(fā)射波形為短脈沖波形[4]。脈沖雷達(dá)經(jīng)過長時間的發(fā)展和應(yīng)用，目前已實現(xiàn)批量生產(chǎn)，性能較為穩(wěn)定，成本也得到了控制。脈沖壓縮雷達(dá)使用固態(tài)發(fā)射機，發(fā)射波形通常為線性調(diào)頻波形。通過使用脈沖壓縮技術(shù)對接收信號進(jìn)行壓縮，脈沖壓縮雷達(dá)能夠獲得較高的距離分辨率。同時，固態(tài)發(fā)射機使脈沖壓縮雷達(dá)不必使用需要頻繁檢測與更換的磁控管，因此降低了雷達(dá)的運行與維護(hù)成本。但相比與脈沖雷達(dá)，脈沖壓縮雷達(dá)使用了更先進(jìn)的技術(shù)，且目前大部分廠家沒有實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，因此導(dǎo)致了更高的成本。

場面監(jiān)視雷達(dá)能夠有效監(jiān)視水上通行船舶，獲得目標(biāo)的速度、位置等信息，能夠有效保障水上交通的安全，在船舶交通管理、漁政管理、海警執(zhí)法等海事業(yè)務(wù)中具有十分重要的地位。通過場面監(jiān)視雷達(dá)，相關(guān)部門能夠有效掌握水上船舶的分布，形成水上交通態(tài)勢的全面掌控。但是，場面監(jiān)視雷達(dá)在水上交通中的應(yīng)用也具有自身的局限性，當(dāng)船舶目標(biāo)距離雷達(dá)過近時，會處于雷達(dá)盲區(qū)中；當(dāng)船舶目標(biāo)距離雷達(dá)較遠(yuǎn)時，由于雷達(dá)角度分辨率的限制，會發(fā)生在雷達(dá)視頻中，表示船舶目標(biāo)的光斑出現(xiàn)展寬的現(xiàn)象；而且波浪起伏較高等環(huán)境中，目標(biāo)回波還會產(chǎn)生多徑效應(yīng)，將一個船舶目標(biāo)顯示為多個船舶目標(biāo)；同時，場面監(jiān)視雷達(dá)受限于雷達(dá)天線掃描周期，在一些應(yīng)用場景中，雷達(dá)無法實時的提供目標(biāo)狀態(tài)的變化情況，為很多業(yè)務(wù)例如救援、追查等工作帶來阻力。

2 無線電測向

無線電測向技術(shù)是一項根據(jù)電磁波在空間中的傳播特性，使用測向天線等相關(guān)儀器設(shè)備，以確定待檢測電磁波在空間中的傳播方向的技術(shù)[3]。目前比較成熟的無線電測向儀有單信道接收機體系統(tǒng)和多信道接收機兩種，其中，多信道接收機系統(tǒng)能夠同時接受和處理多個頻率，而單信道接收機一般只能接受一個頻率。采用單信道接收機的無線電測向系統(tǒng)需要能夠遠(yuǎn)程控制甚高頻信道，并且具有在預(yù)定義的信道列表中自動掃描信道的功能，同時在搜救等工作中，需要系統(tǒng)能夠有限掃描搜救信道；采用多信道接收機的無線電測向系統(tǒng)則需要使每個接收機都可以遠(yuǎn)程控制及選擇甚高頻信道，在具備單信道接收機的性能的同時，還需要所有接收機都能夠同時輸出檢測方位。無線電測向儀需要仔細(xì)計算天線的選址位置，并盡可能的保證天線安裝的穩(wěn)定性，以確保無線電測向儀的方位精度。天線的安裝高度也需要進(jìn)行仔細(xì)計算，以保證無線電測向儀能夠覆蓋到用戶所需的檢測范圍。

在水上交通管理中，通常采用無線電測向儀來對載有甚高頻通信設(shè)備的船舶或其他目標(biāo)進(jìn)行測向定位，實現(xiàn)對特定目標(biāo)空間位置的掌控。該項技術(shù)被稱為基于甚高頻通信的無線電測向技術(shù)（VHF-DF），使用該技術(shù)時，需要首先確定目標(biāo)船舶VHF設(shè)備的頻率范圍，然后進(jìn)步鎖定目標(biāo)船舶的無線電頻率，通過多個無線電測向基站對該目標(biāo)船舶形成多個指向方向并相交于一點，從而確定目標(biāo)在空間中的位置信息。無線電測向儀可以用來關(guān)聯(lián)甚高頻發(fā)射信號和一個特定目標(biāo)，從而識別目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)未安裝AIS設(shè)備并且無法用其他方式識別時，這種方法特別有用。但使用VHF-DF技術(shù)無法在船舶數(shù)量較多時完成對船舶的定位，因此限制了該項技術(shù)在水上交通中的廣泛應(yīng)用。

3 雷達(dá)與無線電測向融合定位

通過綜合應(yīng)用監(jiān)視雷達(dá)和VHF-DF定位水上目標(biāo)船舶，能夠有效解決雷達(dá)在某些區(qū)域中無法有有效定位目標(biāo)或定位失準(zhǔn)的問題，并消除雷達(dá)在進(jìn)行定位過程中多徑效應(yīng)所帶來的負(fù)面影響。使用雷達(dá)與無線電測向設(shè)備融合定位技術(shù)，在提高定位精度的同時，也能為海上執(zhí)法、海上搜救等業(yè)務(wù)中為相關(guān)部門帶來便利。

雷達(dá)數(shù)據(jù)與無線電測向數(shù)據(jù)屬于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，因此在融合定位的過程中，首先需要通過授時系統(tǒng)對各信息源的目標(biāo)進(jìn)行時間校準(zhǔn)；然后以統(tǒng)一的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)，將雷達(dá)數(shù)據(jù)與無線電測向數(shù)據(jù)進(jìn)行空間校準(zhǔn)[5]。在完成了時空校準(zhǔn)后，對雷達(dá)數(shù)據(jù)和無線電測向數(shù)據(jù)，需要將從雷達(dá)和無線電測向儀中收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議和格式變換，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，為后續(xù)的融合定位提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息。另外，需要對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷，通過最大機動范圍等門限的設(shè)定，來判斷同一目標(biāo)的不同數(shù)據(jù)的波動是否超出合理范圍，如果超出則需要將該數(shù)據(jù)舍棄。

在水上交通管理中，系統(tǒng)所需要處理的目標(biāo)往往為動態(tài)目標(biāo)，如船舶、隨水流飄動的落水人員等，因此在融合定位中，需要考慮目標(biāo)的航跡融合。在雷達(dá)與無線電測向融合定位中，可以采用最近鄰數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)法以及卡爾曼濾波器對目標(biāo)的航跡進(jìn)行融合處理。

最近鄰數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)法通過對航跡范圍設(shè)定門限，以限制和目標(biāo)航跡發(fā)生關(guān)聯(lián)的航跡數(shù)量，然后再通過各航跡對應(yīng)目標(biāo)的距離信息、航向信息、航速信息等求對應(yīng)的方差及相關(guān)統(tǒng)計值，用來判斷航跡是否融合。

在完成目標(biāo)的融合定位后，同時需要將目標(biāo)信息進(jìn)行管理，根據(jù)目標(biāo)的信息來源不同，在海圖上使用不同的符號進(jìn)行顯示，并用新的圖標(biāo)表示融合后的目標(biāo)，給用戶提供更直觀的數(shù)據(jù)顯示，并為用戶的決策提供技術(shù)支持。

4 綜合應(yīng)用

在水上交通管理中，通過綜合應(yīng)用監(jiān)視雷達(dá)與無線電測向技術(shù)，能夠消除雷達(dá)盲區(qū)帶來的負(fù)面影響，提高目標(biāo)距離雷達(dá)過遠(yuǎn)時所導(dǎo)致的目標(biāo)展寬情況，減少多徑效應(yīng)為目標(biāo)帶來的誤差，提高目標(biāo)跟蹤過程的實時性，消除無線電測向技術(shù)的局限性，從而拓寬了雷達(dá)定位與無線電測向定位的應(yīng)用范圍，使他們能夠被應(yīng)用于水上執(zhí)法、水上搜救等業(yè)務(wù)中。

在港口等業(yè)務(wù)繁忙的水域中，經(jīng)常有一些違法船舶偽造自身AIS信息及船舶身份，從事不正當(dāng)?shù)慕?jīng)濟活動。當(dāng)這些船舶被發(fā)現(xiàn)后，需要相關(guān)部門快速鎖定目標(biāo)，并進(jìn)行持續(xù)跟蹤，直到捕獲目標(biāo)船舶。但目標(biāo)船舶經(jīng)常采取一些過激行動，并關(guān)閉AIS等設(shè)備，為水上執(zhí)法帶來困難。而采用監(jiān)視雷達(dá)與無線電測向技術(shù)，能夠更有效的鎖定目標(biāo)船舶。

在水上執(zhí)法過程中，根據(jù)目標(biāo)船舶的相關(guān)特征信息，執(zhí)法人員首先可以應(yīng)用雷達(dá)鎖定目標(biāo)在海圖上的位置，并根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)測目標(biāo)船舶的運動特征，進(jìn)而估計出目標(biāo)船舶的運動范圍，從而制定執(zhí)法船舶對目標(biāo)船舶將要形成的包圍圈。然后，通過VHF等設(shè)備通知執(zhí)法船舶目標(biāo)船舶的運動范圍，并利用無線電測向設(shè)備綜合其他設(shè)備完成執(zhí)法船舶的實時定位，并根據(jù)目標(biāo)船舶的實際運動狀態(tài)，及時調(diào)整執(zhí)法船舶對目標(biāo)船舶的包圍圈，最終形成對目標(biāo)船舶的持續(xù)鎖定。通過雷達(dá)與無線電測向的綜合應(yīng)用，能夠大幅度提高水上執(zhí)法的效率，確保目標(biāo)船舶定位的準(zhǔn)確性以及跟蹤的持續(xù)性，保障水上船舶執(zhí)法的順利進(jìn)行。

水上搜救中一項直接影響到搜救結(jié)果的內(nèi)容就是搜救的反應(yīng)時間，如果救援船舶能夠以最快速度鎖定目標(biāo)，就能夠大幅度減少事故對人員生命安全產(chǎn)生的威脅。當(dāng)事故發(fā)生時，通過雷達(dá)第一時間鎖定事故地點，并利用無線電測向設(shè)備對事故船舶進(jìn)行實時跟蹤，通過雷達(dá)與無線電測向的融合定位，鎖定目標(biāo)的實時變化狀態(tài)，并指派相關(guān)船舶迅速趕往現(xiàn)場，從而有效縮短搜救的反應(yīng)時間，提高搜救成功率。

5 結(jié)論

在某些特殊情況下，水上船舶無法通過AIS設(shè)備確定船舶位置，需要通過監(jiān)視雷達(dá)完成目標(biāo)定。但監(jiān)視雷達(dá)在對水上目標(biāo)進(jìn)行定位的過程中，存在雷達(dá)盲區(qū)、遠(yuǎn)距離目標(biāo)展寬、多徑效應(yīng)等問題，而無線電測向技術(shù)則無法對大量目標(biāo)進(jìn)行定位，通過綜合監(jiān)視雷達(dá)與無線電測向技術(shù)，實現(xiàn)水上目標(biāo)的融合定位，能夠消除雷達(dá)、無線電測向在進(jìn)行定位過程中的局限性，提高目標(biāo)定位精度，能夠廣泛應(yīng)用于水上執(zhí)法、水上搜救等業(yè)務(wù)中。

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[2]李樹來,曹旭,張立仁.海洋平臺組塊的安裝[J].科技與創(chuàng)新, 2016.

[3]徐子久,韓俊英.無線電測向體制概述[J].中國無線電,2002.

[4]金文.場面監(jiān)視雷達(dá)的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國民用航空,2011.

[5]王玲,魏星,萬建偉,等.通過變維kalman濾波實現(xiàn)融合定位[J].國防科技大學(xué)學(xué)報,2005.