監(jiān)視雷達與無線電測向融合定位在水上交通中的綜合應用

◆王維圳 曾文浩

監(jiān)視雷達與無線電測向融合定位在水上交通中的綜合應用

◆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)視雷達與無線電測向融合定位的方法。首先介紹了監(jiān)視雷達以及無線電測向設備的定位性能以及在實際應用中存在的問題，然后提出了一種雷達與無線電測向融合定位方法，利用時空校準、數(shù)據(jù)標準化、航跡融合等技術，實現(xiàn)多元異構數(shù)據(jù)的融合定位，并將該技術應用于水上執(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，如當目標船舶為違法船舶時，通常會關掉船上的AIS設備，使相關單位無法有效的獲取目標船舶的具體信息。因此，采用雷達、無線電測向等設備對目標進行主動識別，能夠有效解決此類問題。通過使用雷達設備，能夠有效檢測到目標的位置、速度等信息，將這些信息在海圖上顯示出來，能夠使相關部門能夠直觀的對進行目標船舶進行定位與跟蹤。無線電測向設備也能為目標定位提供輔助定位信息，通過一定的算法將雷達數(shù)據(jù)與無線電測向數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，從而實現(xiàn)目標的融合定位，能夠有效提高目標的檢測精度，并在AIS設備等被動探測設備無法有效工作時，依然為海事業(yè)務提供目標船舶定位服務[1,2]。

1 監(jiān)視雷達

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

目前海事中采用的場面監(jiān)視雷達，通常采用脈沖雷達、脈沖壓縮雷達兩種。其中脈沖雷達使用磁控管發(fā)射機，發(fā)射波形為短脈沖波形[4]。脈沖雷達經(jīng)過長時間的發(fā)展和應用，目前已實現(xiàn)批量生產，性能較為穩(wěn)定，成本也得到了控制。脈沖壓縮雷達使用固態(tài)發(fā)射機，發(fā)射波形通常為線性調頻波形。通過使用脈沖壓縮技術對接收信號進行壓縮，脈沖壓縮雷達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不必使用需要頻繁檢測與更換的磁控管，因此降低了雷達的運行與維護成本。但相比與脈沖雷達，脈沖壓縮雷達使用了更先進的技術，且目前大部分廠家沒有實現(xiàn)大規(guī)模生產，因此導致了更高的成本。

場面監(jiān)視雷達能夠有效監(jiān)視水上通行船舶，獲得目標的速度、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)務中具有十分重要的地位。通過場面監(jiān)視雷達，相關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)視雷達在水上交通中的應用也具有自身的局限性，當船舶目標距離雷達過近時，會處于雷達盲區(qū)中；當船舶目標距離雷達較遠時，由于雷達角度分辨率的限制，會發(fā)生在雷達視頻中，表示船舶目標的光斑出現(xiàn)展寬的現(xiàn)象；而且波浪起伏較高等環(huán)境中，目標回波還會產生多徑效應，將一個船舶目標顯示為多個船舶目標；同時，場面監(jiān)視雷達受限于雷達天線掃描周期，在一些應用場景中，雷達無法實時的提供目標狀態(tài)的變化情況，為很多業(yè)務例如救援、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儀器設備，以確定待檢測電磁波在空間中的傳播方向的技術[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)需要能夠遠程控制甚高頻信道，并且具有在預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行仔細計算，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備的船舶或其他目標進行測向定位，實現(xiàn)對特定目標空間位置的掌控。該項技術被稱為基于甚高頻通信的無線電測向技術（VHF-DF），使用該技術時，需要首先確定目標船舶VHF設備的頻率范圍，然后進步鎖定目標船舶的無線電頻率，通過多個無線電測向基站對該目標船舶形成多個指向方向并相交于一點，從而確定目標在空間中的位置信息。無線電測向儀可以用來關聯(lián)甚高頻發(fā)射信號和一個特定目標，從而識別目標。當目標未安裝AIS設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在水上交通中的廣泛應用。

3 雷達與無線電測向融合定位

通過綜合應用監(jiān)視雷達和VHF-DF定位水上目標船舶，能夠有效解決雷達在某些區(qū)域中無法有有效定位目標或定位失準的問題，并消除雷達在進行定位過程中多徑效應所帶來的負面影響。使用雷達與無線電測向設備融合定位技術，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)務中為相關部門帶來便利。

雷達數(shù)據(jù)與無線電測向數(shù)據(jù)屬于多源異構數(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)對各信息源的目標進行時間校準；然后以統(tǒng)一的坐標系為基準坐標系統(tǒng)，將雷達數(shù)據(jù)與無線電測向數(shù)據(jù)進行空間校準[5]。在完成了時空校準后，對雷達數(shù)據(jù)和無線電測向數(shù)據(jù)，需要將從雷達和無線電測向儀中收集的數(shù)據(jù)進行協(xié)議和格式變換，轉換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，為后續(xù)的融合定位提供標準數(shù)據(jù)信息。另外，需要對數(shù)據(jù)的準確性進行判斷，通過最大機動范圍等門限的設定，來判斷同一目標的不同數(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)所需要處理的目標往往為動態(tài)目標，如船舶、隨水流飄動的落水人員等，因此在融合定位中，需要考慮目標的航跡融合。在雷達與無線電測向融合定位中，可以采用最近鄰數(shù)據(jù)關聯(lián)法以及卡爾曼濾波器對目標的航跡進行融合處理。

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

在完成目標的融合定位后，同時需要將目標信息進行管理，根據(jù)目標的信息來源不同，在海圖上使用不同的符號進行顯示，并用新的圖標表示融合后的目標，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支持。

4 綜合應用

在水上交通管理中，通過綜合應用監(jiān)視雷達與無線電測向技術，能夠消除雷達盲區(qū)帶來的負面影響，提高目標距離雷達過遠時所導致的目標展寬情況，減少多徑效應為目標帶來的誤差，提高目標跟蹤過程的實時性，消除無線電測向技術的局限性，從而拓寬了雷達定位與無線電測向定位的應用范圍，使他們能夠被應用于水上執(zhí)法、水上搜救等業(yè)務中。

在港口等業(yè)務繁忙的水域中，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?shù)慕?jīng)濟活動。當這些船舶被發(fā)現(xiàn)后，需要相關部門快速鎖定目標，并進行持續(xù)跟蹤，直到捕獲目標船舶。但目標船舶經(jīng)常采取一些過激行動，并關閉AIS等設備，為水上執(zhí)法帶來困難。而采用監(jiān)視雷達與無線電測向技術，能夠更有效的鎖定目標船舶。

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

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

5 結論

在某些特殊情況下，水上船舶無法通過AIS設備確定船舶位置，需要通過監(jiān)視雷達完成目標定。但監(jiān)視雷達在對水上目標進行定位的過程中，存在雷達盲區(qū)、遠距離目標展寬、多徑效應等問題，而無線電測向技術則無法對大量目標進行定位，通過綜合監(jiān)視雷達與無線電測向技術，實現(xiàn)水上目標的融合定位，能夠消除雷達、無線電測向在進行定位過程中的局限性，提高目標定位精度，能夠廣泛應用于水上執(zhí)法、水上搜救等業(yè)務中。

[1]王珂,惠新成,張遙.近岸海上安?？焱r截任務分配模型[J].指揮信息系統(tǒng)與技術,2018.

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[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)視雷達的應用與發(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].國防科技大學學報,2005.