固態(tài)雷達(dá)+虛擬AIS： 解決船舶可見最后盲點

毛新健 任子俊

摘要：為了保障船舶航行安全，降低船舶碰撞風(fēng)險，解決惡劣天氣能見度不良情況下，AIS船舶與未安裝AIS船舶可見的最后盲點，東海航海保障中心在洋山港開展基于固態(tài)雷達(dá)+虛擬AIS的小目標(biāo)系統(tǒng)試點建設(shè)。

關(guān)鍵詞：固態(tài)雷達(dá);虛擬AIS

為保障船舶航行安全，維護(hù)船舶通航秩序，降低船舶碰撞風(fēng)險，船舶可見無疑是最主要的保障手段。隨著信息技術(shù)發(fā)展，船舶可見也由原始的目視可見發(fā)展為在信息系統(tǒng)中實現(xiàn)船舶可見，極大擴(kuò)展了船舶可見范圍，而雷達(dá)和AIS無疑是實現(xiàn)船舶可見的兩大關(guān)鍵系統(tǒng)。雷達(dá)依托發(fā)射電磁波對范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至雷達(dá)間的距離、距離變化率、方位、高度等信息，即發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定空間位置，從而提供給航行船舶或海事監(jiān)管實現(xiàn)目標(biāo)可見。AIS船舶自動識別系統(tǒng)，通過GPS將船位、船速、航向等船舶動態(tài)信息，結(jié)合船名、呼號、裝載貨物等船舶靜態(tài)資料，由VHF甚高頻向附近水域廣播，使鄰近船舶及岸臺能及時掌握附近水域所有船舶信息，從而實現(xiàn)船舶可見，有效保障船舶航行安全。

盡管雷達(dá)和AIS已是目前實現(xiàn)船舶可見最主流的信息系統(tǒng)，但都存在著一定缺陷。傳統(tǒng)航海雷達(dá)使用最為廣泛的脈沖磁控管雷達(dá)，在雨雪海浪天氣條件下雷達(dá)回波中的雜波剔除能力不如人意，因此惡劣天氣情況下，對快速移動中的小目標(biāo)難以精確探測，無法實現(xiàn)周邊水域船舶目標(biāo)完全可見。至于AIS，盡管不受天氣狀況影響，但由于國際海事組織以及我國海事部門盡管已對各類船舶強(qiáng)制性安裝AIS終端作了明確要求，但目前仍不是所有船舶都安裝了AIS終端，安裝了AIS終端船舶和并未安裝AIS終端船舶無法依托AIS實現(xiàn)可見，仍然存在最后盲點。

盡管在常規(guī)情況下，通過現(xiàn)有雷達(dá)和AIS系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)船舶可見，有效降低船舶碰撞風(fēng)險，但在一些特殊水域，如上海洋山港，船舶流量密集，各類船舶聚集交匯，通航條件較為復(fù)雜，依然存在一定的安全隱患，如圖1所示。

洋山港是我國推進(jìn)“一帶一路”倡議的重要支點，在上海國際航運(yùn)中心建設(shè)中起到核心支撐作用。洋山港位于東亞季風(fēng)盛行地區(qū)，全年風(fēng)向多樣風(fēng)速較大，波浪潮汐相對也大，容易出現(xiàn)大霧雨雪天氣，能見度不良情況頻繁，受臺風(fēng)影響也極為顯著，所以對傳統(tǒng)雷達(dá)干擾較為嚴(yán)重，如圖2所示。洋山水域作為沿海海上干線南北聚集交匯航路，周邊密布傳統(tǒng)漁業(yè)作業(yè)區(qū)，從而形成大、中、小型船舶和漁船水上交通聚集交匯狀況，船舶通航密集。而小型漁船AIS終端安裝率較低，因此安裝AIS的進(jìn)出港船舶與未安裝AIS的漁船無法可見，存在船舶碰撞的安全風(fēng)險。

東海航海保障中心以實踐國家戰(zhàn)略、服務(wù)航海保障為己任，依托新型固態(tài)雷達(dá)和虛擬AIS技術(shù)，完成洋山港水域小目標(biāo)系統(tǒng)的試點建設(shè)，一定程度上解決洋山港水域船舶可見避碰最后盲點的安全隱患。

1 固態(tài)雷達(dá)

固態(tài)雷達(dá)是近年來已得到迅速發(fā)展的一種新型雷達(dá)，具有體積小、功能多、機(jī)動性強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)勢，常用于機(jī)載、艦載和地面雷達(dá)，如圖3所示。

傳統(tǒng)的脈沖磁控管雷達(dá)，通過調(diào)制器產(chǎn)生的調(diào)制脈沖傳送至磁控管，引發(fā)磁控管產(chǎn)生大功率超高頻率的脈沖波，這種射頻脈沖波經(jīng)過天線向四周發(fā)射，在射碰目標(biāo)實體后彈回的反射波再次被天線接收，后端接收機(jī)對反射波信息經(jīng)過處理，將信號以視頻信號的方式顯現(xiàn)出來。因此傳統(tǒng)脈沖磁控管雷達(dá)中最主要的部位就是磁控管。而新型固態(tài)雷達(dá)卻沒有磁控管，取而代之的是固態(tài)器件。固態(tài)雷達(dá)信號發(fā)射和傳統(tǒng)雷達(dá)一樣，但接收后的信號不僅要經(jīng)過接收機(jī)處理還需要經(jīng)過脈沖壓縮器的處理，之后才能將信息呈現(xiàn)在顯示屏上。

傳統(tǒng)脈沖磁控管雷達(dá)發(fā)射的是大功率脈沖波，功率可覆蓋1 kW～3 MW;而新型固態(tài)雷達(dá)發(fā)射的是低功率射頻脈沖，最大功率可低至200 W左右。發(fā)射的信號經(jīng)過接收機(jī)和脈沖壓縮器處理，形成高倍數(shù)的壓縮信號，可以與傳統(tǒng)雷達(dá)所發(fā)射的大功率高頻率的射頻信號相媲美。

雷達(dá)探測距離可分為遠(yuǎn)、中、近不同距離，不同的探測距離要求也不一樣，固態(tài)雷達(dá)可發(fā)射長、中、短不同的特定射頻脈沖來滿足這些要求。同時，為使脈沖更容易被壓縮，通常采用脈沖寬度和編碼混合的方法，這樣可以保證每次發(fā)射的脈沖在長度和編碼上都有差異。在處理回收脈沖信號時，可以高效判斷目標(biāo)的存在狀況。

此次在洋山港水域安裝應(yīng)用的新型固態(tài)雷達(dá)相比傳統(tǒng)脈沖磁控管雷達(dá)有了巨大的改善，不僅可檢測雷達(dá)與目標(biāo)之間的相對速度，而且能夠十分有效地將回波中的雜波剔除出去，從而確保在海浪雨雪等惡劣情況下，對移動中的小目標(biāo)進(jìn)行精確探測。

2 虛擬AIS

AIS是通過VHF海上移動頻段通信協(xié)議交換航行數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)，通過自動發(fā)送和接收船舶信息實現(xiàn)了船舶可見，現(xiàn)已成為船岸、船船之間的海事安全與航海保障最重要的助航系統(tǒng)。

根據(jù)國際電信聯(lián)盟M.1371規(guī)定，AIS利用預(yù)定電文進(jìn)行通信，保證全球通用。標(biāo)準(zhǔn)的AIS電文分為27類，不同的電文代表不同的含義，大部分電文與航行信息的傳達(dá)有關(guān)，也有部分電文用于專門應(yīng)用或系統(tǒng)管理功能。

AIS分為實體AIS和虛擬AIS兩種。安裝有真實AIS終端，發(fā)送通過傳感器所采集的真實信息，周邊船舶AIS終端可接收到該信息，信息和實體一致，即為實體AIS，而沒有真實的AIS終端，而由AIS基站根據(jù)特定的程序和協(xié)議，發(fā)射在其覆蓋范圍內(nèi)，由人員和系統(tǒng)自行虛擬的AIS信息，周邊船舶AIS終端可接收到該信息，即為虛擬AIS。目前虛擬AIS已在航標(biāo)、漁場、水文站、風(fēng)電場等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。例如虛擬AIS航標(biāo)，在設(shè)置真實航標(biāo)不可能或不可行的情況下，通過AIS基站發(fā)射21號電文，設(shè)置實際航標(biāo)并不存在的虛擬AIS航標(biāo)對危險物、障礙物、關(guān)鍵點進(jìn)行標(biāo)繪，確保過往船舶AIS船載終端可見，從而保證通航安全。

3 洋山港小目標(biāo)系統(tǒng)建設(shè)

東海航海保障中心的小目標(biāo)系統(tǒng)，正是針對洋山港交通流量最大，環(huán)境流向復(fù)雜的警戒區(qū)及其主航道、金山航道和東支航道向外延伸水域，整合了固態(tài)雷達(dá)和虛擬AIS技術(shù)，從而實現(xiàn)該水域小目標(biāo)的掃測跟蹤顯示，如圖4所示。

設(shè)備選型選用了丹麥的TERMA SCANTER 2202固態(tài)雷達(dá)（見圖5），是基于固態(tài)發(fā)射機(jī)技術(shù)的X波段二維全相干脈沖壓縮雷達(dá)，具備長使用時長和高可用性，內(nèi)置嵌入式跟蹤器ET2，即使在惡劣天氣條件下，也能對敏捷和小目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測和跟蹤，見表1。

固態(tài)雷達(dá)的安裝位置關(guān)系著雷達(dá)作用功效，在經(jīng)實地勘察和反復(fù)分析后，最終選定于小洋山沈家灣碼頭建筑頂部進(jìn)行固態(tài)雷達(dá)安裝。該位置位于洋山港主內(nèi)航道前端，視野開闊，距離設(shè)定覆蓋面最長距離16 km左右，最短距離1 km左右，扇面210°，具有穩(wěn)定的電力資源，以及人員值守，建筑頂部地面平坦寬闊，適合固態(tài)雷達(dá)的安裝應(yīng)用，見圖6。

根據(jù)雷達(dá)的工作原理，雷達(dá)最大探測距離取決于雷達(dá)天線架設(shè)高度和目標(biāo)高出水面高度，近距離盲區(qū)取決于雷達(dá)垂直波束寬度和天線架設(shè)高度，最大作用距離取決于天線發(fā)射脈沖功率、天線增益、工作波長、接收機(jī)功率和目標(biāo)雷達(dá)截面積。經(jīng)測算，沈家灣固態(tài)雷達(dá)各性能指標(biāo)均符合設(shè)計要求，見圖7。

TERMA SCANTER 2202固態(tài)雷達(dá)內(nèi)置嵌入式跟蹤器ET2采用最先進(jìn)的跟蹤算法，可自動識別雷達(dá)圖像中的目標(biāo)回波，并將每個回波目標(biāo)的運(yùn)動標(biāo)注為具有相關(guān)軌道參數(shù)的確認(rèn)軌道，見圖8。

當(dāng)回波強(qiáng)度超過設(shè)定的視頻閾值，則ET2就開始生成和更新跟蹤信息。ET2給識別目標(biāo)分配唯一ID號，并確定位置、速度和運(yùn)動狀態(tài)等相關(guān)特征，并根據(jù)其運(yùn)動狀態(tài)，預(yù)期其運(yùn)動趨勢，例如勻速運(yùn)動、加速轉(zhuǎn)彎等，從而跟蹤每個目標(biāo)的軌跡，并將這些信息提供給雷達(dá)圖像呈現(xiàn)。

后端配套的AIS基站選用的是國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)AIS基站，同樣部署于沈家灣碼頭建筑頂部，通過拉距測試，證實該AIS基站可與周邊30 km的AIS船臺進(jìn)行正常信息交互，完全滿足系統(tǒng)信號覆蓋距離要求，見圖9。

雷達(dá)服務(wù)器將信息進(jìn)行篩選和提取，排除雜波、航標(biāo)等已知信息目標(biāo)，形成未知小目標(biāo)列表矢量化入庫，與AIS基站實時接收的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合比對。該位置雷達(dá)跟蹤目標(biāo)同時匹配到AIS信息，則自行丟棄該目標(biāo);如無法匹配同位置的AIS信息，則AIS服務(wù)器將雷達(dá)矢量數(shù)據(jù)，封裝成標(biāo)準(zhǔn)的AIS電文，并通過AIS基站預(yù)定程序?qū)ν獠グl(fā)虛擬B類船舶AIS信息，至AIS基站覆蓋范圍內(nèi)所有安裝有AIS終端的船舶，確保AIS船舶可以“看見”周邊水域未裝AIS終端的船舶，以便識別避讓，如圖10所示。

虛擬B類船舶AIS信息采用載波偵聽方式進(jìn)行播發(fā)，以18號電文播發(fā)位置報告。為了與真實船舶AIS信息相區(qū)別，系統(tǒng)設(shè)定以100開頭的6位數(shù)字代碼代表MMSI九位碼，時戳采用岸上時間同步器提供時間，播發(fā)頻率默認(rèn)30 s，可根據(jù)需求自行調(diào)配。除了經(jīng)緯度位置信息外，AIS電文還提供船首向、航速、航向等相關(guān)信息。同時利用VHF天線高度、增益、播發(fā)功率控制AIS基站的播發(fā)范圍，確保范圍默認(rèn)略大于固態(tài)雷達(dá)監(jiān)控范圍，以便于大中型船舶在進(jìn)出警戒水域前提前獲取AIS基站播發(fā)的小目標(biāo)模擬AIS信息，從而提高警覺避免碰撞，如圖11、圖12所示。

4 系統(tǒng)效能測定

洋山港小目標(biāo)系統(tǒng)完成建設(shè)后，為驗證系統(tǒng)效能，對雷達(dá)的檢測能力和分辨能力進(jìn)行測定。

4.1 雷達(dá)檢測能力

測試工具：木質(zhì)小船，10 m2反射器

測試方法：將雷達(dá)脈沖長度調(diào)為長脈沖，雷達(dá)狀態(tài)與控制“捕捉范圍”設(shè)為10 n mile;測試船舶沿著雷達(dá)站徑向由遠(yuǎn)而近或由近而遠(yuǎn)，在雷達(dá)10 n mile左右開展測量。在雷達(dá)服務(wù)工具軟件RST上觀察木質(zhì)小船上反射器的回波，每次連續(xù)觀測10個天線掃描，并重復(fù)進(jìn)行3次。當(dāng)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率為90%（即在10次天線掃描中能有9次左右出現(xiàn)在顯示器上），在RST上測得目標(biāo)距離R即為雷達(dá)的檢測能力。

測試結(jié)果：

4.2 雷達(dá)分辨能力

測試工具：木質(zhì)小船，10 m2反射器

測試方法：將雷達(dá)脈沖長度調(diào)為短脈沖，調(diào)節(jié)增益使木船的發(fā)現(xiàn)概率不低于90%（即在10次天線掃描中能有9次左右出現(xiàn)在顯示器上）。探測結(jié)果見表2。

A.距離分辨力：

在規(guī)定的顯示量程上，使兩目標(biāo)處于雷達(dá)同一方位上。彼此間距大于50 m之處。逐漸縮短兩目標(biāo)之間距離間隔，在RST上觀察到兩目標(biāo)回波相切時，用測量繩測出兩目標(biāo)之間的距離;重復(fù)以上動作，測試5次左右，以平均值作為目標(biāo)的距離分辨力。

測試結(jié)果見表3。

B.方位分辨力：

在規(guī)定的顯示量程上，使兩目標(biāo)到雷達(dá)的距離相等，逐漸縮短兩目標(biāo)之間角度間隔，在RST上觀察到兩目標(biāo)回波相切時，用測量繩測出兩目標(biāo)之間的距離，同時在RST上測出目標(biāo)到雷達(dá)的徑向距離;重復(fù)以上動作，測試5次左右，以平均值按目標(biāo)距離換算成平均最小角度間隔作為雷達(dá)的方位分辨力。測試結(jié)果見表4。

根據(jù)測定，得出結(jié)論：Scanter2202固態(tài)雷達(dá)系統(tǒng)在有效覆蓋范圍內(nèi)，能對10 m2探測球進(jìn)行準(zhǔn)確探測，雷達(dá)探測距離≥9.8 nm，距離分辨力≤20 m，方位分辨力≤0.5°（3 n mile量程），符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

洋山港小目標(biāo)系統(tǒng)完成建設(shè)后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，一定程度上解決了洋山港警戒區(qū)及其主航道、金山航道和東支航道向外延伸水域，在能見度不良情況下，船舶可見的最后盲點，為保障洋山港水域船舶航行安全，維護(hù)船舶通航秩序，降低船舶碰撞風(fēng)險起到較好的輔助作用。

作者簡介：

毛新健，（E-mail）13917321060@139.com，021-6846286

任子俊，（E-mail） ren.zijun@coscoshipping.com，021-65968292