懸索橋?qū)TS雷達(dá)信號(hào)的影響分析

母德偉　黃曉冠　韓　述　張　培

(1.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所　重慶　400016;　2.武漢理工大學(xué)　武漢　430063)

懸索橋?qū)TS雷達(dá)信號(hào)的影響分析

母德偉1黃曉冠2韓述2張培2

(1.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所重慶400016;2.武漢理工大學(xué)武漢430063)

摘要橋梁的建設(shè)將遮擋雷達(dá)站微波信號(hào)的傳輸，在大橋附近水域?qū)?huì)形成一定的雷達(dá)盲區(qū)，導(dǎo)致VTS中心無(wú)法掌握該水域的水上交通動(dòng)態(tài)，不能對(duì)水上船舶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)跟蹤，也不能對(duì)該水域進(jìn)行有效的監(jiān)控與指揮，給船舶通航帶來(lái)了安全隱患。因此，應(yīng)了解橋梁建設(shè)對(duì)VTS雷達(dá)站的影響，注意橋區(qū)監(jiān)管設(shè)施的改善。文中結(jié)合懸索橋特點(diǎn)，應(yīng)用建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析懸索橋?qū)TS雷達(dá)信號(hào)遮擋的盲區(qū)范圍，為船舶監(jiān)控及橋區(qū)通航安全提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞懸索橋VTS雷達(dá)盲區(qū)

對(duì)于VTS雷達(dá)的盲區(qū)形成問(wèn)題，許多學(xué)者進(jìn)行了有益的研究[1-3]，但目前國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有橋區(qū)水域橋梁對(duì)VTS雷達(dá)信號(hào)遮擋問(wèn)題的研究。本文以懸索橋?yàn)槔治鰳蛄号cVTS雷達(dá)站之間的位置關(guān)系，推導(dǎo)出VTS雷達(dá)信號(hào)盲區(qū)的范圍，這有助于提高該橋區(qū)水域的監(jiān)管、指揮能力[4-5]，有著較為重要的實(shí)際意義。

1橋梁工程對(duì)VTS雷達(dá)微波的影響

橋梁建設(shè)材料主要是混凝土和鋼材，這些材料對(duì)雷達(dá)波束都有很好的反射特性，所以當(dāng)雷達(dá)波束掃過(guò)大橋時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的回波信息，這些信息將被反射進(jìn)雷達(dá)站的預(yù)處理器，需占用較多的

內(nèi)存容量，預(yù)處理器還要花較多的時(shí)間來(lái)處理這些回波，處理結(jié)果還需傳送至VTS監(jiān)控中心，VTS監(jiān)控中心收到這些回波信息后將在相應(yīng)的VTS工作站上顯示這些回波[6]。因大橋很長(zhǎng)又有一定的高度和寬度，所以大橋產(chǎn)生的回波會(huì)在VTS工作站的顯示屏幕上產(chǎn)生一橫跨河道的長(zhǎng)條回波帶，這樣可能會(huì)影響駕駛員對(duì)大橋回波附近江面物標(biāo)的觀察。

當(dāng)船舶通過(guò)大橋時(shí)，由于船舶和大橋離雷達(dá)天線間的距離相同，所以船舶和大橋產(chǎn)生的回波出現(xiàn)在同一時(shí)刻，使雷達(dá)無(wú)法從回波中分辯出船舶和大橋，這樣雷達(dá)就無(wú)法直接檢測(cè)出當(dāng)時(shí)船舶所在的實(shí)際位置，而只能通過(guò)外推法來(lái)推算出船舶所在的位置。由于船舶在過(guò)橋時(shí)的速度和航向基本不變，所以通過(guò)外推法推算出的船舶位置與船舶所在的實(shí)際位置誤差很小。圖1為船舶過(guò)橋過(guò)程中雷達(dá)的回波示意圖，回波1是行駛在大橋上游船舶的回波，回波2是大橋和行駛在大橋處船舶的回波，回波3是行駛在大橋下游船舶的回波。

原本兩側(cè)雷達(dá)都能覆蓋的區(qū)域，由于大橋?qū)走_(dá)波束的阻擋作用，形成了監(jiān)控盲區(qū)。大橋兩側(cè)的雷達(dá)都有可能存在跟蹤目標(biāo)丟失的可能，造成監(jiān)控的不連續(xù)，影響對(duì)此段水域的船舶航行管理。

圖1　雷達(dá)回波示意圖

2建橋可能產(chǎn)生的雷達(dá)盲區(qū)范圍計(jì)算與分析

以懸索橋?yàn)槔瑘D2為懸索橋?qū)TS雷達(dá)微波的遮蔽示意圖。圖中O標(biāo)示雷達(dá)的最高點(diǎn)，A、D為斜拉橋2主塔的最高點(diǎn)，C點(diǎn)為2主塔拉索的交點(diǎn)，B，E分別為2主橋墩與橋面的交點(diǎn)。

當(dāng)雷達(dá)高度高過(guò)拉索的最高點(diǎn)時(shí)，則從O點(diǎn)發(fā)出的微波經(jīng)A，B，C，D，E，F(xiàn)和G點(diǎn)，射到水面的點(diǎn)分別為A1，B1，C1,D1,E1,F1和G1點(diǎn)，連接這7點(diǎn)所形成的多邊形A1B1C1D1E1F1G1面積，即為懸索橋?qū)走_(dá)的遮蔽面積。

圖2　懸索橋?qū)走_(dá)微波遮蔽示意圖

要求多邊形A1B1C1D1E1F1的面積，首先要分析水面6個(gè)點(diǎn)的落點(diǎn)規(guī)律。以B點(diǎn)為例，作示意圖3：VTS雷達(dá)天線的電磁波從O點(diǎn)射出，經(jīng)過(guò)橋面B點(diǎn)，達(dá)到水面的B1點(diǎn)。如O點(diǎn)與B點(diǎn)的高程差為d1，O點(diǎn)與水面的高程差為d2。點(diǎn)O1和O分別為點(diǎn)在B和B1高程面內(nèi)的垂點(diǎn)。假定B與點(diǎn)O1之間水平距離為s1，縱向距離為l1，則：

因?yàn)槠矫鍻1BB2與平面O2B1B3是平行的，在水面所在高程面內(nèi)，OO2=d2，得：

從上式知，當(dāng)B點(diǎn)確定后，B1點(diǎn)距雷達(dá)垂線縱向距離l2和水平距離s2只和O點(diǎn)與所求點(diǎn)的高程差有關(guān)，因此B，C和E點(diǎn)在水面上形成的落點(diǎn)B1，C1和E1點(diǎn)在一條直線上將A1B1C1D1E1F1的面積適當(dāng)放大，取四邊形A1B1E1F1為遮擋面積，則：

圖3　雷達(dá)微波經(jīng)過(guò)點(diǎn)與雷達(dá)距離分析示意圖

3實(shí)例分析

現(xiàn)將此模型應(yīng)用于重慶市軌道交通環(huán)線鵝公巖軌道專(zhuān)用橋，計(jì)算分析對(duì)該橋區(qū)范圍內(nèi)VTS雷達(dá)的盲區(qū)范圍。

3.1　重慶市軌道交通環(huán)線鵝公巖軌道專(zhuān)用橋概況

重慶市軌道交通環(huán)線鵝公巖軌道專(zhuān)用橋是一座橫跨長(zhǎng)江的特大型橋梁，是重慶市軌道路網(wǎng)規(guī)劃中環(huán)線跨越長(zhǎng)江的控制節(jié)點(diǎn)工程，位于重慶主城港區(qū)的長(zhǎng)江三角磧水道，長(zhǎng)江上游航道里程約669 km，處在三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)。

重慶市軌道交通環(huán)線鵝公巖軌道專(zhuān)用橋?yàn)殇撓淞鹤藻^式懸索橋，橋跨布置2×60 m+210 m+600 m+210 m+3×30 m=1 230 m。塔柱高度160 m，其中下塔柱高90.6 m，上塔柱高69.4 m。見(jiàn)圖4。

圖4　鵝公巖軌道專(zhuān)用橋橋型(單位：m)

3.2　橋區(qū)水域VTS雷達(dá)站分布概況

重慶轄區(qū)VTS系統(tǒng)，于2010年正式運(yùn)行，位于長(zhǎng)江上游航道里程667 km處的黃沙溪VTS雷達(dá)站信號(hào)，與重慶市軌道交通環(huán)線鵝公巖軌道專(zhuān)用橋橋面的垂直距離約為132 m(見(jiàn)圖5)，該雷達(dá)站塔高222.6 m。雷達(dá)站距離橋的距離為2 km，其中一個(gè)主橋墩與雷達(dá)站水平距離為200 m。

圖5　橋梁與VTS雷達(dá)站位置關(guān)系

3.3　計(jì)算分析

運(yùn)用上述模型進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果如下：S遮擋面積=188 438.02 m2。江面寬度約800 m,所以沿岸線盲區(qū)長(zhǎng)度約為235 m，即在此范圍內(nèi)將會(huì)影響VTS中心對(duì)過(guò)往船舶的監(jiān)控。

4結(jié)語(yǔ)

本文研究了懸索橋?qū)TS雷達(dá)信號(hào)的影響，計(jì)算分析了VTS雷達(dá)監(jiān)控盲區(qū)的區(qū)域范圍，有助于提高橋區(qū)水域的通航安全和橋梁安全系數(shù)，并對(duì)今后橋梁建設(shè)及VTS雷達(dá)站選址有著一定的指導(dǎo)意義。但當(dāng)VTS雷達(dá)站的高度小于大橋的主塔高度，但高于橋面高度時(shí)，這意味著擬建大橋VTS雷達(dá)另一側(cè)的較大一部分水面將無(wú)法被雷達(dá)監(jiān)控，其具體情況有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]曹德勝,呂靖,艾云飛,等.VTS雷達(dá)站選址問(wèn)題優(yōu)化模型[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2014(6):727-731.

[2]趙懷森.對(duì)雷達(dá)盲區(qū)的研究[J]. 天津航海,2005(3):3-4.

[3]杜建軍.對(duì)船舶雷達(dá)盲區(qū)測(cè)定的探討[J]. 航海,2014(3):56-57.

[4]史云劍.雷達(dá)盲區(qū)對(duì)VTS雷達(dá)站選址的影響[C].中國(guó)航海學(xué)會(huì)內(nèi)河海事專(zhuān)業(yè)委員會(huì).2005年度海事管理學(xué)術(shù)交流會(huì)優(yōu)秀論文集，中國(guó)航海學(xué)會(huì)內(nèi)河海事專(zhuān)業(yè)委員會(huì),2005:4.

[5]吳曉紅.雷達(dá)盲區(qū)和陰影扇形區(qū)淺析[J].中國(guó)水運(yùn),2014,(5):3.

[6]王惠娟.雷達(dá)信號(hào)識(shí)別綜合可信度確定的新算法[C].中國(guó)指揮與控制學(xué)會(huì).2014第二屆中國(guó)指揮控制大會(huì)論文集：上.中國(guó)指揮與控制學(xué)會(huì),2014：608-611.

Impact of the Suspension Bridge on VTS Radar

MuDewei1，HuangXiaoguan2，HanShu2，ZhangPei2

(1.Scientific Research Institute Chongqing Jiaotong University

Southwest of Port and Waterway Engineering, Chongqing 400016, China;

2.School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract：The bridge will block the transmission of the microwave signal which comes from the radar station, the formation of certain radar near the bridge will be unable to be grasped by the VTS center, and VTS center cannot continuously track ships on the water scene or monitor ships effectively, which bring safe trouble to ships. Therefore, the impact of bridge construction on VTS radar station and the facility improvement of bridge district supervision should be understood. Combining with the characteristics of suspension bridge and the created mathematical model, the blind area of VTS radar signal being sheltered by suspension bridge is calculated and analyzed. It will provide the technical support for the navigation safety and the ship monitoring.

Key words:suspension bridge; VTS radar; blind area

收稿日期：2015-03-23

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.057