一種基于AIS信息的岸基警戒雷達標校方法

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、信息內容，提出使用AIS信息為岸基警戒雷達進行精度標校的方法，并通過某部岸基警戒雷達驗收試驗得到驗證，結果表明滿足岸基警戒雷達精度要求。

精度標校； AIS；方法；岸基警戒雷達

0 引言

雷達標校是準確發現目標和雷達數據組網融合的基本條件，但通用標校設備價格高，使用受限。傳統標校方法對場地使用，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校方法，既能方便簡單，又能滿足進度雷達精度要求。AIS系統由岸基設施和船載設備共同組成，是一種新型的集網絡技術、現代通訊技術、計算機技術、電子信息顯示技術為一體的數字助航系統和設備。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校的方法，并通過實際應用驗證了其可行性。

1 AIS系統綜述

AIS系統（海上船舶自動識別系統）配合全球定位系統（GPS）將船位、船速、改變航向率及航向等船舶動態結合船名、呼號、吃水及危險貨物等船舶靜態資料由甚高頻（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資訊，得以立刻互相通話協調，采取必要避讓行動，對船舶安全有很大幫助。

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

AIS 消息提供三類數據，其中包含:

1.船舶靜態數據，包含船名、呼號、MMSI、IMO、船舶類型、船長、船寬等;

2.船舶動態數據，包含經度、緯度、船首向、航跡向、航速等;

3.船舶航程數據，包含船舶狀態，吃水，目的地、ETA等。

我們使用AIS系統接收機可以獲得眾多船只的實時信息，在標校的過程中充分使用來自AIS系統發送的船只靜態和動態的信息，計算用來校準目標的距離和方向并將其記錄為校準雷達測量數據的基準。

2 標校基本原理

基于AIS信息的雷達標校方法本質上是一種GPS的標校方法，但也有自己的特點，最突出的是需要雷達目標軌跡和目標的AIS軌跡相關。AIS的軌跡從本地AIS接收器接收并與雷達觀測軌跡相關聯，并且獲得軌跡之間的相關性。使用目標船只的GPS數據和本地GPS定位數據來計算目標船只相對于本地雷達的極坐標作為雷達檢測目標船的真實值。 雷達目標軌跡和GPS目標軌跡的時間—空間匹配和卡爾曼平滑。最后，通過雷達觀測得到的數據與匹配真值數據計算統計平均值和統計標準偏差。

3 標校系統

3.1 標校系統組成

基于AIS的岸基警戒雷達標校系統，包括硬件和軟件兩部分。系統組成如圖1所示。硬件部分主要由岸基警報雷達，AIS系統的接收機，GPS接收機和工業控制計算機組成。軟件部分主要跟蹤相關，數據處理和數據配準程序。系統主要由三部分組成：定位信息接收子系統，岸基警報雷達檢測子系統和綜合數據處理子系統。定位信息子系統接收兩個地點的GPS定位信息，并將兩個信息輸入計算機。雷達觀測子系統跟蹤校準目標并同時將觀測數據輸入到計算機中。數據處理子系統提供航跡關聯模塊、誤差處理模塊和數據配準模塊。子系統通過同步串行通信連接。

圖1 標校系統組成

3.2標校數據采集

(2) 結合線網及建設規劃，梳理出換乘站合理的節點預留模式,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的方案。

本地GPS定位數據，目標船GPS定位數據和雷達目標探測數據三方面構成了標校數據采集：

（1）本地GPS數據：通過自帶GPS接收機數據定位，關鍵是設置數據采集率。為了便于對AIS數據進行時間和空間對準的跟蹤，應設置為高于AIS數據收集速率，通常為12秒。

（2）目標船GPS數據：AIS接收附近海域的各種船只和沿海基站發送的船舶位置信息。觀察船只在屏幕上的分布情況，比較校準范圍內的目標范圍和數據傳輸速率，選擇合理的目標船來跟蹤和讀取數據。AIS數據傳輸速率一般不穩定，發送速率通常與目標船只航行狀態有關，其關系如表1所示。

（2）方位插值：數據沿軸分解的方向，其本質是向量到標量過程，當方向連續變化時，數據在坐標軸上的數據分量不斷變化，不發生較大的數據跳轉，以滿足插值的先決條件，對數據進行常規插值的分解，然后重新組合數據的方向。 應該注意的是合成方向的計算，其中數據確定象限。

4.2 航跡關聯與誤差融合

通常的關聯算法是在目標跟蹤狀態下的點跡與航跡關聯，而標校中的關聯不是基于跟蹤的航跡關聯，它是一種事后的靜態航跡與航跡關聯。而且用于關聯的AIS航跡不是完全來自于觀測，是由原始航跡插值后根據目標運動狀態進行部分點跡平滑估計的偽航跡，這種關聯被稱為偽航跡關聯[5]。航跡關聯時，由于雷

表1 數據發送率與船舶狀態的關系

（3）雷達數據采集：將雷達設為一定的掃描周期，并采用半自動目標錄取方式。由于雷達的系統誤差，AIS目標不能直接在雷達顯示器上找到。需要使用光標根據AIS提供的目標參數定位目標，包括船舶類型，噸位，數據，然后重新關聯。

3.3 GPS時間同步

標校系統需嚴格保持各部分的時間同步。時間同步的精度直接影響標校誤差校正的精度和最終標校準結果。對于最終校準結果優于8 m，每個接收系統與雷達的時間同步精度應達到10 ms。

該系統使用GPS作為時間同步基準，以實現各種設備之間的時間同步。 通用GPS設備具有50ns的時間精度和10s內的時間同步穩定性，平均隨機小于15ns，完全滿足校準系統的要求[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成一個穩定的定時器。

4 數據處理與分析

采集后的數據數據處理與分析包括：時間空間對準、航跡關聯和誤差融合。這部分工作決定了雷達標校的精度。

4.1 時間空間對準

由于每個傳感器的數據接收率不同，所以要對接收的數據進行時間比較和對準處理。在校準時，需要兩個時空對準。首先，GPS觀測數據和AIS接收數據的對齊，第二個是前面的計算與雷達數據的對齊。

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

后面的時空對準是點軌道的非線性采樣數據問題。外推法與一般插值實現了數據線性，雷達數據于數據采樣相同。再濾除一些噪聲，利用目標動態狀態對內插數據進行卡爾曼平滑處理。然而，在雷達數據的內插中有一個問題。距離插值滿足一般插值法，方位角的內插不能使用一般的標量內插方法，因為方位角的變化不是唯一的，并且不遵循自相關的原理。

（1）距離插值：插值的關鍵是構造一個近似函數。一般來說，拉格朗日，三次樣條和切比雪夫多項式用于內插和擬合大時間跨度數據。然而，如果時間間隔過大，則許多有用的信息將丟失，并且內插和擬合效果將不夠準確。另外，在實踐中，我們應該合理地選擇時間對準內插節點的數量。當目標以恒定速度移動一定時間時，時間對準內插點的數量越多，內插精度越高。當目標運動改變時，對準內插節點的時間越少，內插精度越高。所以當我們使用多點拉格朗日插值時目標沒有出現明顯的機動或轉向;如果有機動，選擇兩點插值;當目標大于12s的數據傳輸速率時，插值后用切比雪夫式擬合，比只使用一種方法更好。達存在系統誤差，在時間上可以和AIS航跡進行對準，但空間數據無法完全對準。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。所以我們用信號相似性原理進行航跡關聯，假設兩航跡插值后的序列x (n)和y (n )，則：

當兩個軌跡完全關聯時，由于兩個序列之間的線性誤差對相關系數幾乎沒有影響，因此比較相關系數，最大值對應就是相關軌跡。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接收的多個目標中，重要的是選擇合適的船只作為校準目標，這甚至可能影響最終校準精度和校準速度。目標選擇主要有以下幾個方面：首先，選擇目標距離適中，目標太遠，雷達檢測范圍偏差增大。目標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范圍內的最大檢測范圍。其次，海面目標的散射特性通常更復雜，并受海雜波和多徑效應的影響。然而，如果不能準確地確定目標的散射中心，則會將誤差帶入計算結果。通常，選擇AIS的速度和航向相對穩定，雷達顯示器上的目標接近目標回波或目標回波，回波穩定。

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

5 試驗數據

結合某部岸基警戒雷達驗收，利用本標校方法對距離測量精度和方位測量精度標校。數據處理結果見表2所示。誤差結果均小于設計指標，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果

6 結論

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

[1]花漢兵.雷達組網的特點及其關鍵技術研究[J].現代電子技術.2007,23.33-35.

[2]錢駿，李棟.多雷達數據融合中的數據預處理[J].火控雷達技術.2009,9.55-58.

[3]郝凱，王曉博.雷達與AIS信息融合綜述[J].指揮控制與仿真.2009,04.1-4.

[4]潘紹仁，察豪.基于AIS的艦載雷達標校方法研究[J].指揮控制與仿真.2009,06.101-104.

[5]潘紹仁，廖文.基于AIS的艦載雷達標校系統設計[J].船電技術.2009,02.10-14.

[6]劉冬利，何民.一種新的岸海警戒雷達標校方法[J].電訊技術.2009,06.53-56.

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。