關(guān)于一種通過(guò)高精度雷達(dá)等設(shè)備遙測(cè)航標(biāo)位置的方法

陳華+常帥

摘 要：本論文探討一種遙測(cè)航標(biāo)位置的方法：對(duì)于航標(biāo)巡檢作業(yè)，航標(biāo)作業(yè)人員通過(guò)在船上安裝的高精度GPS、電羅經(jīng)、雷達(dá)，獲取船舶的位置、船首向、航標(biāo)相對(duì)船首向的方位、距離等數(shù)據(jù)，計(jì)算得出目標(biāo)航標(biāo)的位置，并探討該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：航標(biāo) 雷達(dá) 遙測(cè) 位置

1.航標(biāo)位置的重要性

航標(biāo)的一個(gè)基本功能是定位；航標(biāo)四要素包括標(biāo)位準(zhǔn)確、燈質(zhì)正常、涂色鮮明、結(jié)構(gòu)良好，首當(dāng)其沖的是航標(biāo)位置的準(zhǔn)確性。因此，航標(biāo)位置的重要性不言而喻，如何便捷并精確地測(cè)量出航標(biāo)的位置，是航標(biāo)維護(hù)作業(yè)重要任務(wù)之一。

2.工作原理

本論文探討一種遙測(cè)航標(biāo)位置的方法：航標(biāo)遙測(cè)定位作業(yè)時(shí)，通過(guò)在航標(biāo)作業(yè)船上安裝高精度雷達(dá)、GPS、電羅經(jīng)，作業(yè)船在水域里航行，GPS獲取船舶位置；電羅經(jīng)獲得船舶的船首向；雷達(dá)精確的掃描出目標(biāo)范圍內(nèi)航標(biāo)相對(duì)船舶的方位、距離。所得數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算，得出目標(biāo)航標(biāo)的位置，從而達(dá)到一種遙測(cè)航標(biāo)位置的效果，該遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，遙測(cè)原理見(jiàn)圖2。

（1）通過(guò)船載GPS獲取船舶位置0（x0，y0）。

（2）通過(guò)電羅經(jīng)獲取船舶的船首向β；通過(guò)雷達(dá)獲取航標(biāo)相對(duì)船首向的方位γ：雷達(dá)的工作原理是，雷達(dá)發(fā)射出信號(hào)，信號(hào)撞擊到目標(biāo)反射回來(lái)，并由雷達(dá)接收，根據(jù)雷達(dá)接收到回波信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)來(lái)判斷出航標(biāo)相對(duì)船首向的方位γ。航標(biāo)相對(duì)船舶的真方位α=船首向β+航標(biāo)相對(duì)船首向的方位γ。

（3）通過(guò)雷達(dá)獲取距離r。雷達(dá)信號(hào)撞擊到目標(biāo)反射回來(lái)，并由雷達(dá)接收，根據(jù)雷達(dá)發(fā)出距離接收到回波信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)來(lái)計(jì)算出航標(biāo)相對(duì)船舶的距離r。

（4）計(jì)算出目標(biāo)航標(biāo)位置P（x，y）航標(biāo)離船舶距離不遠(yuǎn)，不用考慮地球的球面弧度，因此可以把以上的幾個(gè)點(diǎn)當(dāng)作在一個(gè)平面上，P（x，y）的計(jì)算公式為：

3.遙測(cè)產(chǎn)生的誤差

設(shè)測(cè)量到位置P（x，y）與航標(biāo)實(shí)際所在位置P（x，y）為之間的誤差為Δx，計(jì)算過(guò)程如下：

（1）設(shè)GPS的誤差為Δy，精度高的船載GPS的誤差可在1m以?xún)?nèi)，因此Δy≤1m。

（2）設(shè)測(cè)量產(chǎn)生的方位誤差為Δα，方位誤差包括電羅經(jīng)、雷達(dá)產(chǎn)生的誤差。對(duì)于電羅經(jīng)，精度高電羅經(jīng)的精度可達(dá)0.1°；雷達(dá)的水平方向上對(duì)方位的探測(cè)精度與天線的寬度有關(guān)，寬度越寬，精度越高，以HALO-6固態(tài)雷達(dá)為例，據(jù)其產(chǎn)品參數(shù)，其精度最高可達(dá)0.8°。因此方位誤差Δα≤0.1°+0.8°=0.9°。

（3）對(duì)于雷達(dá)測(cè)距誤差：《海上導(dǎo)航和無(wú)線電通信設(shè)備和系統(tǒng).不與IMO SOLAS第V章相符的船用雷達(dá).性能要求、試驗(yàn)方法和要求的試驗(yàn)結(jié)果》第3.4.3章節(jié)中對(duì)雷達(dá)設(shè)備的要求是：“固定的距離圈和可變距離標(biāo)記應(yīng)能使目標(biāo)距離得到測(cè)量，其誤差不超過(guò)試用的量程最大的1%或30m”。本論文的當(dāng)近距離使用時(shí)，按照不超過(guò)1%理解。因此，雷達(dá)的測(cè)距誤差|Δr|≤|r-r|=0.01r。

（4）計(jì)算出遙測(cè)誤差

《水運(yùn)工程導(dǎo)標(biāo)設(shè)計(jì)規(guī)范》中提到：“在比較寬闊的水域……所取航道寬度過(guò)大，將失去設(shè)置導(dǎo)標(biāo)意義。因此，本規(guī)范規(guī)定航道寬度大于450m時(shí)，取450m。”對(duì)于寬450m航道兩側(cè)的航標(biāo)，航標(biāo)放置在航道的邊坡上，船舶在航道中航行，船舶距離航標(biāo)的位置最遠(yuǎn)大致可為450m。對(duì)于其它水域的航標(biāo)，航標(biāo)作業(yè)時(shí)，距離都不會(huì)太遠(yuǎn)，因此也可以450m為最大距離來(lái)計(jì)算誤差。將450m代入公式，Δz=r*Δα≤8.3m，Δx=Δy+Δz≤9.3m。實(shí)際作業(yè)中，作業(yè)距離會(huì)遠(yuǎn)低于450m，當(dāng)作業(yè)船距航標(biāo)100m時(shí)，定位誤差Δx≤2.86m。

4.可行性研究

（1）與現(xiàn)行巡檢方式的誤差比較。用現(xiàn)行巡檢方式對(duì)航標(biāo)進(jìn)行巡檢，航標(biāo)作業(yè)船需靠停航標(biāo)，當(dāng)遇到下雨等惡劣天氣時(shí)，需以船載GPS的位置作為目標(biāo)航標(biāo)的位置。船載GPS安置在駕駛室頂上，對(duì)于小型航標(biāo)作業(yè)船，船載GPS與船頭航標(biāo)作業(yè)區(qū)的距離約8m；對(duì)于大、中型航標(biāo)作業(yè)船，船載GPS與航標(biāo)作業(yè)區(qū)的距離會(huì)更大，可達(dá)15m左右。這些誤差對(duì)應(yīng)本論文中的誤差是Δz。因?yàn)棣≤8.3m，所以本論文中遙測(cè)定位的精度優(yōu)于現(xiàn)行的利用船載GPS定位的精度。

（2）雷達(dá)對(duì)航標(biāo)的識(shí)別能力。現(xiàn)在的一些高端雷達(dá)，如一些固態(tài)雷達(dá)，分辨率很高，可以識(shí)別遠(yuǎn)處較小的物體，包括小型浮體。

（3）雷達(dá)的探測(cè)距離。一些雷達(dá)如HALO-6固態(tài)雷達(dá)， 當(dāng)雷達(dá)安裝高低度為4米時(shí)，其短程探測(cè)距離可達(dá)6m；探測(cè)沒(méi)有雷達(dá)反射器的3米高航標(biāo)，HALO-6固態(tài)雷達(dá)的最大探測(cè)距離能達(dá)3海里左右。因此對(duì)于遙測(cè)航標(biāo)位置作業(yè)，已經(jīng)能滿(mǎn)足航標(biāo)作業(yè)需求。

綜上所述，本論文探討的通過(guò)高精度雷達(dá)等設(shè)備遙測(cè)航標(biāo)位置的方法是可行的，與現(xiàn)行巡檢方式對(duì)比如表1。

5.應(yīng)用場(chǎng)景

（1）當(dāng)遇水深太淺，或有船舶錨泊在航標(biāo)附近，或天氣不好時(shí)，航標(biāo)作業(yè)船不方便靠停航標(biāo)，雷達(dá)能在其作業(yè)范圍內(nèi)對(duì)航標(biāo)進(jìn)行定位。

（2）需要短時(shí)間測(cè)量多個(gè)航標(biāo)位置時(shí)，如海區(qū)航標(biāo)大檢查時(shí)，該方法能快速的測(cè)量出所經(jīng)航道的航標(biāo)位置。

（3）用航標(biāo)作業(yè)船執(zhí)行非巡檢任務(wù)，如歸航時(shí)，該方法可以順道遙測(cè)所經(jīng)航道的航標(biāo)位置，從而達(dá)到加大巡檢頻次，節(jié)約經(jīng)費(fèi)的效果。

（4）夜巡時(shí)，航標(biāo)作業(yè)船靠停航標(biāo)會(huì)比較危險(xiǎn)，可通過(guò)該方法進(jìn)行對(duì)航標(biāo)進(jìn)行巡檢。

6.前景

（1）航標(biāo)位置現(xiàn)行方式都是以經(jīng)緯度來(lái)表示的，對(duì)于遙測(cè)的目標(biāo)航標(biāo)，可通過(guò)相應(yīng)的處理，以2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的經(jīng)緯度的方式顯示出位置信息。

（2）結(jié)合電子海圖進(jìn)行航標(biāo)標(biāo)會(huì)：對(duì)雷達(dá)遙測(cè)的航標(biāo)通過(guò)顯示器在電子海圖上顯示出來(lái)，同時(shí)在電子海圖中錄入航標(biāo)的原始位置數(shù)據(jù)信息，電腦通過(guò)對(duì)比兩者的位置信息，自動(dòng)得出航標(biāo)有沒(méi)有移位，向哪個(gè)方向移位多少米。

參考文獻(xiàn)：

[1]IEC 62252-2004.海上導(dǎo)航和無(wú)線電通信設(shè)備和系統(tǒng).不與IMO SOLAS第V章相符的船用雷達(dá).性能要求、試驗(yàn)方法和要求的試驗(yàn)結(jié)果.

[2]JTJ 237-1994.水運(yùn)工程導(dǎo)標(biāo)設(shè)計(jì)規(guī)范.

[3]陳華.淺析一種提高浮標(biāo)定位精度的方法.珠江水運(yùn).2016，06：79-80.endprint