监视雷达与无线电测向融合定位在水上交通中的综合应用

◆王维圳 曾文浩

监视雷达与无线电测向融合定位在水上交通中的综合应用

◆王维圳1曾文浩2

(1.中国交通通信信息中心智慧交通事业部, 北京 100011；2.中国电子科技集团第二十八研究所, 江苏 210007)

针对某些特殊情况下无法有效获取船舶定位的问题，本文提出了利用监视雷达与无线电测向融合定位的方法。首先介绍了监视雷达以及无线电测向设备的定位性能以及在实际应用中存在的问题，然后提出了一种雷达与无线电测向融合定位方法，利用时空校准、数据标准化、航迹融合等技术，实现多元异构数据的融合定位，并将该技术应用于水上执法和水上搜救中，有效提高了船舶定位精度。

无线电测向；融合定位；水上交通

0 引言

在水上交通管理中，通常运用船舶自动身份识别系统（AIS）来对船舶进行定位和身份识别，获取船舶的位置信息，并实现对船舶的跟踪。但在某些特殊情况下，如当目标船舶为违法船舶时，通常会关掉船上的AIS设备，使相关单位无法有效的获取目标船舶的具体信息。因此，采用雷达、无线电测向等设备对目标进行主动识别，能够有效解决此类问题。通过使用雷达设备，能够有效检测到目标的位置、速度等信息，将这些信息在海图上显示出来，能够使相关部门能够直观的对进行目标船舶进行定位与跟踪。无线电测向设备也能为目标定位提供辅助定位信息，通过一定的算法将雷达数据与无线电测向数据进行数据融合，从而实现目标的融合定位，能够有效提高目标的检测精度，并在AIS设备等被动探测设备无法有效工作时，依然为海事业务提供目标船舶定位服务[1,2]。

1 监视雷达

场面监视雷达通过发射电磁波照射目标，并接受反射回波来确定目标方位，同时通过接受回波在空间中的延迟来决定目标与雷达的距离，测距公式为S=ct/2，其中S代表目标的距离，c代表光速，t代表电磁波在空间中进行传递所花费的时间，即雷达接受信号与发射信号的时间间隔。

目前海事中采用的场面监视雷达，通常采用脉冲雷达、脉冲压缩雷达两种。其中脉冲雷达使用磁控管发射机，发射波形为短脉冲波形[4]。脉冲雷达经过长时间的发展和应用，目前已实现批量生产，性能较为稳定，成本也得到了控制。脉冲压缩雷达使用固态发射机，发射波形通常为线性调频波形。通过使用脉冲压缩技术对接收信号进行压缩，脉冲压缩雷达能够获得较高的距离分辨率。同时，固态发射机使脉冲压缩雷达不必使用需要频繁检测与更换的磁控管，因此降低了雷达的运行与维护成本。但相比与脉冲雷达，脉冲压缩雷达使用了更先进的技术，且目前大部分厂家没有实现大规模生产，因此导致了更高的成本。

场面监视雷达能够有效监视水上通行船舶，获得目标的速度、位置等信息，能够有效保障水上交通的安全，在船舶交通管理、渔政管理、海警执法等海事业务中具有十分重要的地位。通过场面监视雷达，相关部门能够有效掌握水上船舶的分布，形成水上交通态势的全面掌控。但是，场面监视雷达在水上交通中的应用也具有自身的局限性，当船舶目标距离雷达过近时，会处于雷达盲区中；当船舶目标距离雷达较远时，由于雷达角度分辨率的限制，会发生在雷达视频中，表示船舶目标的光斑出现展宽的现象；而且波浪起伏较高等环境中，目标回波还会产生多径效应，将一个船舶目标显示为多个船舶目标；同时，场面监视雷达受限于雷达天线扫描周期，在一些应用场景中，雷达无法实时的提供目标状态的变化情况，为很多业务例如救援、追查等工作带来阻力。

2 无线电测向

无线电测向技术是一项根据电磁波在空间中的传播特性，使用测向天线等相关仪器设备，以确定待检测电磁波在空间中的传播方向的技术[3]。目前比较成熟的无线电测向仪有单信道接收机体系统和多信道接收机两种，其中，多信道接收机系统能够同时接受和处理多个频率，而单信道接收机一般只能接受一个频率。采用单信道接收机的无线电测向系统需要能够远程控制甚高频信道，并且具有在预定义的信道列表中自动扫描信道的功能，同时在搜救等工作中，需要系统能够有限扫描搜救信道；采用多信道接收机的无线电测向系统则需要使每个接收机都可以远程控制及选择甚高频信道，在具备单信道接收机的性能的同时，还需要所有接收机都能够同时输出检测方位。无线电测向仪需要仔细计算天线的选址位置，并尽可能的保证天线安装的稳定性，以确保无线电测向仪的方位精度。天线的安装高度也需要进行仔细计算，以保证无线电测向仪能够覆盖到用户所需的检测范围。

在水上交通管理中，通常采用无线电测向仪来对载有甚高频通信设备的船舶或其他目标进行测向定位，实现对特定目标空间位置的掌控。该项技术被称为基于甚高频通信的无线电测向技术（VHF-DF），使用该技术时，需要首先确定目标船舶VHF设备的频率范围，然后进步锁定目标船舶的无线电频率，通过多个无线电测向基站对该目标船舶形成多个指向方向并相交于一点，从而确定目标在空间中的位置信息。无线电测向仪可以用来关联甚高频发射信号和一个特定目标，从而识别目标。当目标未安装AIS设备并且无法用其他方式识别时，这种方法特别有用。但使用VHF-DF技术无法在船舶数量较多时完成对船舶的定位，因此限制了该项技术在水上交通中的广泛应用。

3 雷达与无线电测向融合定位

通过综合应用监视雷达和VHF-DF定位水上目标船舶，能够有效解决雷达在某些区域中无法有有效定位目标或定位失准的问题，并消除雷达在进行定位过程中多径效应所带来的负面影响。使用雷达与无线电测向设备融合定位技术，在提高定位精度的同时，也能为海上执法、海上搜救等业务中为相关部门带来便利。

雷达数据与无线电测向数据属于多源异构数据，因此在融合定位的过程中，首先需要通过授时系统对各信息源的目标进行时间校准；然后以统一的坐标系为基准坐标系统，将雷达数据与无线电测向数据进行空间校准[5]。在完成了时空校准后，对雷达数据和无线电测向数据，需要将从雷达和无线电测向仪中收集的数据进行协议和格式变换，转换为统一的数据格式，为后续的融合定位提供标准数据信息。另外，需要对数据的准确性进行判断，通过最大机动范围等门限的设定，来判断同一目标的不同数据的波动是否超出合理范围，如果超出则需要将该数据舍弃。

在水上交通管理中，系统所需要处理的目标往往为动态目标，如船舶、随水流飘动的落水人员等，因此在融合定位中，需要考虑目标的航迹融合。在雷达与无线电测向融合定位中，可以采用最近邻数据关联法以及卡尔曼滤波器对目标的航迹进行融合处理。

最近邻数据关联法通过对航迹范围设定门限，以限制和目标航迹发生关联的航迹数量，然后再通过各航迹对应目标的距离信息、航向信息、航速信息等求对应的方差及相关统计值，用来判断航迹是否融合。

在完成目标的融合定位后，同时需要将目标信息进行管理，根据目标的信息来源不同，在海图上使用不同的符号进行显示，并用新的图标表示融合后的目标，给用户提供更直观的数据显示，并为用户的决策提供技术支持。

4 综合应用

在水上交通管理中，通过综合应用监视雷达与无线电测向技术，能够消除雷达盲区带来的负面影响，提高目标距离雷达过远时所导致的目标展宽情况，减少多径效应为目标带来的误差，提高目标跟踪过程的实时性，消除无线电测向技术的局限性，从而拓宽了雷达定位与无线电测向定位的应用范围，使他们能够被应用于水上执法、水上搜救等业务中。

在港口等业务繁忙的水域中，经常有一些违法船舶伪造自身AIS信息及船舶身份，从事不正当的经济活动。当这些船舶被发现后，需要相关部门快速锁定目标，并进行持续跟踪，直到捕获目标船舶。但目标船舶经常采取一些过激行动，并关闭AIS等设备，为水上执法带来困难。而采用监视雷达与无线电测向技术，能够更有效的锁定目标船舶。

在水上执法过程中，根据目标船舶的相关特征信息，执法人员首先可以应用雷达锁定目标在海图上的位置，并根据雷达数据预测目标船舶的运动特征，进而估计出目标船舶的运动范围，从而制定执法船舶对目标船舶将要形成的包围圈。然后，通过VHF等设备通知执法船舶目标船舶的运动范围，并利用无线电测向设备综合其他设备完成执法船舶的实时定位，并根据目标船舶的实际运动状态，及时调整执法船舶对目标船舶的包围圈，最终形成对目标船舶的持续锁定。通过雷达与无线电测向的综合应用，能够大幅度提高水上执法的效率，确保目标船舶定位的准确性以及跟踪的持续性，保障水上船舶执法的顺利进行。

水上搜救中一项直接影响到搜救结果的内容就是搜救的反应时间，如果救援船舶能够以最快速度锁定目标，就能够大幅度减少事故对人员生命安全产生的威胁。当事故发生时，通过雷达第一时间锁定事故地点，并利用无线电测向设备对事故船舶进行实时跟踪，通过雷达与无线电测向的融合定位，锁定目标的实时变化状态，并指派相关船舶迅速赶往现场，从而有效缩短搜救的反应时间，提高搜救成功率。

5 结论

在某些特殊情况下，水上船舶无法通过AIS设备确定船舶位置，需要通过监视雷达完成目标定。但监视雷达在对水上目标进行定位的过程中，存在雷达盲区、远距离目标展宽、多径效应等问题，而无线电测向技术则无法对大量目标进行定位，通过综合监视雷达与无线电测向技术，实现水上目标的融合定位，能够消除雷达、无线电测向在进行定位过程中的局限性，提高目标定位精度，能够广泛应用于水上执法、水上搜救等业务中。

[1]王珂,惠新成,张遥.近岸海上安保快艇拦截任务分配模型[J].指挥信息系统与技术,2018.

[2]李树来,曹旭,张立仁.海洋平台组块的安装[J].科技与创新, 2016.

[3]徐子久,韩俊英.无线电测向体制概述[J].中国无线电,2002.

[4]金文.场面监视雷达的应用与发展[J].中国民用航空,2011.

[5]王玲,魏星,万建伟,等.通过变维kalman滤波实现融合定位[J].国防科技大学学报,2005.