一种基于AIS信息的岸基警戒雷达标校方法

赵永刚

（91245部队，辽宁葫芦岛,125001）

一种基于AIS信息的岸基警戒雷达标校方法

赵永刚

（91245部队，辽宁葫芦岛,125001）

本文介绍了AIS的功能组成、信息内容，提出使用AIS信息为岸基警戒雷达进行精度标校的方法，并通过某部岸基警戒雷达验收试验得到验证，结果表明满足岸基警戒雷达精度要求。

精度标校； AIS；方法；岸基警戒雷达

0 引言

雷达标校是准确发现目标和雷达数据组网融合的基本条件，但通用标校设备价格高，使用受限。传统标校方法对场地使用，人员能力有特殊的要求，需要投入很多时间、人力和物力。因此需要一种新的标校方法，既能方便简单，又能满足进度雷达精度要求。AIS系统由岸基设施和船载设备共同组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。目前，AIS信息已广泛在各个方面使用。本文提出使用AIS信息为岸基警戒雷达进行精度标校的方法，并通过实际应用验证了其可行性。

1 AIS系统综述

AIS系统（海上船舶自动识别系统）配合全球定位系统（GPS）将船位、船速、改变航向率及航向等船舶动态结合船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态资料由甚高频（VHF）频道向附近水域船舶及岸台广播，使邻近船舶及岸台能及时掌握附近海面所有船舶之动静态资讯，得以立刻互相通话协调，采取必要避让行动，对船舶安全有很大帮助。

AIS系统分为船载和岸基两种设备，船载设备传输船只的航信基本信息，岸基设备传输交管信息及其他船只信息。

AIS 消息提供三类数据，其中包含:

1.船舶静态数据，包含船名、呼号、MMSI、IMO、船舶类型、船长、船宽等;

2.船舶动态数据，包含经度、纬度、船首向、航迹向、航速等;

3.船舶航程数据，包含船舶状态，吃水，目的地、ETA等。

我们使用AIS系统接收机可以获得众多船只的实时信息，在标校的过程中充分使用来自AIS系统发送的船只静态和动态的信息，计算用来校准目标的距离和方向并将其记录为校准雷达测量数据的基准。

2 标校基本原理

基于AIS信息的雷达标校方法本质上是一种GPS的标校方法，但也有自己的特点，最突出的是需要雷达目标轨迹和目标的AIS轨迹相关。AIS的轨迹从本地AIS接收器接收并与雷达观测轨迹相关联，并且获得轨迹之间的相关性。使用目标船只的GPS数据和本地GPS定位数据来计算目标船只相对于本地雷达的极坐标作为雷达检测目标船的真实值。 雷达目标轨迹和GPS目标轨迹的时间—空间匹配和卡尔曼平滑。最后，通过雷达观测得到的数据与匹配真值数据计算统计平均值和统计标准偏差。

3 标校系统

3.1 标校系统组成

基于AIS的岸基警戒雷达标校系统，包括硬件和软件两部分。系统组成如图1所示。硬件部分主要由岸基警报雷达，AIS系统的接收机，GPS接收机和工业控制计算机组成。软件部分主要跟踪相关，数据处理和数据配准程序。系统主要由三部分组成：定位信息接收子系统，岸基警报雷达检测子系统和综合数据处理子系统。定位信息子系统接收两个地点的GPS定位信息，并将两个信息输入计算机。雷达观测子系统跟踪校准目标并同时将观测数据输入到计算机中。数据处理子系统提供航迹关联模块、误差处理模块和数据配准模块。子系统通过同步串行通信连接。

图1 标校系统组成

3.2标校数据采集

(2) 结合线网及建设规划，梳理出换乘站合理的节点预留模式,并尽可能选择灵活性较强的方案,减少废弃工程;另外针对换乘车站进行多方案的讨论、研究和比选，从而来选择换乘功能最优的方案。

本地GPS定位数据，目标船GPS定位数据和雷达目标探测数据三方面构成了标校数据采集：

（1）本地GPS数据：通过自带GPS接收机数据定位，关键是设置数据采集率。为了便于对AIS数据进行时间和空间对准的跟踪，应设置为高于AIS数据收集速率，通常为12秒。

（2）目标船GPS数据：AIS接收附近海域的各种船只和沿海基站发送的船舶位置信息。观察船只在屏幕上的分布情况，比较校准范围内的目标范围和数据传输速率，选择合理的目标船来跟踪和读取数据。AIS数据传输速率一般不稳定，发送速率通常与目标船只航行状态有关，其关系如表1所示。

（2）方位插值：数据沿轴分解的方向，其本质是向量到标量过程，当方向连续变化时，数据在坐标轴上的数据分量不断变化，不发生较大的数据跳转，以满足插值的先决条件，对数据进行常规插值的分解，然后重新组合数据的方向。 应该注意的是合成方向的计算，其中数据确定象限。

4.2 航迹关联与误差融合

通常的关联算法是在目标跟踪状态下的点迹与航迹关联，而标校中的关联不是基于跟踪的航迹关联，它是一种事后的静态航迹与航迹关联。而且用于关联的AIS航迹不是完全来自于观测，是由原始航迹插值后根据目标运动状态进行部分点迹平滑估计的伪航迹，这种关联被称为伪航迹关联[5]。航迹关联时，由于雷

表1 数据发送率与船舶状态的关系

（3）雷达数据采集：将雷达设为一定的扫描周期，并采用半自动目标录取方式。由于雷达的系统误差，AIS目标不能直接在雷达显示器上找到。需要使用光标根据AIS提供的目标参数定位目标，包括船舶类型，吨位，数据，然后重新关联。

3.3 GPS时间同步

标校系统需严格保持各部分的时间同步。时间同步的精度直接影响标校误差校正的精度和最终标校准结果。对于最终校准结果优于8 m，每个接收系统与雷达的时间同步精度应达到10 ms。

该系统使用GPS作为时间同步基准，以实现各种设备之间的时间同步。 通用GPS设备具有50ns的时间精度和10s内的时间同步稳定性，平均随机小于15ns，完全满足校准系统的要求[3]。GPS接收机不具备直接输入所需的定时信号的功能，使用GPS接收机和廉价的高精度晶体振荡器构成一个稳定的定时器。

4 数据处理与分析

采集后的数据数据处理与分析包括：时间空间对准、航迹关联和误差融合。这部分工作决定了雷达标校的精度。

4.1 时间空间对准

由于每个传感器的数据接收率不同，所以要对接收的数据进行时间比较和对准处理。在校准时，需要两个时空对准。首先，GPS观测数据和AIS接收数据的对齐，第二个是前面的计算与雷达数据的对齐。

前者的对准精度要求很高，因此我们将增加本地GPS数据速率，要同一时间完成对准，以避免推算位置时引进新的误差。

后面的时空对准是点轨道的非线性采样数据问题。外推法与一般插值实现了数据线性，雷达数据于数据采样相同。再滤除一些噪声，利用目标动态状态对内插数据进行卡尔曼平滑处理。然而，在雷达数据的内插中有一个问题。距离插值满足一般插值法，方位角的内插不能使用一般的标量内插方法，因为方位角的变化不是唯一的，并且不遵循自相关的原理。

（1）距离插值：插值的关键是构造一个近似函数。一般来说，拉格朗日，三次样条和切比雪夫多项式用于内插和拟合大时间跨度数据。然而，如果时间间隔过大，则许多有用的信息将丢失，并且内插和拟合效果将不够准确。另外，在实践中，我们应该合理地选择时间对准内插节点的数量。当目标以恒定速度移动一定时间时，时间对准内插点的数量越多，内插精度越高。当目标运动改变时，对准内插节点的时间越少，内插精度越高。所以当我们使用多点拉格朗日插值时目标没有出现明显的机动或转向;如果有机动，选择两点插值;当目标大于12s的数据传输速率时，插值后用切比雪夫式拟合，比只使用一种方法更好。达存在系统误差，在时间上可以和AIS航迹进行对准，但空间数据无法完全对准。雷达航迹与AIS航迹之间存在一个固定的距离和（或）方位上的平移和（或）旋转。所以我们用信号相似性原理进行航迹关联，假设两航迹插值后的序列x (n)和y (n )，则：

当两个轨迹完全关联时，由于两个序列之间的线性误差对相关系数几乎没有影响，因此比较相关系数，最大值对应就是相关轨迹。轨迹融合我们使用最简单的平均融合，可以消除部分随机误差。

4.3 注意事项

在AIS接收的多个目标中，重要的是选择合适的船只作为校准目标，这甚至可能影响最终校准精度和校准速度。目标选择主要有以下几个方面：首先，选择目标距离适中，目标太远，雷达检测范围偏差增大。目标距离不能太接近雷达回波太大无法确定其中心，引入过度偏差。一般选择雷达1/3范围内的最大检测范围。其次，海面目标的散射特性通常更复杂，并受海杂波和多径效应的影响。然而，如果不能准确地确定目标的散射中心，则会将误差带入计算结果。通常，选择AIS的速度和航向相对稳定，雷达显示器上的目标接近目标回波或目标回波，回波稳定。

另外，GPS天线的架设也很重要。GPS的天线容易受无线电设备、电子设备和多路径效应的干扰，影响接收机的接收和解码。同时考虑建筑物较多，对 GPS信号会产生遮挡，一般认为GPS 精度会下降，且工作不可靠。所以应将 GPS 天线尽量架设到高处，离开其它电子设备一段距离的相对开阔地带。

5 试验数据

结合某部岸基警戒雷达验收，利用本标校方法对距离测量精度和方位测量精度标校。数据处理结果见表2所示。误差结果均小于设计指标，满足正常工作使用。

表2 距离测量精度和方位测量精度试验结果

6 结论

随着岸基警戒雷达的数量越来越多，而且机动雷达转场频繁，每次展开后都需要进行标校。使用AIS信息标校雷达和精度检测方便灵活，不受传统方法的人力物力限制，将成为岸基警戒雷达的标校和精度检测的最佳方法。

[1]花汉兵.雷达组网的特点及其关键技术研究[J].现代电子技术.2007,23.33-35.

[2]钱骏，李栋.多雷达数据融合中的数据预处理[J].火控雷达技术.2009,9.55-58.

[3]郝凯，王晓博.雷达与AIS信息融合综述[J].指挥控制与仿真.2009,04.1-4.

[4]潘绍仁，察豪.基于AIS的舰载雷达标校方法研究[J].指挥控制与仿真.2009,06.101-104.

[5]潘绍仁，廖文.基于AIS的舰载雷达标校系统设计[J].船电技术.2009,02.10-14.

[6]刘冬利，何民.一种新的岸海警戒雷达标校方法[J].电讯技术.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

赵永刚（1985—），男，本科，工程师，主要研究方向信号处理。