VTS中雷达与AIS基本功能的比较.doc

VTS中雷达与AIS基本功能的比较初立辉摘要由于雷达是工作于微波波段的目标探测定位设备，而AIS是工作于超短波波段的数据通信设备，两者的工作机理和功能存在差异。在VTS的应用中，它们各有特点并存在不足，不能以一个取代另一个。了解并在VTS中充分发挥该两技术手段的特点，相互弥补其存在的不足，对正确、有效使用该两技术手段，进一步扩展VTS功能，更好发挥它对船舶的服务管理功能有着重要意义。 Abstract Since the radar is operating in the microwave band target detection pointing device and the AIS is operating in the VHF -band data communication device , there is a difference between the two working mechanism and function . In the VTS applications, they have their own characteristics and shortcomings , can not be replaced by another one . Understand and give full play to the characteristics of the VTS of the two techniques , the presence of each other to make up for its lack of proper and effective use of the two techniques, the further expansion of VTS functions , better play its service management capabilities of the ship is of great significance .1雷达与AIS的异同点1.1 雷达与AIS的工作原理雷达是利用电磁波的二次辐射、转发或固有辐射来探测目标，获取目标空间坐标、速度、特征等信息的一种无线电装置。 AIS是Automatic Identification System的简称，AIS是工作在VHF海上频段的船舶和岸基数字通信系统。它是一种可在船与船之间以及船与岸之间交换数字信息的新工具。1.2 雷达与AIS的相同点AIS在VTS中应用，使VTS多了一种实施船舶交通管理的手段。AIS与雷达在功能和作用上有相同的基本点，又各自具有特点。它们都能收集船舶数据、对船舶进行跟踪。AIS目标数据和雷达目标数据所具有的共同特点及同时对两种数据进行处理的设备主要有：（1）该两数据主要都是目标船的交通数据；（2）AIS的目标动态数据和雷达目标数据都要进入多传感器数据综合处理服务器，进行目标跟踪、告警等处理及对该两数据的融合处理；（3）该两目标数据处理后都要通过显示与操作处理器在同一交通显示器上进行显示；（4）该两目标数据都要与船舶数据库相关联；（5）AIS数据和雷达数据都要在多媒体记录器进行记录，等等。1.3雷达与AIS的不同点（1）雷达与AIS的工作机理存在显著的差异雷达系统可表示为图1.1，其发射信号中不包含接收端所需要的目标任何信息。接收信号目标信息发射信号目标发射机接收机机机（回波）噪声干扰图1.1雷达系统AIS系统属于通信系统，通信系统可表示为图1.2，其发射信号中已包含发射端要传输的信息，经信道（有线或无线）传输给接收机时，接收机将接收到的信号转换成发射端所传输的信息。接收信号信息信息接收机信道发射机发射信号噪声干扰 图1.2通信系统 （2）雷达和AIS工作的电磁波频段不同雷达从天线辐射电磁波并接收被目标反射的电磁波，才能实现对目标的探测定位，工作在微波波段。AIS是采用VHF海上移动频段通信协议交换航行数据的通信系统，工作在超短波频段。（3）雷达和AIS对目标位置的确定方法不同AIS和雷达两者对目标位置的描述采用不同的方法。AIS获得的船舶的位置信息数据来自于本船的GPS，利用绝对参照系统确定目标的位置，采用经度和纬度表示法。雷达则是从船上或岸上观测目标，根据相对测量确定目标的位置，对目标位置的描述采用极坐标表示。2 雷达与AIS在VTS应用中的性能比较2.1雷达的优越性（1）可探测和获取覆盖范围的全景图像雷达能获得作用范围内的所有物标（船舶、岛屿、航标、岸线等）的全景图像以及海浪雨雪的干扰情况，而AIS则不能；但AIS只能采集装载了AIS设备且正常运行的船舶等目标的交通数据。（2）是目标的主动探测跟踪装置雷达对目标可进行主动探测跟踪并采集目标数据，不受目标条件的限制；而AIS不能对目标进行主动探测跟踪，其采集目标数据及对目标跟踪是被动的，跟踪采集目标数据主要取决于目标船上配置的AIS等设备和岸台AIS网，VTS中心不能控制。未安装AIS的船舶或AIS发生故障的船舶其位置和运动数据无法通过AIS获得，而通过雷达可以获得。（3）可获取目标的图像数据雷达采集的是目标的视频图像，因而可显示目标的原始视频或数字化原始视频图像；AIS提供的位置数据来自于GPS数据，而GPS数据是GPS天线所在点的船舶运动数据，恢复成图像时该船只是一个点，而雷达目标回波在一定程度上可反映目标的大小和形状。（4）能直观判断船舶碰撞危险雷达能通过确定参考目标，来选择相对运动矢量，便于直观判断船舶碰撞危险，并能根据CPA、TCPA、MINCPA、MINTCPA，以符号、灯光及声音报警。而AIS不能直观判断碰撞危险。（5）不存在目标数量饱和问题雷达探测目标没有数量饱和问题；但对AIS而言，当目标数量过大，船岸AIS数据传输链路（VDL）出现时隙复用时，目标数据传输可能阻塞，能够被有效采集数据的目标数量受限，且近距船舶的AIS数据将会占据远距船舶AIS数据的预约传输时隙。2.2 AIS的优越性（1）可实现自动船舶识别与提高船舶数据质量利用船载AIS提供的船舶标识信息（MMSI编号、呼号等），能自动、快捷地对船舶进行识别，收集的船舶数据更丰富、质量更高；而交管雷达尚不能探测目标的识别信息，其对目标的识别常借助VHF通信进行。因而，AIS的自动船舶识别具有节省时间、提高效率、减少船舶报告次数、避免同频语音信号相互干扰和语言沟通引起的误解等突出优点。（2）船舶数据的种类多AIS能采集船舶的静态数据和航次相关等数据，这些数据雷达不能采集；AIS采集的船舶动态数据种类比雷达采集的多，如船舶的艏向、旋回速率等，雷达一般不能采集。（3）船舶动态数据精度高船载AIS可自动播发本船的实时位置、航速、航向、艏向、旋回速率等数据。其船舶位置数据来自船载GPS，一般比雷达探测的目标位置数据的精度高；其艏向、旋回速率等船舶实时操纵数据来自船舶航行系统，精度也较高。由于交管雷达提供的航速、航向是通过对船舶跟踪从历史航迹中推算得到的，只能获取探测目标船的平均速度和航（迹）向，不能获取目标船的即时速度和船首向，且存在一定的滞后。（4）目标数据采集与跟踪范围大由于VHF作用距离比雷达远，故AIS的目标数据采集与跟踪比雷达目标探测跟踪范围大。另外，通过岸基AIS网，AIS的目标数据采集与跟踪可以达到更远范围。（5）抗雨雪海浪干扰性能强 在暴风雨天气中，雷达信号受干扰大，探测和跟踪目标性能下降，以致会丢失小目标。AIS工作在VHF频段，受雨雪海浪干扰比雷达要小得多，在暴风雨天气中一般仍能保持对装载AIS船舶的数据采集和跟踪。（6）扩展跟踪范围和改善跟踪性能雷达不能对目标进行识别，目标跟踪基于航迹外推与航迹相关技术得以实现，由于目标数据精度还不够高，海浪雨雪干扰存在，跟踪方法和技术还不够完善等，使雷达目标跟踪存在“误、漏、丢、混”等质量问题。而AIS目标跟踪是基于目标识别，利用目标的MMSI实现目标跟踪，跟踪可靠性高，并能使跟踪范围得到扩展。（7）可消除某些雷达的遮挡区由于附近陆地、桥梁、建筑物等障碍物以及大船对其后的小目标对雷达电波的遮挡较严重，会使遮挡区雷达的跟踪目标丢失，且雷达存在近距盲区，近距目标图像和数据不能显示。而在VHF频段电波的上述遮挡区要小得多，使AIS目标跟踪可在大多数情况下避免这类跟踪目标的丢失。3 雷达与AIS在VTS中的综合应用(1)AIS数据与雷达数据融合通过信息融合技术，将AIS的动态数据与雷达的动态数据融合，将AIS跟踪的目标信号显示在雷达器上，可发挥两种目标数据的各自长处，改善VTS对目标的探测和跟踪性能，目前VTS中心的多传感器综合处理器已具备此功能。另外，AIS提供了另一种对船舶的监测与跟踪的手段，可增加VTS的系统冗余，使系统对船舶的跟踪可靠性进一步提高。(2)AIS数据与雷达数据相关联在VTS中心同时安装雷达和AIS, 将AIS的静态数据和航次相关数据与VTS的船舶数据库关联，可以减轻VTS中心工作人员的工作负担，让VTS中心人员精确地锁定过往船舶，防止物标丢失，给VTS对船舶航行实施更有效的服务管理带来便利。（3）在搜救中的应用在所有搜救船舶、搜救直升机上装备AIS,可使搜救工作更加有效，配合雷达和搜救应答器的使用，VTS中心能迅速确定遇险船舶位置以及获取在船人员数量、遇险类型和船舶状况等信息，并能监测搜救工作进度，有效地指挥可用资源，保证没有搜救空白。对于没有装载AIS的遇险船舶，现场指挥者可以设定一个伪AIS目标。这样有利于高效、迅速地实施海上搜救，有助于对搜救行动的管理和评估。 (4)在航标方面的应用配备了AIS的实体航标（灯塔、浮标等），可用报文21向覆盖区域内的船舶和岸站发送自己的位置和其他身份数据。同时，通过发射电文21，设置实际航标并不存在的“虚拟AIS航标”，这些数据可被船载AIS接收并显示。同时，结合灯塔、浮标等上安装的雷达应答器，VTS中心和海上航行船舶可以清楚地识别海上灯浮标，对于海上船舶的安全航行和VTS中心的安全监管和优质服务起到了双保险的作用。4 AIS在VTS中的扩展应用设想IMO把AIS二进制电文的应用定义为AIS适用专用电文，AIS可以用二进制电文6和8自主编码，编制不同的信息电文。例如扩展船舶静态和航次相关数据（如船舶卫星电话号码、INMARSAT C站ID码、船舶上一港等信息），气象和水文数据（如海区的天气、海况、能见度、温度、甚至CCTV图像等信息），实现海上搜救信息通过AIS系统传递，可以减少语音通信，提高信息交换的可靠性和减轻操作人员的工作负担。适用专用电文在海上搜救过程中通过AIS系统信息传递的实现：（1）适用专用电文可由AIS船舶移动站和AIS基站收发。VTS中心可接收由岸基台站接收的船舶静态和航次相关数据和海区气象和水文数据。（2）显示AIS适用专用电文信息内容，除AIS设备外，还需要额外的硬件和专用软件，适用专用电文的生成和发射也需要专用软件和适当的信息输入设备。（3）ITU-RM.1371建议规定了适用专用电文的技术特性和电文结构。针对不同的应用，有不同的AIS适用专用电文的内容和格式。（4）由于适用专用电文的应用增加了VDL的负荷，必须谨慎使用，确保VDL的完好性，不得妨碍AIS的主要功能。5 结论在VTS中，AIS和雷达一样，可以作为传感器对目标数据进行采集；可以通过多传感器数据综合处理服务器对目标进行跟踪；可以通过显示与操作处理器在交通显示器上对目标进行显示。两种技术手段各有特点，不能以一种取代另一种，相互配合运用，则可使VTS功能得到进一步提高。参考文献1 王世远.航海雷达与ARPA.大连海事大学出版.1998.2 张杏谷.AIS助航规范与应用.大连海事大学出版社