VTS中雷达和AIS的技术应用与进展解析.ppt

VTS中雷达和AIS的技术应用与进展,思考测验题,1.雷达在VTS中的主要作用是什么？雷达的主要性能指标有哪些？2.比较AIS与雷达在VTS中应用的类似之处。3.总结AIS和雷达在VTS的应用中各自具有的特点。4.*对综合应用雷达和AIS的建议或设想。,0VTS的系统结构1雷达技术2雷达数据处理3AIS技术,VTS的系统结构,VTS系统由前端站点、VTS中心和连接它们的信息传输与网络子系统组成。,前端站点有数据采集和通信设备（雷达、VHF、AIS、CCTV、水文气象等）。VTS中心有数据处理和操作显示设备（雷达数据综合处理、管理信息处理、交通显示与控制、多媒体数据记录等）。,AIS和雷达的应用类似之处能采集船舶交通信息能对目标进行跟踪所采集信息均由多传感器数据综合处理器处理并在交通显示器上显示所采集信息均由多媒体数据记录器记录所采集信息均引入管理信息处理服务器AIS和雷达在数据种类、精度、目标跟踪机理等方面有不同特点充分发挥各自特点并相互弥补，对VTS的功能扩展和管理水平提高有很大意义。,1雷达技术,1.1雷达在VTS中的作用1.2雷达作用距离1.3VTS雷达天线1.4频率分集雷达的应用,1.1雷达在VTS中的作用,1.1.1雷达的用途和基本功能1.1.2雷达的组成1.1.3雷达的主要使用性能,1.1.1雷达的用途和基本功能,主要用途交通监视及船舶实时动态数据收集。基本功能探测：发现进港船舶并预计到港时间；发现交通事故的潜在危险及锚泊船舶走锚等。定位：测定船舶的地理位置及相对位置。显示：显示水域内交通状况。信息源：向雷达数据处理子系统提供信息，使之能对目标信号进行检测、跟踪和参数计算。,基本特点（1）能观察覆盖范围内全景图像（2）能获取目标的动态数据距离和方位数据直接获取，精度较高；航度和航（迹）向数据是由距离、方位数据计算的平均值；目标的大小、艏向等数据估算误差较大；不能识别目标和获取目标的静态信息；（3）监测性能受海浪雨雪等杂波干扰较大,1.1.2雷达的组成,发射机：工作频率f0和波段0、输出脉冲功率PT、脉冲重复频率f、脉冲宽度等。接收机：工作频段与选择性、灵敏度Prmin、波形失真（与通带宽度有关）、动态范围、抗干扰性、稳定性等。天线：增益GA、水平波束宽度、垂直波束宽度、旁瓣电平、极化、转速等。显示器：显示雷达数化视频、处理视频（代表目标的各种字符、运动矢量线、航道线、危险符号等）和电子海图等；主要技术指标：显示量程、显示分辨率、显示对比度等。,1.1.3雷达的主要使用性能,探测范围（通视距离）在实际地面上的水平直视距离。最大作用距离在平面上探测标准反射体能够达到的最大距离。测量精度包括静态测量精度(测距、测方位)和动态测量精度（测距、测方位、测航速、测航向）。分辨力区分邻近目标的能力，包括距离分辨力和方位分辨力。,1.2雷达作用距离,1.2.1雷达通视距离,受地球曲率和大气折射影响，由下式确定,岸台雷达天线高度,船舶等目标高度,通视距离与岸台雷达天线和目标的高度、气象条件等有关，与雷达性能无关。,1.2.2自由空间雷达最大作用距离,PT：雷达发射功率,GA：雷达天线增益,：雷达工作波长,Prmin：接收机门限功率（灵敏度）,T：目标反射截面积,最大作用距离与发射功率、接收机门限功率（灵敏度）、天线增益、目标反射截面积等因素有关，是雷达系统整体性能（雷达威力）的体现。,1.2.3传播条件对作用距离的影响,（1）受通视距离限定通视距离是雷达最大作用距离的极限值。,（2）水面或地面对电磁波的反射目标处和雷达天线口径处的场强是直射波和水面反射波的叠加，场强可能增加，也可能减弱，因而影响雷达最大作用距离。,（3）电磁波在大气和波导中的衰减,a波长与大气衰减关系30cm时，电磁波在大气中损耗小；10cm时，电磁波在大气中衰减明显。10cm雷达在大气中衰减及受雨雪海浪干扰比3cm雷达小得多，雨雪天气使10cm雷达对减少雨雪干扰和观测较远距离目标会有较好效果。,b.最大作用距离与大气衰减关系,存在大气衰减时的雷达最大作用距离自由空间雷达最大作用距离电磁波在大气传播中每单位距离的功率衰减，与雨、雾等气象状况有关。,c.电磁波在波导中的损耗,电磁波在波导中的损耗会减小雷达最大作用距离，故天线到收发机的波导不宜过长（一般在1015m以内）。,1.2.4反射信号和噪声的起伏特性的影响,起伏特性影响接收机输入端的信噪比，即影响Prmin，因而影响最大作用距离。,起伏特性：,目标反射特性、雨雪海浪杂波干扰和接收机内部噪声都具有随机起伏特性。,影响：,1.2.5增大最大作用距离途径,（1）增加发射功率增加发射功率最大作用距离增加缓慢；会使雷达设备复杂化，工作可靠性降低，耗电增加，一般不采用此法（通常为25kW）。目前发射机磁控管实际使用寿命可达900016000小时。发射脉冲宽度最窄不小于0.04s，一般为0.05s，使距离分辨力的进一步提高受限。,（2）提高接收机灵敏度,提高接收机灵敏度对最大作用距离的影响较微弱，但没有增加发射功率带来的问题，故接受机前端通过采用低躁声器件等技术，以尽量提高接收机灵敏度（前端躁声3.5dB）。,接收机框图,低噪声射频放大器、前置中频放大器和镜频抑制混频器保证了接收机具有低噪声、高灵敏度性能；所采用的对数放大器动态范围可高达125dB以上。,（3）提高天线增益,天线增益与最大作用距离为平方根关系，提高天线增益对增加最大作用距离效果较显著。提高天线增益的方法：a.减小水平波束宽度b.减小垂直波束宽度(4)采用圆极化天线圆极化天线可抑制雨雪干扰，使雷达在雨雪天气中作用距离较远，探测目标效果较好。,（5）采用分集技术,通过分集处理，可以使目标回波增强，雨雪海浪等杂波干扰受到抑制，雷达最大作用距离增大，性能得以提高。分集处理可以采用频率分集、极化分集、空间分集、时间分集等技术，涉及到雷达信号的发射、接收和处理等环节。目前已有用于VTS中的定型产品。,1.3VTS雷达天线,1.3.1抛物面天线早期使用较多，现很少使用。优：水平尺寸可以较长，使水平波束较窄，可达到0.1；易实现极化转换，最大辐射方向不随工作频率变化。缺：重量大、风阻大、驱动功率大、副瓣电平较高。,1.3.2开缝波导天线,现使用较多。优：方向图较好、重量小、风阻小、驱动功率小、副瓣电平低；缺：水平边不能太长，使水平波束不能太窄，目前最长做到22ft。垂直波束（扇形）宽度为14时，几种天线增益:12ft：32.5dB(0.6)；18ft：35dB(0.45)；22ft：36.5dB(0.38)。,减小垂直波束宽度可提高天线增益船用雷达天线一般20左右。交管雷达天线一般1015。当取11时，21ft开缝波导天线增益3738dB（水平波束0.36）。减小垂直波束宽度需加大天线口径垂直边尺寸。,开缝波导天线结构示意图,1.3.3圆极化天线圆极化由位于喇叭口的圆极化器产生。圆极化器由多层周期结构的斜置导体条阵列构成，对天线垂直波束内雨滴的后向散射波在全频范围均能有效消除。21ft开缝波导圆极化天线的主要技术指标：垂直波束（扇形）宽度11，水平波束宽度0.36，增益38dB。,1.3.4倒余割平方天线,垂直波束为倒余割平方形优：天线水平方向以上空中辐射小；雷达最小作用距离（近距盲区）小；对远近距离目标照射较均匀。适用于岸用雷达。,指标：垂直波束宽度11，水平波束宽度0.36，增益38dB（水平极化）或37dB（圆极化）。扇形波束天线与倒余割平方波束天线的盲区角度示意图,1.3.5大口径天线口径垂直边尺寸620mm,口径面上有圆极化器，垂直波束为扇形波束。在圆极化器内有一仿真透镜，使垂直波束形状较为理想。,大口径天线结构,技术指标：垂直波束宽度4，水平波束宽度0.36，增益42dB。天线重量约450kg，加上旋转单元总重约800kg(普通开缝波导天线约170kg和400kg)。,垂直面辐射图,1.4频率分集雷达的应用,1.4.1应用目的与基本原理1.4.2组成框图1.4.3天线辐射波束的变化1.4.4分集优点1.4.5视频信号处理1.4.6频率分集雷达应用前景,1.4.1应用目的与基本原理,应用目的抑制杂波干扰，增加雷达作用距离。基本原理多部发射机通过同一天线同时或交替发射不同载频、但脉冲宽度和重复频率完全相同的信号。回波信号经多路相应频率的接收机处理后叠加，再送到显示器。多种频率信号叠加可提高信噪比，降低目标回波起伏，增加雷达最大作用距离，提高雷达的测量精度、抗干扰能力和可靠性。,1.4.2组成框图,收发机2台。发射机产生功率、脉宽、重复频率相同，但载频不同（9170MHz和9438MHz）的高频脉冲序列，同时或顺序交替发射。接收机分别工作在与发射机相应的频率上，内部组成与常规接收机基本相同。天线1副，2收发机共用。频率分集处理器分别对接收机输出的两路对数视频进行噪声抑制、数字FTC（短时间常数，即微分电路）处理后，进行滑窗检测和积累、合成（相加或相乘）解相关处理。,1.4.3天线辐射波束的变化（斜视角）,开缝波导天线的水平波束最大辐射方向一般与波导面的法线方向有一小夹角，称之为斜视角。,斜视角（Squint）：,斜视角大小与频率有关，相应于频率分集的两个不同频率，斜视角分离为F1和F2,斜视角分离开缝波导天线的水平波束最大辐射方向一般与波导面的法线方向有一小夹角，称之为斜视角（Squint）。斜视角大小与频率有关，相应于频率分集的两个不同频率，斜视角分离为F1和F2。时间分集斜视角分离性能带来了一个附加优点：不同载频辐射的脉冲因斜视角分离使其辐射方向有一差别，对于旋转的天线来说，相当于对同一方向的辐射延时，两波束之间延时的典型值是2040ms，一般海杂波发生变化的时间（特别在大风浪时）比此大得多。利用回波进行积累时，不仅提供了频率分集，而且提供了时间分集。,1.4.4分集优点,随机（起伏）特性目标、雨雪海浪等对电磁波的反射具有随机（起伏）特性，对不同频率和不同时间发射的电磁脉冲的反射性能随机变化。目标反射性能随机变化较慢且小（即相关性强），雨雪海浪反射性能随机变化较快而大（即相关性弱）。积累检测雷达对回波的检测采用积累检测。分集或相关处理基于随机（起伏）特性，使目标回波通过积累合成（进行分集处理或解相关处理）得到加强，而雨雪海浪回波（杂波）通过积累合成（进行分集处理或解相关处理）被减弱，因而信杂比增加。,（1）反射随机（起伏）特性和积累检测,（2）优点,总辐射功率是非相干集成的两个脉冲功率的总和。,来自许多独立脉冲的信号积累后，目标的起伏性减弱。,目标回波（相关性强）将相加，散射干扰源回波即杂波（相关性弱）将被平均而非相加。综合效果是减弱干扰，增强目标的信杂比。实测结果：比单频收发机工作杂波减弱56dB，灵敏度自动增加5dB；带给小起伏目标的收益典型值为6dB，总性能改善可达1012dB。,1.4.5视频信号处理,主要作用对输入视频信号进行8bit模数转换、数字处理，并以3种格式输出处理后的视频信号。,2路模拟视频信号处理经模数转换（80M采样频率）、扫掠相关（由4次扫掠中的3次形成）和噪声抑制（主要是白噪声）、数字FTC（快时间控制）滤波微分后，进行扫掠存贮，进入滑窗检测器滑窗检测器处理进行积累和合成处理，包括频率分集运算、斜视角补偿和距离差补偿。,在1.4.2组成框图中，海杂波鉴别器（SCD）在3个通道中完成扫描扫描相关处理。,第1通道完成低阈值且超过3次连续扫描的滑窗相关处理，可对低速（典型值8节）的极小目标与杂波进行鉴别。第2通道完成低阈值且超过2次连续扫描的滑窗相关处理，可对中速（典型值16节）的小目标与杂波进行鉴别。,第3通道没有扫描扫描相关处理，但具有正常的检测阈值用以检测较高速度的目标。检测速度16节且具有足够的尺寸或产生的尾迹足够长的船舶。其他足够快的运动目标也将通过这一通道，但非常小的快速目标，如鸟群，将被去除。,1.4.6频率分集雷达应用前景,在雨雪海浪干扰大的环境中，具有抗干扰性能强、作用距离较远的优点，在VTS中具有良好的应用前景。曾在天津港VTS一期工程使用。可将VTS雷达的工作收发机和热备份收发机根据频率分集要求采用不同的工作频率，再加上频率分集处理器构成频率分集雷达。平时其中一台收发机工作；当雨雪海浪干扰大时，两台收发机同时工作即可变成频率分集雷达。比单频、双热备份雷达成本增加不会太多，目前约增加30。,2雷达数据处理,以计算机为中心的雷达数据处理子系统是第三代VTS的核心和主要标志。雷达数据处理分为三级一级：目标回波视频的录取处理二级：目标的跟踪处理一级处理和二级处理由设置在雷达站的雷达数据处理器完成三级：多雷达站目标数据的综合处理由VTS中心的多传感器数据综合处理器完成；处理结果经显示与控制处理器处理后，在交通显示器上显示。,2.1雷达数据处理器,组成：视频录取器和跟踪处理器（1）视频录取器模拟雷达视频数字化处理滤除杂波干扰目标自动检测和录取、视频屏蔽、回波合并数字视频的数据格式化对录取器的数字化遥控和雷达的遥控与状态检测形成规范的目标数字化视频报告和目标标绘报告,（2）跟踪处理器,生成航迹线将天线每次扫描的点迹数据通过航迹外推、航迹相关和平滑估值，生成目标的一条连续光滑的航迹线。实现目标自动跟踪计算数据计算出目标间的CPA（最接近点）、DCPA（最接近距离）、TCPA（到达最接近点时间）等数据。,跟踪可靠性改善,（1）跟踪失败主要原因跟踪波门、速度和算法不适应目标的机动性和水域条件变化发现概率太低或出现目标遮挡（掩蔽）跟踪分辨率太差对目标的特征参量参考引用太少或未引用等,（2）改进跟踪可靠性方法,采用对目标机动性能适应性强的跟踪滤波算法（卡尔曼滤波算法、双卡尔曼滤波算法）采用自适应跟踪波门调整技术引入电子海图信息（岸线）和目标的尺度、回波强度、运动参数等以利于对目标进行识别采用目标运动模拟算法等,2.2多传感器数据综合处理器,（1）基本功能对多雷达站的综合数字视频进行信息融合等三级处理进行告警处理对数字化原始视频进行分送提供与其他子系统的信息交换接口等,（2）三级处理主要任务,统一时间和空间的参考基准数据归并（融合）将各传感器的目标航迹数据（包括目标的坐标、运动参数以及其他特征参数）加以识别，将同一目标的航迹数据进行归并（融合）。统一跟踪和参数计算建立统一的航迹、统一的跟踪；进行其他数据处理和运算。,2.3相邻VTS的雷达共用,（1）采用VLAN技术实现雷达共用在共用雷达站加接雷达数据处理器和相应的网络器件通过相邻VTS的信息传输与网络子系统将共用雷达站与相邻VTS中心相联，该雷达与相邻VTS中心即构成一个VLAN相邻VTS中心的多传感器数据综合处理器等就可对加接雷达数据处理器输出数据进行处理,（2）采用VLAN技术方案的特点,不同VTS中心的雷达可构成多个雷达VLAN，实现更大区域的雷达信息共享。交管雷达VLAN可灵活组建，不同雷达VLAN之间相互隔离。交管雷达VLAN不受不同产家雷达型号不同的限制。VTS中心一般对不属于本中心的共用雷达不能进行操作控制，但对该共用雷达的雷达数据处理器可独立进行操作控制。相邻VTS覆盖交叠区运动目标的识别和跟踪问题，变成了同一VTS中相邻雷达站覆盖交叠区运动目标的识别和跟踪问题，在技术上比较容易解决。,3AIS技术,3.1岸基AIS网的基本功能3.2岸基AIS与VTS中心的连接3.3AIS与雷达应用功能的比较3.4AIS的具体应用3.5AIS应用中存在的问题,AIS技术引入VTS,AIS采用的基本技术是VHF频段上的一种数据交换技术。岸基AIS网的建立，使船岸数据交换有了一种新手段。岸基AIS网搜集的船舶数据引入VTS，使VTS多了一种船舶数据传感器，对雷达是一种很好的补充，使AIS可在VTS中发挥重要作用，成为VTS的有力工具。,3.1岸基AIS网的基本功能,3.1.1岸基AIS网的网络结构,（1）AIS基站控制器(BSC),连接基站和AIS网络，并负责它们之间的通信。在RS232和TCP/IP协议之间进行转换NMR-1000通过访问基站控制器来升级基站的软件作为用户特殊应用的平台，如用来整合气象数据在双机热备份配置时，基站控制器能够自动在主、备之间进行切换,（2）网络信息路由器（NMR）,基本功能具有路由器和服务器的双重功能作路由器，为信息选择路由；作服务器，把信息分送到所连接的主管机构和其它类型的用户。处理“AIS/VDL网络”的信息（过滤重复信息）与基站建立接收或发送关系与地区性、全国性的NMR连接,NMR-500区域服务器具有核心地位，负责建立和维护其配置文件中定义的与基站之间的连接处理系统与基站之间以及与客户端之间消息的接收和发送将需要发送的消息送到距离消息目的方最近的基站过滤因基站重叠覆盖而接收的重复信息由网络管理器进行控制和设置、升级,NMR-800网关,提供（专用）客户端与AIS网络连接的接口充当AIS网络和客户端所处的外部局域网之间的软件防火墙为达到预期的安全级别，设置了基本的安全规则来验证从客户端发出的消息的正确性，并防止攻击由网络管理器监控和更改设置,NMR-1000国家服务器,是AIS网络的控制器，负责控制NMR-500和NMR-800监视网络的运行状态，提供报警、更改系统配置和更新软件等功能处理和维护不同客户端对AIS网络的操作和影响，可由网络管理员设置和限定用户使用AIS网络资源的权限负责记录功能,NMR-1800网关,提供互联网客户端与AIS网络连接的接口起防火墙作用，负责与互联网联接中的网络安全处理，把受信任的NMR从网络委托程序与所在的不受信任的LAN网络隔离开,3.1.2岸基AIS系统基本功能,（1）与船舶的数据传输功能收集船舶播发的AIS数据并进行过滤、存贮和传输。选择合适基站向船舶播发来自陆上用户的数据。（2）组网与应用功能组网能力强、容错性能好、网络的安全性能得到可靠保障。应用面广，用户接入岸基AIS系统方便灵活，可通过INTERNET实现全球联网。,3.2岸基AIS与VTS中心的连接,从岸基AIS网的NMR-800接入VTS中心,岸基AIS接入VTS中心后能达到的基本要求,引入岸基AIS网搜集的船舶数据（静态数据、动态数据、航程相关数据和其他船舶安全数据）。在多传感器数据综合处理器将AIS数据与雷达数据进行融合处理，实现雷达目标的自动识别；将AIS目标与雷达目标在交通显示器上共同显示。将静态、航程相关等数据与VTS中心船舶数据库相关联并自动入库、可供查询，减轻VTS值班人员手工录入工作。在多媒体数据记录器记录AIS数据。,3.3AIS与雷达应用功能的比较,3.3.1雷达应用特点（1）是目标的主动探测装置（2）可探测和获取覆盖范围的全景图像（3）可获取目标的图像数据（4）不存在目标数量饱和问题（5）可对前端雷达设备进行操作控制,3.3.2AIS应用特点,（1）可实现自动船舶识别（2）船舶数据的种类多（3）船舶动态数据精度高（4）目标跟踪范围大（5）抗雨雪海浪干扰性能强（6）目标跟踪性能好跟踪可靠性高；可消除某些雷达的遮挡区（7）能实现与船舶的数据通信,3.4AIS的具体应用,（1）AIS数据与雷达数据融合可发挥两种目标数据传感器的长处，改善VTS对目标的探测和跟踪性能。（2）AIS数据与船舶数据库关联给VTS对船舶航行实施更有效的服务管理带来便利。（3）船舶交通流量统计分析可得到特定海域的船舶航行特点和规律，有利于提高船舶交通管理的能力。,（4）海上事故查证分析对海上交通事故，特别是发生在雷达覆盖区以外的事故，通过对AIS记录的船舶动态数据和航行轨迹的回放、分析和模拟实验，可以得到有价值的结论。（5）对船舶排污监视和违章排污船舶查找,（6）改善和扩展VTS服务功能,传输安全相关电子信息用AIS的标准电文12（安全相关寻址电文）和电文14（安全相关广播电文）进行传输。提供航行建议和助航服务电子信息用AIS的标准电文6（二进制寻址电文）和电文8（二进制广播电文）进行传输。,传输航路点通告和/或航路计划电子信息用AIS的寻址二进制电文6或广播二进制电文8传输。用于搜救或工作船艇指挥咨询和记录利用AIS的寻址二进制电文6或广播二进制电文8传输。增强VTS之间互动潜力实现在不同VTS之间传输由AIS获取的船舶详细信息。,3.5AIS应用中存在的问题,3.5.1VDL链路的问题3.5.2岸基AIS网及有关管理问题3.5.3船载AIS的问题,3.5.1VDL链路的问题岸基AIS系统通过VDL链路与船载AIS进行数据传输，VDL链路出现时隙复用时，船岸数据传输会产生阻塞。（1）链路过载时出现时隙复用通信容量为估计简单，可设=6（s），则=225,当水域中实际船舶数量超过时，VDL链路过载，移动用户的数据传输会因时隙复用而产生阻塞。（2）不同通信小区的船站发生的时隙复用岸基AIS天线高度高于船站AIS天线，其通信小区半径大。处于岸基AIS通信小区范围内的船站，其通信小区小，且不同位置的船站其通信小区范围也不全一样，各AIS船站与本船站小区之外其他AIS船站因相互“看不见”可能发生时隙的复用。,岸站通信小区大于船站通信小区示例,（3）时隙复用后果岸站通信范围越大，移动用户数量越多，时隙复用概率就越大。时隙或造成两时隙复用船站发送数据混淆，或造成近距船站覆盖远距船站数据。（4）减少时隙复用措施限制水域内船舶速度、减小岸站作用范围、减小传输频道的射频干扰、增设区域性频道等。,3.5.2岸基AIS及有关管理问题,岸基AIS系统的基站站址选择我国岸基AIS系统基本按照航标系统来规划AIS基站的选址，与VTS根据管辖水域交通管理的需求设站，可能存在差异。岸基AIS系统运行问题的发现和解决VTS不是岸基AIS系统的管理者，在使用中发现的AIS运行问题无法自行解决。,对用户需求的进一步满足目前VTS对AIS的应用，主要局限于对接收