信息工程
一种用于导航雷达标校的专用AIS设备
汪铭东
（92932，广东湛江，524016）
摘要：基于导航雷达和通用AIS设备的基本原理，通过对现有AIS设备的改造，设计了一种专用设备，可以用于导航雷达的快速标校，保障船舶航行安全。
关键词：AIS；船载导航雷达；标校
DOI:10.165/j.cnki.cn11-3571/tn.2019.07.020
0 引言
现代船载导航雷达的主要功能是海上避碰，需要及时发现海上目标。所以，导航雷达对海上目标测量有一定的精度要求，如果雷达发生较大的偏差，造成目标测量数据不准确，会对船舶航行安全带来不利影响，所以，经常需要对导航雷达进行标校。通过标校，及时发现这些偏差，并对导航雷达进行相关调整，保证测量的准确度，就可以消除隐患，保障航行安全。
但是传统的雷达标校方法较为复杂，需要专业人员进行作业，标校步骤较为繁琐，对设施、设备的要求较高，实施难度较大。
AIS是目前广泛使用的船载设备，由于导航雷达对精度的要求不是很高，可以依靠AIS数据，提供相对比较可靠、容易获取的真值，完成导航雷达的标校。
雷达标校的关键，是真值数据的获取。通过对通用AIS进行改造，并架设在航标灯上，就可以在海上建立一个无人值守的标校播报点，过往的船舶都可以利用该标校点，对本船雷达测量精度进行检查，具有简单、方便和快捷的特点。
1 技术方案
本专用设备设计的基本思路，是将一部经过改造的AIS设备，架设在海面上的航标灯（或者水鼓，以下简称航标灯）上，自动发送该航标灯的位置信息。需要进行标校的船舶，利用该设备发送的AIS信息，对本船的导航雷达进行标校。■ 1�1 传统的雷达标校方法
标校是检查、保持雷达测量精度的有效方法，通过一定的技术手段，对雷达的测量数据进行分析，及时发现雷达测量存在的误差，并通过调整，减小这些误差，确保雷达测量数据的误差在指标范围内。
目前，对雷达进行标校主要有两种主要的方法：标校塔法和有源标法。
标校塔法是指利用专门的标校塔，对船载雷达进行标校。标校塔要进行专门建设，上方必须要有增大雷达反射面积的角反射体，并且使用精密的测量工具（如激光测距仪、大地经纬仪等），测量出船舶某个泊位和标校塔的精确距离
和方位数值，作为真值。船载雷达进行标校时，靠泊在特定的泊位上，雷达开机搜索标校塔回波，将标校塔回波的方位和距离稳定测量出来后，与原先的真值进行比对，如果误差超过指标要求，就必须对雷达进行调整，待调整完成后，还必须再次进行测量，验证调整的效果，直至误差指标合格。
在该方法中，标校塔的建设成本较高，对雷达操作手的要求也较高。由于标校塔只能建设在陆地上，所以雷达操作手需要在复杂的地物杂波中区分出目标，并进行准确捕获，实施难度较高。
另外一种方法是有源标法，该方法是在标校塔法的基础上改进而来。由于近区地物杂波的干扰，原先标校塔法寻找目标的难度较大，所以有源标法采用一部有源信标机，接收到雷达信号后，延迟一段时间，再转发出一个一模一样的射频信号，这样，雷达回波就可以在远离近区杂波的地方显示出来，非常有利于发现目标。由于延迟的时间精确可控、可测量，所以在信标机同一个地方架设一部差分GPS/北斗设备，就可以精确给出目标的真值。
雷达通过捕获产生的标校回波，得出的测量值与真值进行比对，就可以得到雷达测量的误差，如果超差，就需要对雷达进行相关调整。显而易见，有源标法是最为科学和可行的雷达标校方法，但是该方法对配套设备的要求较高，对操作人员的专业素质要求也较高，实施难度也不小。
传统的标校方法较为严谨、复杂，导致目前没有简单可行的导航雷达标校方法。■ 1�2 AIS基本原理
AIS是船舶自动识别系统的简称，按照相关规定，基本上所有船舶都需要安装AIS，是保障航行安全的重要手段。
如图1所示，架设在A、B两船上AIS的结构是完全一致的。其基本原理，就是A船利用GPS/北斗天线，进行自身定位，在将信息送至主处理器的同时，也将这个定位数据通过VHF信道向外发射；当A船AIS接收到B船发出来的这些相同信息（含B船此时的自身定位数据）后，通过与A船自身的位置信息进行运算，就可以得出B船当前相对于A船的方位和距离信息，并在显示屏上显示出来；同理，B船上也可以显示A船的相关信息。同时进行显示的，还有海
www�ele169�com | 55
信息工程
上附近各船的呼号、国籍、航速、航向、类型等其它重要信息。通用AIS设备附属的GPS接收器由于精度不高，故另 图1 AIS工作原理示意图
有些特制的AIS设备布置在岸边、甚至卫星上，它们只有接收机，没有发射机，而且这些接收机在接收到附近的AIS信号后，会将这些信息向万维网发布。这样，只要接入万维网，就可以知道地球上任何一艘船所处的经纬度、位置等信息。
如果将一部AIS架设在海上孤立目标（如海上的航标灯或者水鼓）上，利用AIS基本原理，过往的船舶可以随时接收到这一套AIS的信号，可以在本船的AIS上快速读出相对应的方位和距离，为本船的标校提供一个切实可用的真值。另外，由于是孤立目标，在雷达回波中，也可以很方便地分辨出来，降低了雷达操作手的操作难度。■ 1�3 基于AIS系统的标校系统
综上所述，通过对通用AIS系统进行一定的改造，并将其架设在航标灯上，就可以构建一个非常实用的快速标校系统。图2为系统框图。
图2 系统框图
该专用设备由高精度定位模组及天线、太阳能电池板、蓄电池及控制器、专用AIS主机组成。56 | 电子制作 2019年04月
外采用了高精度、多模定位模组及天线，保证系统自身的定位精度达到要求；太阳能电池板和蓄电池及控制器，采用成熟的路灯电源技术，为系统提供可靠的电源供应，并设定在白天工作，晚上停止工作；专用AIS是在通用AIS的基础上，经过了相关技术改造，作为系统主机使用；另外，直接使用了原有的VHF天线。■ 1�4 标校方法
如果需要进行导航雷达标校时，可以将船舶行驶到加装了专用AIS的航标灯附近，最好降低航速或者漂泊，保持在距离航标灯2-3公里左右。
观察本船AIS，在AIS上找到用于标校的特定呼号的AIS目标，并注意观察该目标。
导航雷达发射，在对应的大致方位和距离上，发现并稳定捕捉/跟踪该航标灯。
听令同时记录该目标的方位和距离值，间隔一定时间，雷达数据更新时，记录多组数据。记录完成后，将数据进行算术平均，取平均值，并将运算结果进行对比，如果方位和距离的偏差在误差允许范围内，则标校结束；如果超过允许的误差范围，则需要对雷达进行相关调整，如方位超差，则需要调整零位码盘等，调整完成后，还需再进行测试，验证调整的效果，确认已经降低误差，直至达到允许的误差范围。
由于是同时记录，基本保证了数据获取的同时性。如果标校精度要求不是太高，也可以船舶在低速航行时，同时完成标校作业，非常便捷。
2 标校方案的可行性
根据雷达标校的基本原理，一般情况下，真值的精度要高于被测系统的三分之一，例如，雷达距离误差是90米，则标校的真值精度要在30米以内。
目前，导航雷达距离最高精度为20米，则真值的精度要在6�7米以内；大多数导航雷达方位精度是1°，则真值精度要在0�33°左右。
目前，市面上多模GPS/北斗单站定位误差，最好的可以控制在5米以内。经过实测，由于航标灯上空非常开阔，静态漂移较小，好一点的GPS多模模块的定位误差可以控制在1米以内。如果双站叠加，叠加被标校船舶GPS误差，误差最大值可以控制在5米以内，基本可以满足距离标校的误差要求。
以5米的距离定位精度，如果在1km的距离上，可以将方位误差控制在0�28°以内，基本满足方位标校的精度要求；距离更远，方位精度更高。
（下转第54页）
智能应用
通信模块发送到Arduino和电脑终端，数据分析处理后一方面在七寸液晶屏上进行数据显示与存储，一方面在电脑终端进行数据处理后，最终达到数据显示与存储的目的。
预警得以实现[Z]�2013�
＊ [3]张连强，生命体征智能检测系统的设计[J]�中国医学期刊�2017(12):46-47�
＊ [4]薛茹，吴宗胜，邵美云�基于GPS/GPRS的远程生命体征检测系统，东南大学移动通信国家重点实验室开放研究基金资助课题[J]�2013(12):20-23�
＊ [5]王锡龙，基于WSN技术的生命体征（体温）检测系统研究与应用[D]�2013�
＊ [6]路国华，王健琪，杨国胜，王海滨，荆西京，非接触生命体征检测系统中噪声的非线性压缩[J]�现代电子技术�2001(6): 316-317+366�
＊ [7]廖廓，生命体征检测仪与电子病历数据库对接的设计与实现[M]�湖南,湖南湘潭市中心医院信息科�2013�
＊ [8]杨居义，单片机课程设计指导[M]�北京，清华大学出版社�2011�＊ [9]刘军，例说STM32[M]�北京，北京航空航天大学出版社�2011�＊ [10]唐良勇，赵恒;，张亚菊，基于WA-EMD算法的脉冲式超宽带雷达多目标生命体征检测[M]�南京，南京理工大学出版社�2017�
5 结语
本设计主要是对智慧医疗平台检测系统的设计与研究。对于软件程序编写上相比较而言存在很多问题，而且对于系统硬件电路主要运用了以传感器为重点的设计。利用类似传感器所采集的数据精确度进行对比，实现了误差最小化的数据显示。本设计采用了按键控制程序设计将数据输入STM32进行指令编码而后发送Arduino和电脑，数据分析处理完成在七寸液晶屏和电脑终端分别显示五个生命体征参数并进行存储。
参考文献
＊ [1]侯强，高月，生命体征无线智能检测仪[C]�2014�
＊ [2]从丝丝，患者生命体征的本体驱动监测使个性化医疗检测与
（上接第56页）
另外，由于航标灯为海上目标，非常有利于雷达捕获目标，有利于精确读出目标回波在导航雷达上的测量数据。
发射功率；根据系统原理，该设备只发不收，所以拆除了原有的接收电路。通过以上几个方面的努力，大大降低了整机功耗，满足了系统工作需求；
（3）防水防腐蚀。设备安装在航标灯上，所处环境较为恶劣，容易被海水侵蚀，造成设备的腐蚀。所以必须在多个方面进行综合设计，如采用一体化机箱、涂覆抗腐蚀材料、预留导水槽、采用抗腐蚀紧固件等，保证设备具有一定的无故障运行时间。
3 关键技术点
该设备解决了以往导航雷达不方便标校的难题。在一定距离上（最好静止、2公里以上），可以直接对本船的导航雷达进行精度标校，如果精度要求不高，甚至可以船舶边走边检查，整个标校过程非常便捷。
在研制过程中，为了实现设计目标，必须解决如下几个关键技术难点：
（1）AIS的改造。按照现行AIS通用规范，如果本船不运动，向外发送的频度为3分钟一次，众所周知，3分钟内，海上目标基本上已经偏离原有位置，满足不了标校要求。因此，需要对原AIS的软件程序进行修改，把静止状态下的发送频度，提升至2秒钟一次，基本可以满足标校要求；另外，为了不对AIS的正常使用造成干扰，需要在本设备AIS报文中设置明显的名称、类型等，防止其它船舶误判。同时，也有利于进行标校作业的船舶快速找到该目标。
（2）功耗控制。由于采用太阳能电池板供电，且航标灯可用面积较小，了系统总的功耗，所以必须想方设法降低整机功率。设备是无人值守状态，所以拆除了原AIS的液晶显示屏，大大降低的主机功耗；另外，只要保证附近的船舶（5公里以内）可以收到信号，所以降低了发射电路的54 | 电子制作 2019年04月
4 结束语
通过研制本专用设备，可以用简单的办法，解决以前导航雷达不好标校的难题。通过陆上原理样机试验，该设备工作稳定、可靠，整个标定过程简单、易操作，为船载导航雷达的标校提供了一个切实可行的方案。
参考文献
＊ [1]GB/T 20068-2017 船载自动识别系统（AIS）技术要求[M]�中国标准出版社�2017�10�
＊ [2]罗军等�应用AIS信息进行岸基对海雷达标校[J]�电视技术�2009�09
＊ [3]任文娟等�基于AIS信息的舰船位置标校方法[J]�系统工程与电子技术�2016�10�
