浅析21世纪的船用雷达
摘要：本文以英国船商公司的船用雷达为例，分析了现代雷达的优缺点，重点讨论了AIS和ENC系统在雷达方面的应用，指出了未来雷达技术的发展方向。
关键词：雷达电子海图AIS
1 前言
安装在船舶上的雷达是船长的眼睛。
它能辅助船舶航行，在能见度较低或在拥挤水道时能辅助避碰。
近30年来，雷达系统的天线单元和收发机单元的技术实际并没有实质性的变化，而显示单元的生产技术却经历了显著的变革。
一些使用计算机类型显示器的彩色雷达已经面世，但到现在为止市场上还未出现计算机雷达（指雷达显示单元全部基于PC机）。
未来雷达技术将向哪个方向发展呢？本文就这一问题以英国船商有限公司(Transas)在雷达专业领域的最新进展及代表性产品为例进行一些讨论。
2新型雷达概况
在船用雷达更新换代之际，船商公司集过去数年的研究成果和实践提出了一个崭新的概念，即：一部性能优异的ARPA雷达＝普通天线收发机+ 普通PC机及显示器+ 船商雷达信号处理卡。
船商的雷达信号处理卡(RadarIntegrator Board)目前已发展到第二代，它直接安插在普通PC机的PCI插槽上，与雷达收发天线单元相接后具有直接处理雷达视频信号、录取和跟踪移动目标、控制收发机等功能；安插雷达信号处理卡的计算机能将雷达图像与矢量电子海图相叠加，利用计算机连网可将雷达图像和电子海图传输到船上任一部位；利用船商扩展串行接口，计算机还能处理包括AIS(又称船舶自动识
别系统)在内的所有船用传感器的信息。
此外，计算机还能把航行过程中的信息压缩并保存在硬盘上，这些信息不仅包括所有目标的动态数据，而且还包括数月连续航行中雷达天线旋转每一圈所得到的整个雷达图像。
3ENC在雷达方面的应用
IEC允许在雷达屏幕上显示电子导航海图(ENC)上的一些要素，包括岸线、安全区、预警区和线条、孤立的危险物、浮标和灯塔。
根据船商公司多年研制和销售电子海图的经验（船商海图数据库已包括全球海域近6000幅矢量电子海图），我们认为上述物标已占ENC数据量的70%。
例如，在使用一些国家(如挪威、瑞典、芬兰等)的纸海图制作电子海图过程中我们曾遇到过数百幅海图，图上包含的上述海图要素由一百万条以上线(或点)组成；有些海图竟有11000块礁石。
假如我们使用芬兰的第25号海图，用原始比例尺显示在21英寸显示器上，屏幕上将显示出840个岛屿。
根据S57标准，一幅ENC海图的容量不能超过5Mb，但如果船舶航行到海图连接处将要显示四幅海图时，这意味着非常庞大的信息量。
这些说明在雷达图像上显示ENC绝非易事，至今世界上还没一部雷达能同时显示ENC 和雷达图像。
然而，在雷达图像上叠加显示ENC所有数据将非常有助于安全航行。
例如，浮标图形的显示可以使驾驶人员方便地区别浮标回波和目标回波；如果ENC显示的岸线与雷达岸线图像重合，则整个海图要素的参照都是正确的，驾驶人员可迅速判断出本船和其它所有目标
的相对位置。
禁入区和孤立危险物的显示能使驾驶员在制订航线时考虑避开，防止航行事故。
值得注意的是，大量触礁或搁浅等事故是由于船长或值班人员过度依赖雷达进行避碰航行所致，而雷达上并不能显示暗礁、浅滩、禁入区等海图要素。
如果雷达上能同时显示暗礁、浅滩、禁入区、分道航行区、锚区、捕鱼区、海产养殖区等危险区域，将有助于提高驾驶人员的“位置感”，进而减少由于避免碰撞事故而导致另一事故。
在电子海图上叠加显示雷达录取目标的优点是明显的，驾驶员能立刻判断出移动目标、浮标和其它静止物标。
当在电子海图上看到一个移动目标时，其进一步的动态可以相当精确地预测和判断出来，例如某个移动目标在分道通航区域内航行时接近分道通航转向点时，或驶向引航员登船区域或锚地时，或驶向海滩而需要掉头时等等。
如果有这些雷达图像显示在ENC上，驾驶人员就能相当准确地预测目标的动态。
而在传统的ARPA上没有这些辅助信息，因此很难判断目标下一步的行为。
4 AIS在雷达方面的应用
目前大多数船舶上已安装AIS，如果没有一套能详细直观显示AIS信息的显示装置，AIS对船长操纵船舶不会有什么帮助。
迄今为止，世界只有少数ECDIS制造商(包括船商公司)已经生产出具有显示和处理AIS信息功能的ECDIS产品。
对于ECDIS来说，具有AIS 接口还不是强制性，正如ECDIS本身目前尚未被强制化。
目前多数雷达具有接收和显示AIS信息的功能。
雷达上具有AIS信息将大幅度减少船长的工作量。
首先：AIS 能转输电罗经航向和计程仪航速，这能克服使用ARPA时的影响安全的局限性，如测定目标运动时的时延。
众所周知，雷达在处理移动目标时的时延可能长达数分钟，仅仅由于这一原因，全世界数百乃至上千艘船舶遭遇碰撞。
其次，每一AIS都有一单独的呼号，你可使用VHF通过此呼号呼叫特定的船舶。
再者，AIS还能传输一些如船舶上危险货物的信息、船舶的尺寸和其他一些相当有用的信息。
如果在雷达上没有ENC显示，AIS的作用能够帮助处理大量目标，帮助找出浮标、灯塔等。
如果雷达图像与ENC要素能够相互叠加，二者能明显相得益彰。
5未来雷达的发展
实际上，船商公司已在普通PC机上实现了许多在雷达上无法实现的标准功能，这些功能非常实用。
例如：将船上的计算机联网，把天线旋转每一圈所得的并实时处理过的雷达原始图像完整传送到联网的计算机上，比如可以传送到船长室的计算机上，这样他可以在自己房间而不用在驾驶台就能查看电子海图及叠加的雷达图像。
在一艘探测船或考察船或其它类似的船舶上可以有十多个分用户，每个用户都可查看电子海图及雷达图像。
船商公司已成功地研制出将本船、目标及重要的原始雷达图像等所有信息压缩并保存到磁盘上的技术。
如果将一幅非压缩的视频信号图保存下来，那么天线每旋转一圈所得到的数据就占磁盘2Mb空间。
船商公司已能将图象数据压缩至原来的250分之一，甚至更高。
一
个标准的10Gb的硬盘就能连续保存一个多月的航行信息，还具有随时回放和重演过去任意时刻航行动态信息的功能。
这一功能作为一些船舶出现碰撞或其它航行事故时证明自己无过失的证据是非常有用的。
所记录的原始雷达图像包括所有岸线、本船动态、目标船动态、海杂波等，这些是不能被伪造的。
IEC第10工作小组在综合导航系统（INS）方面已研究几年了，船商公司也积极参与其中。
我们看到的INS的原型是由2-4套系统相互关联，监视器的尺寸也符合实际船舱所要求的大小。
这些系统可以是雷达，或含有所需ENC要素的雷达，也可以是ECDIS，或具有雷达图像叠加功能的ECDIS。
船商已经着手第三代和第四代INS的操作模型，都包含上面提到的功能和思想。
前两代模型的工作正在进行中。
按照我们的思路，这种工作能使船长在特定航行条件下，根据能见度、可能的航行危险、周围船舶动态以及其它环境因素的综合考虑，以最适合的方式有效地配置和组合INS。
如果旧的船用雷达需更新换代，那么上述研究成果可作为雷达升级的选择之一。
船商公司认为在大多数情况下无需更新包含接收器的天线单元，本文开始已提到雷达天线单元和收发机单元近30年来并没有明显的变化。
天线系统非常可靠，它的维护通常只需更换磁控管而已。
如果你的雷达天线系统才用10年，那根本无需更新。
另一方面，许多雷达的显示单元(例如尺寸和功能)已经过时了，应该被更新。
如果旧雷达显示单元由安插船商雷达信号处理卡的计算机和普通显示器取代，其性能价格比将是非常显著的。
除了经济性之外，上
述更新方法还具有显著的灵活性和选择性。
例如，当一部旧雷达的显示单元需要更新时，无非采用两种途径，一是用新显示单元彻底取代旧显示单元，二是在旧显示单元旁安装新显示单元。
无论采用哪种方法，你所要做的只是在普通计算机和显示器上增加新雷达/ARPA的软件，而船商雷达信号处理卡中已嵌入功能完备的ARPA软件，你也可以在ARPA软件上附加上导航电子海图(ENC)元素，或在显示器上显示电子海图系统(ECDIS)，或将雷达图像叠加在ECDIS上。
总之，在雷达更新换代时如果采用上述功能完备的ARPA和ECDIS软件，不仅能平稳地完成旧雷达向新雷达的过渡，同时还提高了航行安全，并且在航行中还能少走弯路，从而节省时间和燃料。