一種集成式多功能E航標(biāo)的研究

蔣瑋，秦艷丹，王曉峰

（中交上海航道勘察設(shè)計研究院有限公司，上海200120）

雷達(dá)應(yīng)答器與AIS航標(biāo)都是常用的無線電航標(biāo)。雷達(dá)應(yīng)答器與船舶上的雷達(dá)共同發(fā)生作用時，形成一個輔助助航系統(tǒng)。AIS航標(biāo)與岸基設(shè)施和船載設(shè)備共同作用，具有識別船舶、幫助跟蹤目標(biāo)、簡化和促進(jìn)信息交換等功能，是一種新型的數(shù)字助航系統(tǒng)。

航標(biāo)使用部門在一個標(biāo)位上需要同時應(yīng)用AIS航標(biāo)、北斗遙測終端和雷達(dá)應(yīng)答器這3種無線電導(dǎo)助航設(shè)備。在實際使用中這些設(shè)備出自不同廠商，是獨(dú)立的產(chǎn)品。每個設(shè)備都有電源電纜、發(fā)射天線和信號接口，同時使用會使安裝平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜。各設(shè)備的信息傳輸自成體系，不僅不便于維護(hù)管理，也使航海者必須面對多種設(shè)備的信息界面，降低了導(dǎo)助航服務(wù)效率。因此，將雷達(dá)應(yīng)答器與AIS航標(biāo)的功能進(jìn)行集成同時融入北斗模塊，形成集成式一體化設(shè)備，可簡化航標(biāo)加強(qiáng)航運(yùn)監(jiān)管，為智慧海事與E航海建設(shè)提供支持，未來也會成為航標(biāo)技術(shù)發(fā)展的需要。

1 國內(nèi)設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 雷達(dá)應(yīng)答器

雷達(dá)應(yīng)答器的工作原理為：詢問雷達(dá)發(fā)射的信號經(jīng)racon天線接收后，送到接收機(jī)進(jìn)行信號處理，然后再由發(fā)射機(jī)向詢問雷達(dá)發(fā)射一組經(jīng)編碼調(diào)制的應(yīng)答信號，其頻率與詢問雷達(dá)的頻率相同，此信號被詢問雷達(dá)接收后，在屏幕上與信標(biāo)的方位距離相應(yīng)之處顯示出信標(biāo)的特定編碼信號[1]。目前我國雷達(dá)應(yīng)答器的主要產(chǎn)品型號如表1所示。

表1 HY雷達(dá)應(yīng)答器主要型號Table 1 Main models of HY racon

表中X波段頻率9 300~9 500 MHz、S波段頻率2 900~3 100 MHz。X波段水平極化，S波段垂直和水平極化；旁瓣抑制：高級SLS；接受靈敏度：-50 dBm；HY雷達(dá)應(yīng)答器直徑270 mm，高450 mm，重約7 kg。

1.2 AIS

船舶自動識別系統(tǒng)AIS（Automatic Identification System）是一種船舶導(dǎo)航設(shè)備，它由AIS航標(biāo)、AIS船臺、AIS岸臺、電子海圖、機(jī)載AIS、AIS基站等部分組成[2]。AIS系統(tǒng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 AIS系統(tǒng)關(guān)系圖Fig.1 AIS system diagram

AIS航標(biāo)可分為依靠AIS岸臺發(fā)射信號生成的虛擬航標(biāo)和通過實體AIS航標(biāo)發(fā)射信號生成的AIS實體航標(biāo)[3]。AIS實體航標(biāo)其實就是在一個實體航標(biāo)上安裝AIS應(yīng)答器，這些AIS航標(biāo)同時具備航標(biāo)遙測的功能，能在海區(qū)中心及時了解航標(biāo)的工作狀態(tài)[4]。同時，AIS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)可實時監(jiān)控航標(biāo)設(shè)備的工作電流、工作電壓、開關(guān)狀態(tài)等功能，方便航標(biāo)管理部門管理維護(hù)。

目前我國生產(chǎn)AIS實體航標(biāo)的廠商較多，技術(shù)均成熟。以某AIS航標(biāo)通信管理終端為例，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 AIS終端主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of AIS terminal

1.3 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗系統(tǒng)基本組成包括：空間段、地面控制段和用戶段。目前國內(nèi)廠家生產(chǎn)的北斗遙測遙控終端通過北斗短報文的方式向航標(biāo)管理中心發(fā)送航標(biāo)燈器的實時工作參數(shù)和位置參數(shù)。產(chǎn)品外殼采用PVC材料，全密封設(shè)計，以適合海上惡劣氣候條件。

北斗終端采用北斗通信衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊，具有通訊距離遠(yuǎn)、受環(huán)境電磁干擾小的特點(diǎn)，同時定位精度高，可靠性高。

2 國外設(shè)備現(xiàn)狀

2.1 歐盟雷達(dá)應(yīng)答器設(shè)備

歐盟國家雷達(dá)應(yīng)答器設(shè)備使用較多的型號為：HEKLEO-SX、ITR04EX和Sea-Watch 300等。

3款設(shè)備中，HEKLEO-SX頻率范圍：X波段頻率9 300~9 500 MHz、S波段頻率2 900~3 100 MHz。X波段水平極化，S波段垂直和水平極化；接受靈敏度：X波段-40 dBm、S波段-35 dBm；雷達(dá)應(yīng)答器直徑280 mm，高740 mm，重約9 kg。整體聚乙烯外罩。

ITR04EX頻率范圍：X波段頻率9 300~9 500 MHz、S波段頻率2 900~3 100 MHz。X波段水平極化，S波段垂直和水平極化；旁瓣抑制：X和S波段獨(dú)立；接受靈敏度：-72 dBm；雷達(dá)應(yīng)答器尺寸246 mm伊270 mm伊734 mm，重約30 kg。外殼采用316不銹鋼和抗沖擊合成物天線。

Sea-Watch 300頻率范圍：X波段頻率9 300~9 500 MHz。接受靈敏度：X波段-40dBm、S波段-35 dBm；雷達(dá)應(yīng)答器尺寸379 mm伊268 mm伊856 mm，重約16 kg，帶拉手18.3 kg；天線分體式，輕殼機(jī)芯4.5 kg。

2.2 英國雷達(dá)應(yīng)答器設(shè)備

PHalcon 2000頻率范圍：X波段頻率9 300~9 500 MHz、S波段頻率2 900~3 100 MHz。X波段水平極化，S波段垂直和水平極化；旁瓣抑制：X和S；接受靈敏度：-40 dBm；雷達(dá)應(yīng)答器直徑350 mm，高705 mm，重約20 kg。

2.3 美國雷達(dá)應(yīng)答器設(shè)備

SeaBeacon2 System6頻率范圍：X波段頻率9 300~9 500 MHz、S波段頻率2 900~3 100 MHz。X波段水平極化，S波段垂直和水平極化；旁瓣抑制：X和S；接受靈敏度：-50 dBm；雷達(dá)應(yīng)答器直徑約353 mm，高807 mm（尺寸隨不同的配置而不同），重約13.6 kg。

3 國內(nèi)外設(shè)備對比研究

目前，因有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外雷達(dá)應(yīng)答器設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)基本上是相同的。與國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)設(shè)備存在以下問題：

1）國外產(chǎn)品天線罩采用模具制作，座子采用鋁合金或不銹鋼。國內(nèi)產(chǎn)品天線罩和座子采用玻璃鋼材料，加工比較粗糙，外表涂漆不夠美觀[5]；

2）設(shè)備密封設(shè)計不夠規(guī)范，導(dǎo)致密封條失效；

3）電纜在內(nèi)接口處的密封用硅膠涂抹，不夠美觀；

4）封閉螺釘太靠近座子體，扳手操作空間太小，易損傷座子體；

5）屏蔽方式采用金屬薄膜貼座子內(nèi)壁，工藝差，影響美觀；

6）電路設(shè)計工藝有待更新；

7）雷達(dá)應(yīng)答器的射程較近，信號強(qiáng)度較弱；

8）雷達(dá)信號顯示清晰度較低；

9）國外產(chǎn)品有故障報警和雷達(dá)消隱功能，電源接口帶接地，數(shù)據(jù)接口可供設(shè)置和通信。國內(nèi)產(chǎn)品暫無上述功能。

4 E航標(biāo)應(yīng)用研究

雷達(dá)應(yīng)答器能自動地對船舶雷達(dá)發(fā)出的“問詢”信號發(fā)出回答信號，信號帶有特定的航標(biāo)識別碼[6]。AIS航標(biāo)和北斗遙測終端能夠發(fā)送航標(biāo)工作狀態(tài)及航標(biāo)位置等多種信息。

新型集成式多功能E航標(biāo)產(chǎn)品可采用一個綜合設(shè)備的設(shè)計方法，將3種功能設(shè)備的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)信息管理和控制組合在一起，使3種設(shè)備成為一個設(shè)備。在管理和控制方面，統(tǒng)一工作狀態(tài)檢測、信號采集、信號發(fā)送的管理；在結(jié)構(gòu)上，設(shè)計用1個機(jī)架和1個外殼裝配所有設(shè)備的部件，免除了重復(fù)的外接線纜和多個機(jī)殼的安裝。在保證各功能模塊獨(dú)立可靠工作的前提下，實現(xiàn)模塊間數(shù)據(jù)信息的共享。

集成式E航標(biāo)可設(shè)立一個電腦總控單元，統(tǒng)一管理各功能部分的工作狀態(tài)設(shè)置和更改，統(tǒng)一管理對外聯(lián)系，保障4功能部分的工作都是獨(dú)立的；采用一個電纜輸入，內(nèi)部多路分配管理。保證各功能部分正常工作，供電互不影響；統(tǒng)一收集與儲存信息，各功能部分的數(shù)據(jù)集中儲存，根據(jù)指令通過AIS或北斗發(fā)送[7]。集成式E航標(biāo)功能圖如圖2所示。

圖2 集成式E航標(biāo)功能框圖Fig.2 Function block diagram of integrated E-navigation

集成式E航標(biāo)對比現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)勢，體現(xiàn)在：1）雷達(dá)應(yīng)答器、AIS航標(biāo)和北斗遙測遙控等設(shè)備和天線集成在同一外殼中；2）各設(shè)備之間不會產(chǎn)生干擾；3）無需外部天線的布線措施，消除潛在的連線問題；4）單電源或雙電源選件，提供額外冗余[8]。

5 結(jié)語

北斗、AIS航標(biāo)、雷達(dá)應(yīng)答器都已推廣使用，產(chǎn)品也比較成熟，所以基于AIS及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的雷達(dá)應(yīng)答器在技術(shù)上是可以實現(xiàn)的。將幾種功能的電子航標(biāo)集中在一起，使用一個機(jī)殼，統(tǒng)一控制，發(fā)送多種航標(biāo)信息，可方便用戶管理，方便航海者使用。集成式多功能E航標(biāo)的設(shè)計打破了原有功能分散的局限性，為今后航標(biāo)新技術(shù)的發(fā)展研究提供了新的方式和思路。