如何提高雷达定位的精度5

如何提高雷达定位的精度
艾晓彬
（公安海警高等专科学校船艇指挥系，浙江宁波 315801）摘要：该篇论文根据雷达定位原理，充分分析影响雷达定位的各要素及其产生的误差
的基础上，提出了如何提高雷达定位精度的措施。

关键词：雷达定位；定位精度；雷达波
1引言：
我国海洋面积广阔、岛屿众多，海底地形地貌复杂多样,沿海近岸多海滩、礁石和沉船等危险海域。

随着我国经济的迅猛发展，海上交通越来越繁忙，海上各种突发事故和各种犯罪行为也随之增多。

这使得我海警部队执勤任务日益繁重，需要随时随地做好出海准备。

因此，安全导航是圆满完成执勤任务重要保障。

雷达是一种自主式导航设备，雷达除了用于避碰、狭水道及进出港和向其它仪器提供海面物标信息，可以导航定位。

雷达定位有作用距离远，提供的数据精度高、显示直观，且不受夜色、云、雨、雾等环境能见度复杂的气象条件限制的优点，利用雷达定位是沿岸航行中一种比较常用方法。

目前，我国海警部队都已经装备了导航雷达，这对于保障海警船艇航行的安全发挥着重要作用。

但由于雷达显示图像不同于海图上的形状，显示不仅有真实的回波，还有假回波和干扰回波，且给出的一些数据有一定的误差等缺点，如何利用雷达进行准确定位，提高雷达定位精度是保证航行安全的重要手段。

2雷达定位原理及回波影象的识别
2. 1雷达定位原理
雷达定位主要是通过雷达测方位、测距离来实现的，是通过雷达给予的物标方位和距离数据通过作图反映到海图上，就能得到当前的船位点。

2. 1. 1雷达测距的原理
雷达工作时，发射机经天线向空中发射一串重复周期一定的超高频发射脉冲信号的
电磁波，其传播性能与光波比较接近。

如果在电磁波传播的途径上有目标存在，那么雷达就可以接收到由目标反射回来的超高频发射脉冲回波信号。

电磁波测定目标的距离，是依据电磁波在传播中所遵循的规律达到的，即：电磁波在均匀介质中是直线传播的；电磁波在传播中遇到目标（障碍物）会发生反射；电磁波在均匀介质中是匀速传播的。

由于电磁波传播的速度C=3×108米/秒或C=300米/微秒，所以，只要准确测出电磁波往返的时间△t，则可用下式求得物标的距离：
D=△t·C/2 或 D（米）=150×△t （微秒）
在实际使用中，雷达是根据物标在扫描线上的回波到荧光屏中心的长度来测定到物标的距离，当发射的脉冲波被物标反射回来为天线所接受的同时，使正在扫描中的光点产生较强的辉光，因而在扫描线上的某一相应位置便形成了物标的回波。

只要知道回波影象离荧光屏中心的距离，根据扫描线的总长度代表的时间，即可通过距标圈测出物标的距离来。

2. 1. 2雷达测方位的原理
由于雷达发射的电磁波在空间（近似乎均匀介质）是直线传播的；电磁波在传播过程中遇到目标会发生反射；雷达天线具有良好的方向性，且能定向的发射和接收电磁波信号。

如果天线旋转，依次向四周发射与接受，当在某个方向收到物标回波时，只需记住此时的天线方向就可知道物标的方向。

在实际使用中，是通过天线联动装置使扫描线与天线保持方向同步，这样荧光屏上回波影象出现的方向即为物标的方位，可通过荧光屏周围的方位来读取。

2. 2.雷达影象的识别
雷达定位是通过观测雷达显示器上物标的回波的影象进行的。

雷达影象只是周围物标的平面图象，而且与物标的真实形状相比，尚有一定程度的失真。

为了正确地进行雷达定位，除掌握雷达的各项基本特性外，还必须了解在正常情况下雷达影象的失真特点。

识别雷达影象时应考虑以下几点：
2.2.1展宽
由于雷达波束有一定的宽度，当水平波束的一侧边沿与物标接触时，便有回波产生并在轴线OA，即扫描线方向开始显示出来。

随着天线的转动，回波亦随之展宽。

当波束的另一侧边沿与物标脱离时，回波在新的波束轴线方向OB终止。

而在荧光屏上，原来的
物标变成了弧形展宽的回波影象。

2. 2. 2伸长
因为雷达脉冲有一定的宽度，当脉冲的前沿与物标相接触时，在荧光屏上便开始产生回波，随着光点沿半径方向外侧扫描，回波亦可随之而向外延伸。

每发射一次脉冲雷达波就传播了t或距离S,但在荧光屏上显示的是单程距离，所以回波影象伸长了S/2的长度。

此外，还要加一倍光点直径d所对应的长度，向内侧和外侧各伸长d/2。

2. 2. 3回波的综合变形与粘连
由于物标显影同时存在展宽和伸长的现象，对于任意物标，尤其是很小的物标，如浮标，将显示一个显然比相当于按比例尺缩小的实体大得多的回波影象。

一般地说，在远距离上，回波横向展宽比较突出，在近距离上，回波纵向伸长比较突出，特别说小物标，更为明显，所以仅仅根据船艇回波形状来推断船艇的首向是不正确的。

如果在同一方向上有两个孤立小物标，其间距小于S/2加上光点直径相当的距离，其显影就会粘连在一起，分不出是两个物标，如果有两个孤立小物标，它们到天线的距离相等，天线到它们相邻边缘的夹角小于一个水平波束角加上光点直径所对应的角度，它们的显影也会粘在一起，分不出是两个物标。

2. 2 .4遮挡及部分呈现
雷达波束的发射，与光束的照射相似，在前进方向上遇有高大物标阻挡时，在其远方的物标就会被遮蔽。

如果近处物标比远处物标低，则远处物标仍可能有部分显示。

而其间的谷地将呈现为无回波的阴影区。

另外，位于雷达视距以外、雷达物标能见距以内的物标，其低矮部分被曲面遮挡，不能显影；只有较高的山峰才能在荧光屏上部分呈现。

由于存在物标遮挡现象，连绵的山岭和连续的海岸，可能显示为孤立的岛屿状回波，而航门水道却可能被遮蔽而不能显影。

此外，船艇在航行中，物标的相对位置不断变化，回波的影象也可能会因遮蔽等原因而随之发生变化。

3雷达定位
3. 1利用雷达测得的物标方位和距离定位称为雷达定位。

由于雷达测得的距离比测得的方位精度高。

因此雷达定位最常用的方法是距离定位，其次是距离方位定位，而方位定位一般不采用。

距离定位有：两标距离定位、三标距离定位、单标距离方位定位。

3. 1. 1雷达距离定位
在显示器荧光屏上，用活动距标同时观测两个或两个以上影象的雷达距离，然后在
海图上，以观测影象所代表的物标为圆心，以测得的雷达距离为半径，画圆弧船位线。

船位线的交点即为观测时的船位。

若只有一个点状物标和一段平直的海岸线，可利用这个点状物标和一段平直的海岸线进行雷达距离定位。

在海图作业时，应先自点状物标绘画圆弧位置线，然后在该圆弧上找出一点，使自该点以所测的海岸距离为半径画圆弧，与海岸线相切，该点就是船位。

若没有可供观测的点状物标，可利用几段平直海岸的距离定位。

应测量船至海岸线的最近距离，然后在透明纸上以同一圆心在各自大致的方位上画出个测量距离的圆弧，将透明纸移至海图上（使圆心靠近推算船位）并转动，找出使两圆弧同时切于两岸的位置，这时圆心就是船位。

3.1.2 单物标雷达方位距离定位
在雷达荧光屏上若只有一个点状物标的回波影象可供观测，可以同时观测该点状物标的雷达方位和距离后，按照陆标方位的方法，在海图上画出该物标的逆方位线，并在其上从物标量取雷达距离，即可得出观测时的雷达船位。

4影响雷达定位的误差误差可以分为必然误差、偶然误差和粗差。

4.1 必然误差：
4.1.1回波影象失真而产生的误差
观测点回波中心的方位，基本不受回波展宽的影响。

但如果测定岬角的突出端或片状物标的一侧，由于波束有一定的宽度，测物标一侧的方位时将产生1/2水平波束宽度的误差（如图1）oa和ob为物标边缘的真实方位线，oa′和 ob′为从荧光屏影象上观测的方位线，较真实方位线各自向海的方向偏移1/2水平波束宽度角。

4.1. 2倾斜误差
当船倾斜时，雷达天线旋转平面与水平面不一致，测定方位时将产生倾斜误差。

在
图3中，设ADBC为船在正平状态时天线旋转平面，A D′BC′为船舶倾斜角θ时的天线旋转平面。

两旋转平面的交角也为θ。

设天线由OA方向转至OE方向，当船舶倾斜时，天线的水平方向为OF（即OE在水平方向上的投影），产生了∠FOE的方位误差。

这项误差在舷角为45°、135°、225°和315°的方向上最大，而在船首尾与正横方向上为0。

4.1.3天线同步误差
天线发射脉冲波束的主轴方向和荧光屏上扫描线方向不一致，则产生相当于该差角的方位误差。

出航前应对方向是否精确同步进行认真检查。

检查的方法是同时测定某远距离物标的雷达方位和罗经方位，用比较法求得雷达方位的误差予以修正。

如果同步误差很大，则应按照雷达使用说明书进行调整。

4.1.4辉点大小产生的误差
辉点过大或增益过大都能使物标影象轮廓变大，因而使测量距离产生误差。

在有效半径为6英尺（15.24厘米）的荧光屏上,假设辉点的直径0.9毫米,则它在各距离范围所占距离如表
4 .2 偶然误差：
4 .2. 1调整误差
如果增益、辉度、调谐未调好也会产生观测误差。

增益过大、过亮会使回波轮廓扩大，过小、过暗会使回波边缘不清不完整，这都会影响观测距离的精度。

4.2.2视差
雷达测方位的误差，包括方位标尺对准的误差及读取方位的误差。

测定方位用的方位标尺和荧光屏之间稍有距离，测定方位时眼睛应垂直观测，否则将产生视差。

使用回定距标时，物标到距标圈的距离是估计的，其距离误差约为相邻圈距的1/10；用活动距标时，视差包括活动距标与显影物标近边相切的误差及读取距离的误差。

相切的误差在荧光屏上约为一个光点直径。

4．3粗差
4. 3.1 中心误差
如果扫描中心没有正确调整到荧光屏的方位线中心，扫描中心和方位圈中心不一致时，测定方位将产生中心误差。

观测方位是由方位线中心看回波的方向，而实际是由扫描中心看回波的方向。

（如图2）
4 .3. 2物标测量点的错误
测量点的判断错误，即测定的回波近边与作图时的物标近边不一致，可能成为雷达测距的主要误差。

测量点误差通常由以下原因产生：海岸线在雷达视距以外，误将内陆较高部分的回波当成海岸回波；潮汐的影响；低平海岸线近边回波太弱，不能显示。

5提高定位精度的措施
5. 1由于必然误差是雷达系统本身存在的，是不可能消除的。

那么对待这一类误差我们只能通过掌握它的定性规律才能间接地减小误差。

如：可以测出雷达的波瓣角等。

5 . 2对于偶然误差和粗差这两类可以避免的误差,可以通过加强人员的训练,提高人员精
确使用仪器的本领,使误差降低.
5. 3进行雷达距离定位，应选择图像稳定清晰的、位置能与海图精确对应的物标回波，如孤立的小岛、明礁及杆状物标，或陡峭的海岸、突出的海岬等显著的物标；避免选用回波测量点难以确定的低平海滩和内陆物标（包括灯塔、山峰）。

以活动距标切于影象的内沿。

测海岸、岬角时，应选择其较陡的部分，以免因岸线失真而引起测距不准。

5. 4使用三个物标进行雷达距离定位时，如果出现较大的误差三角形，很可能是物标识别的错误引起的，这时应另行选择物标，重新观测。

5. 5 选择物标时尚应注意使圆弧位置线有适当的交角，两标距离定位时，交角应大于30°而小于150°，最好接近90°；三标距离定位时，交角越接近于120°越好。

如图4， A、C两物标的位置线的夹角接近90°,当位置线存在误差时,选用A、C进行距离定位,则船位分布范围在abcd中,如果选择A、B两标定位,则船位范围分布在aˊbˊcˊd′中,由图可知,船位线接近90°时,可以提高定位的准确性。

图4
5. 6雷达距离定位的观测顺序同陆标距离定位一样，应先测正横方向的物标，后测船首尾方向的物标。

5. 7测定雷达方位时，应注意水平波束宽度所造成的物标影象的失真。

对于孤立的点状物标，应测其中心。

测其边缘时，应进行半个水平波束宽度的修正。

5. 8对于回波影象面积较大的物标，测定方位将会存在很大的误差，因为在海图上绘画逆方位线是困难的,所以一般不测回波影象面积大的物标。

5. 9当雷达与电罗经同步时，在荧光屏上用雷达方位圈可测得物标的电罗经方位，需要加上电罗经差才能得到物标的真方位。

若船上不设电罗经，用雷达方位圈测得物标的舷角，按下式求得物标的真方位：
真方位TB = 磁罗经航向CC + 磁罗经差△C + 雷达舷角RQ
6结束语
本篇论文通过研究如何提高雷达定位的精度，对雷达定位误差进行了比较系统的分析，对其不同的误差提出了消除方法，最后比较完整的总结了提高其精度的措施。

雷达仍然是现代航海十分重要的航海仪器，在我们海警部队的海上航行中得到了广泛的运用和发展，如它的导航、定位和避碰的功能对海上航行有着重要的意义。

航海人员必须熟练掌握雷达精确定位的技巧，充分发挥雷达在航行保障中的重要作用，出色地完成航海保障任务，确保航行安全。

86166500
参考文献
[1]范庆石航海技术农业出版社 1987
[2]叶军航海学公安海警高等专科学校 2004
[3]刘文勇航海仪器大连海运学院出版社 1993
[4]王武树观察与通信大连海事大学出版社 2003。