船舶ARPA設備應用效能研究＊

(渤海船舶職業學院電氣工程系 葫蘆島 125005)

1 引言

ARPA(Automatic Radar Plotting Aids)“自動雷達標繪儀”,是在普通雷達的基礎上,根據人工標繪原理,增加計算機的輸入、存儲、計算、判斷、輸出、模擬、繪圖、報警等功能發展而成的一種新型雷達[1]。ARPA與普通雷達相比,能夠自動、連續提供必要的航行及避碰信息數據和對航行態勢進行評估,駕駛員利用ARPA進行早期瞭望與判斷,避免了盲目采取避讓措施,大大減少船舶碰撞事故的發生[2]。

2 ARPA的基本組成

1)X或S波段高質量船用雷達：為ARPA提供目標回波原始視頻信號、觸發脈沖、天線旋轉方位信號與船首信號。

2)陀螺羅經：向ARPA提供向位基準,即本船航向信號。

3)GPS：全球定位系統是一種利用多顆高軌道衛星,向ARPA提供本船的船位及速度信息。

4)計程儀：計算里程讀數。

5)數據處理電路：其功能主要包括對雷達原始視頻的預處理、目標檢測、目標錄取、目標跟蹤。

6)電子計算機：是ARPA的核心,包括主處理器、存儲器、接口、鍵盤、顯示終端及電源等部件,構成一個完整的微計算機系統,用于控制自動錄取,自動跟蹤,自動計算目標的航行參數及避碰參數,自動判斷有無碰撞危險,完成各種自動計算與自動標繪任務,ARPA系統采用了電子計算機,用電子計算機的自動標繪來代替普通雷達的人工標繪,使其在船舶避碰應用中的效果大為改觀。

7)顯示器：包括PPI綜合圖形顯示器和數據顯示器。

8)控制臺：包括PPI和數據顯示器的控制臺。

9)接口電路：將各種傳感模擬信號變換成計算機可接受的數字信號[3]。

圖1 基本ARPA系統組成框圖

3 矢量型ARPA工作過程

矢量型是用矢量表示被跟蹤目標的動態。矢量始端表示目標現位置;矢量方向表示目標運動航向;矢量長度表示在調定矢量時間內目標的航程;矢量末端表示經設定的矢量時間航行后,預測的目標(或本船)到達點。矢量型為目前絕大多數ARPA所采用[4]。

整個ARPA系統由計算機控制,計算機從傳感器獲得輸入信息,然后與跟蹤器配合,對由人工或自動錄取的目標進行跟蹤,以建立目標的運動航跡,進而自動計算目標的各種航行和碰撞參數,如果碰撞參數違反了設定的安全界限值,則發出各種報警信號。處理的目標回波視頻及各種數字、符號綜合顯示在熒光屏上[5]。操縱者可以通過觀察、分析這些符號、數據及報警信息,即可判斷本船和目標有無碰撞危險以及危險的緊迫程度。如有需要,還可以進行試操船,以決定本船應采取的避讓措施。

圖2 測繪圖

CPA是兩船交會時,他船距離本船最近的點,即“最接近點”;DCPA是本船到CPA的距離;TCPA是相遇船航行到CPA所需的時間。利用CPA、DCPA與安全界限值比較即可得出目標與本船的具體關系：

1)當CPA＞min CPA,TCPA＞min TCPA,則目標船為安全船,無碰撞危險。

2)CPA≤min CPA,TCPA＞min TCPA,危險船,但尚不緊迫,本船應考慮采取避讓措施。

3)CPA≤min CPA,0＜TCPA≤min TCPA,則目標船為緊急危險船,時間已緊迫,本船應立即采取避讓措施。

本船改向避讓的標繪如圖3所示。

圖3 本船改向避讓圖

由圖3可見,避讓前,目標的R.M.L與min CPA圓相交,故目標是危險船。當回波移動至O點,本船改為新航向,則目標回波沿新的視運動線移動,即其R.M.L離開min CPA圓,轉危為安。當回波移至A點,本船恢復原航向,回波沿著和原先R.M.L相平行的最后視運動線移動,避讓結束[6]。

4 ARPA的測量不準確性

1)在測量過程中,由于雷達所測試目標的抖動、船舶的搖擺、發射信號的波形、脈沖形狀以及天線的齒隙、陀螺羅經和計程儀的誤差都使送給ARPA的數據受到影響。

2)ARPA設備的型號多,操作面板設計復雜,一旦誤操作,會使ARPA的數據受到影響。

3)ARPA的顯示模式選擇也會帶來的功能局限性。工作模式選擇不當,會對ARPA的功能造成影響[7]。

這些不準確性會使系統出現虛警、漏警現象,因此需要尋求一些補救措施以減小船舶駕駛員的疲勞程度,減少海上船舶碰撞事故以提高船舶的航行安全系數。

5 采取措施

1)在測量時,可以通過在雷達天線相繼旋轉的每一周,使用不同的(隨機選擇)數值對每項誤差的分布進行隨機取樣的方法來實現。

2)研發和使用新技術,提高雷達天線、顯示器、收發機的性能,逐步提高ARPA設備的性能,合理運用計算機內存和CPU來提高ARPA的計算機的性能,并且注重研發相應的軟件程序[8]。

3)整合現有的航海儀器設備,將新型航海設備ECDIS(電子海圖)整合進ARPA系統之中,把電子海圖疊加顯示在ARPA的處理視頻之上,對照地理目標,實現避讓與導航的完美結合。

4)提高船舶駕駛員的素質。加強船舶駕駛員和船員的綜合素質,包括業務技能、心理素質、工作能力[9]。

5)將新型航海設備AIS融合進ARPA系統之中,以提高雷達圖像虛擬現實的逼真程度,方便船舶駕駛員的觀察和避碰決策。在很多方面,AIS提供的功能正好彌補了雷達在船舶導航、避碰等方面存在的缺陷[10]。

6 結語

隨著計算機技術、控制技術、人工智能、通訊技術等不斷完善和發展,相信越來越完善的ARPA能夠為船舶安全航行提供優質保障,雖然ARPA的使用在一定程度上緩解了人工標繪的麻煩,但是由于現有ARPA在使用中的局限性和功能缺陷的存在,還是給船舶的安全航行帶來了隱患。鑒于都不是由單一因素引起的,很難采用某種單一的一勞永逸的辦法來消除這些對航行安全的影響。只有提高雷達和ARPA系統的軟硬件性能、整合現有的ARPA和新型的航海儀器設備如AIS、ECDIS等[11],加強船員的培訓、努力提高船員的素質這幾個方面結合起來,才有可能使現有ARPA系統達到最佳狀態,減少船舶航行碰撞事故,確保船舶航行安全。

[1]焦戰立,羅志紅.APRA局限性分析[J].武漢船舶職業技術學院學報,2007(6)：13～15

[2]吳建華.自動雷達標繪儀(ARPA)[M].武漢：武漢理工大學出版社,2009

[3]王世遠.航海雷達與ARPA[M].大連：大連海事大學出版社,2002

[4]繆德剛.航海雷達[M].大連：大連海運學院出版社,1990

[5]孫國元.自動雷達標繪儀(ARPA)[M].中華人民共和國港務監督局,1998

[6]董小兵.ARPA原理[M].大連：大連海事大學,1994

[7]鄧術章.船用ARPA雷達與AIS信息融合的實現[J].船海工程,2009(12)：145～148

[8]馮愛國.基于ARPA與AIS的船舶避碰問題的思考[J].廣州航海高等專科學校學報,2008(3)：145～148

[9]鄧術章.船用ARPA雷達與AIS信息融合的實現[J].船海技術,2008(2)：27

[10]鄧洪章.船舶自動識別系統(AIS)[J].天津航海,2002(4)

[11]Marine Electronic Navigation Sencond,enlarged edition.S.F.AppleyardR.S.LinfordandP.J.Yarwood,1998