利用雷達圖像疊加增進ECDIS導航安全*

龔安祥 劉加釗

利用雷達圖像疊加增進ECDIS導航安全*

龔安祥 劉加釗

船舶駕駛?cè)藛T不僅要熟悉和掌握ECDIS的性能和功能，還應該利用一些有效的瞭望手段和獨立于該系統(tǒng)的方法檢驗其有效性和可靠性。使用ECDIS中的雷達圖像疊加功能，可以實時快速有效地驗證ECDIS的性能。分析雷達圖像疊加顯示的特點，并利用雷達圖像疊加核對船位和羅經(jīng)差，以期幫助駕駛員利用該功能增進航行安全。

ECDIS；RADAR；疊加雷達圖像；導航安全

一、引言

電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）是繼航海雷達/ARPA之后在船舶導航方面又一項偉大的技術(shù)革命，徹底改變了船舶駕駛員的船舶導航方式，會逐步取代傳統(tǒng)紙質(zhì)海圖。ECDIS是智能化的“海圖”，能夠自動檢測海圖中的淺水區(qū)、礙航物以及其他禁止船舶進入?yún)^(qū)域等，通過設置安全等深線、安全水深、船舶偏航報警、擱淺預警等，可以極大地提高航線設計、航行監(jiān)控以及避碰決策的自動化程度。[1]ECDIS作為船上強制性配備的設備，將按船型、噸位從2012年至2018年逐步裝船，[2]因此駕駛員應當熟悉使用作為船舶導航核心的ECDIS，并且能夠及時有效地處理ECDIS的錯誤及故障。

ECDIS是將各種信息源的數(shù)據(jù)實時顯示在一個顯示器上的綜合導航信息系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)包括電子海圖數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)（如定位系統(tǒng)、羅經(jīng)、計程儀、雷達圖像、雷達目標、AIS、測深儀、風速風向儀）等。ECDIS是船舶導航系統(tǒng)的核心設備，船舶導航雷達也在導航中起著重要的作用。將雷達圖像疊加顯示在ECDIS上，不僅可以提高避碰能力，還可以提高導航的準確性。ECDIS性能標準MSC.232（82）中對雷達的要求為：傳輸?shù)睦走_信息可包含雷達圖像和/或跟蹤目標信息。如果雷達圖像疊加到ECDIS顯示中，兩者在顯示比例、投影方式及指向上應相匹配。雷達圖像和船位（來自船位傳感器）應根據(jù)天線與駕駛位置的偏移量自動調(diào)節(jié)。[3]

二、雷達圖像疊加顯示的特點

將雷達圖像疊加顯示在海圖上，并不僅僅是在ECDIS上查看重復的雷達圖像，還可以驗證整個導航系統(tǒng)的正確性。利用該功能，可以快速地根據(jù)雷達回波圖像與海圖上的岸形是否匹配來判斷船位的準確性及儀器的工作狀態(tài)。雷達與ECDIS的集成技術(shù)包括數(shù)字NMEA傳輸及雷達處理器兩種。數(shù)字NMEA傳輸技術(shù)是將船舶導航雷達中的跟蹤目標TT傳輸并疊顯在ECDIS上。雷達處理器技術(shù)是對雷達圖像進行信號處理并疊加顯示在ECDIS上，如圖1 所示。

圖1 ECDIS中的雷達圖像疊加

雷達自身特性導致有些物標回波與ECDIS中顯示的海圖信息不能完全一致，筆者在培訓教學中發(fā)現(xiàn)，不少駕駛員無法解釋這些現(xiàn)象，并產(chǎn)生很多疑問甚至誤解，因此有必要進行詳細說明，從而警示駕駛員在使用過程中對該現(xiàn)象加以注意。使用雷達圖像疊加到ECDIS上時，應注意以下現(xiàn)象：

圖2 不同脈沖寬度下燈浮的回波顯示

（1）點狀物標的顯示。雷達回波圖像存在方位擴展和徑向擴展。方位擴展主要跟雷達的水平波束寬度有關，天線物理尺寸越大，水平波束寬度越窄，方位擴展越小，船用導航雷達的水平波束寬度一般為1°左右。因此，燈浮等點狀物標，其雷達回波顯示為1°的寬度，距離本船越遠，回波寬度越大。如當該燈浮距離本船2海里時，其回波圖像在海圖上顯示的寬度約為32米。雷達徑向擴展主要跟雷達脈沖寬度有關，短脈沖約50納秒，徑向擴展約15米；長脈沖則徑向擴展更大。ECDIS上疊加的雷達圖像如點物標燈浮，顯示的尺寸要比實際物理尺寸大得多。因此駕駛員應掌握雷達圖像的顯示特點，點狀物標其真實位置位于回波中間的前沿，如圖2所示，（a）為短脈沖時燈浮的回波顯示，（b）為長脈沖時燈浮的回波顯示。若雷達圖像回波中間前沿的位置與海圖上的燈浮位置（若沒有移位）較吻合，則可說明當前船位準確；若出現(xiàn)不吻合的情況，則需要駕駛員核對船位和燈浮是否移位等，確保航行安全。

（2）不同夾角岸線的顯示。雷達圖像方位擴展的特點對岸線的顯示也有不小的影響。如圖3所示，圖中標注為A的范圍即船位與岸線成銳角時，顯示為擴展的圖像，與岸線不吻合；標注為B的范圍即船位與岸線成直角時，沒有擴展現(xiàn)象，和岸線較為吻合。當船舶沿著海岸線航行時，駕駛員可以信賴船位與岸線成直角附近的回波來導航。而船位與岸線成銳角時，將會有不可忽略的誤差。

（3）不同坡度岸線的顯示。雷達反射回波大多來自陡峭的岸線或者大量的岸上物標，而平緩的沙灘產(chǎn)生較差的反射，一些平坦的沙灘并不產(chǎn)生回波；有些地方的潮差太大，實際岸線與海圖表示的岸線存在較大出入，使得雷達圖像不能與岸線完全匹配。如圖4所示，兩側(cè)都為平坦的岸線，雷達回波會顯示在陸地上。當遭遇類似情況時，應使用海圖或視覺瞭望了解岸線的平緩陡峭情況，以判斷雷達圖像疊加是否正常。駕駛員應特別注意的是，在核對岸線回波時，應重點核對顯著物標的雷達圖像，如陡峭的岬角、燈塔等。

圖3 不同夾角岸線的回波顯示

圖4 平坦岸線的回波顯示

三、利用雷達圖像疊加核對船位

由于ECDIS能夠?qū)PS船位實時顯示在電子海圖上，往往使得駕駛員形成了過分信賴ECDIS上的顯示船位的習慣，而這存在極大的安全隱患。錯誤的輸入導致錯誤的輸出，ECDIS是以顯示船位來計算導航數(shù)據(jù)的，所以顯示船位錯誤時，其導航數(shù)據(jù)也是錯誤的，這樣會導致船舶發(fā)生危險甚至海難事故。如圖5中所示，該船船位準確且走在航線上，正確的航跡向為083.4°。若此時顯示船位有向南偏0.5海里的誤差，則如圖6所示，其指示的航跡向為070.9°，顯然如果繼續(xù)保持原航跡向070.9°航行的話，船舶將穿越分隔帶，進入反向航道。因此經(jīng)常校驗ECDIS顯示船位的準確性，是使用ECDIS安全導航的必要條件。鑒于ECDIS顯示船位對航行安全的重要性，港口國監(jiān)督（PSC）對駕駛員是否有能力使用各種方式交叉確認船位進行重點檢查。

圖5 船位正常時的船舶導航數(shù)據(jù)

圖6 船位向南偏離0.5海里時錯誤的導航數(shù)據(jù)

校驗船位準確性的方法除了傳統(tǒng)定位方法，如方位定位、距離定位等外，雷達圖像疊加也是一種非常好的方法。如果海岸線的雷達回波與ECDIS的岸線不吻合，出現(xiàn)朝一個方向偏移，則極大可能是GPS船位誤差造成的，也可能是海圖數(shù)據(jù)由原來坐標系轉(zhuǎn)換成WGS84坐標系時產(chǎn)生的計算誤差造成的，這種可能性非常小。如圖7所示，雷達回波產(chǎn)生了整體向右的偏移量。若出現(xiàn)這種現(xiàn)象，要用各種方法充分核實船位，確保安全。

圖7 整體向右偏移的雷達回波

四、利用雷達圖像疊加核對羅經(jīng)差

ECDIS海圖顯示以真北為基準，理論上不存在方向誤差。雷達圖像的方向基準則與羅經(jīng)信號有關，輸入陀螺羅經(jīng)信號的以陀螺羅北為基準。真北與陀螺北之間的差異，即為陀螺差。陀螺差誤差的大小，取決于陀螺羅經(jīng)校正是否準確。如圖8所示，雷達圖像與海圖顯示相比，出現(xiàn)了順時針旋轉(zhuǎn)，說明該輪的指向設備存在較大誤差，應對指向設備誤差進行校正。

圖8 順時針旋轉(zhuǎn)的雷達回波

五、總結(jié)

船舶駕駛?cè)藛T不僅要熟悉和掌握ECDIS的功能和性能，還應該利用一些有效的瞭望手段和獨立于該系統(tǒng)的方法檢驗其有效性和可靠性。[4]使用ECDIS中的雷達圖像疊加功能，可以有效、快速、直觀地驗證ECDIS顯示。船舶駕駛員應熟悉雷達圖像疊加的特點，正確使用該功能，以保證航行安全。

[1]龔安祥.從幾起船舶擱淺事故談ECDIS的使用[J].航海技術(shù),2014(5):43-46.

[2]劉加釗,龔安祥,衛(wèi)桂榮.現(xiàn)有船安裝ECDIS的問題探析[J].世界海運,2015(8):36-39.

[3]Performance Standard for Electronic Chart and Display System(ECDIS).IMO MSC 232(82)[R].2006.

[4]劉加釗.電子海圖導航的潛在風險[J].航海技術(shù),2008(3):7-9.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.11.009

全國交通運輸職業(yè)教育教學指導委員會2015年交通運輸職業(yè)教育科研項目（項目編號：2015A02）；青島遠洋船員職業(yè)學院科研項目（合同編號：2015-R-002）

龔安祥（1983—），男，青島遠洋船員職業(yè)學院航海系，副教授，碩士。

劉加釗（1973—），男，青島遠洋船員職業(yè)學院航海系，副教授，副主任，碩士。