導航雷達中試操船功能的實現

常傳文，茅文深

(中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

導航雷達中試操船功能的實現

常傳文，茅文深

(中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007)

導航雷達終端的試操船功能是船舶避碰中較為有效的手段之一。針對該功能，首先介紹了碰撞三角形工作原理；其次，將試操執行過程劃分為延遲時間、保向、保速等4個環節，并推導出了各環節本船位置的計算公式；為簡化計算，針對保速環節提出了等價運動矢量的計算方法。另外，從工程角度在安全性、顯示方式、程序優化等方面提出了實現建議。

導航雷達；試操船；碰撞

1 概 述

在船舶安全航行中，導航雷達已經獲得了廣泛應用。導航雷達通過向船舶四周發射電磁波，再通過對接收到的反射回波進行分析，實現對船舶周圍海上環境的判斷，為船舶航行指引航向，同時躲避其他目標物體，避免發生碰撞事故[1]，提高海上航行時的安全系數。而試操船功能是船舶避碰中較為有效的手段之一，其原理是，當自動雷達標繪儀產生碰撞告警后，操作員通過設定本船的新航速、航向、運動特性等參數，模擬新運動狀態下的碰撞告警情況，進而采取處置措施。一套完整的試操流程包括5個階段：正常航行，產生碰撞告警，試操船，執行避碰動作，恢復航行，如圖1所示，其中灰色陰影部分為執行試操船的動作過程。

國內外對于船舶避碰的研究較多，多采用全局/局部路徑規劃方法[2-4]，將船艇試操船軌跡尋優問題映射為最優化求解問題。結合各種尋優算法進行路徑規劃，也有相關論文針對水面無人艇避碰方法方面進行研究，涉及到的研究方法包括可視圖、遺傳算法、模糊算法、勢場法等[5]。但上述方法多采用模擬/仿真手段進行驗證，其計算過程復雜，難以在實際使用中進行驗證。另外，從理論上來說，轉換為最優化問題，不可避免地會出現無法尋優、局部最優和全局最優等問題，在工程實際中帶來的負面影響有時是致命的。再次，上述研究或方法在設定角色參與方面，均認為計算機是獨立完成避碰過程，是一個典型的開環控制系統，但卻忽略了人在其中的反饋-修正作用，未將計算機和人認同為一個閉環系統。李月華[6]對試操船功能的實現給出了較為完整的方案，也考慮了操作員在試操過程中的反饋作用，但其采用相對本船運動顯示，本船一直處于畫面中心位置，目標船僅顯示相對本船的運動矢量，經過試用，這會在很大程度上迷惑雷達操作員，并不直觀。同時，實現過程并未考慮延遲時間、調諧率、本船線加速度情況等參數，另外僅考慮減速過程，并未考慮加速情形，工程應用仍有較大的改進空間。謝良誠[4]主要從延遲時間、顯示模式等闡述國際海事組織關于試操船的相關規定，具有一定的參考價值。本人將從碰撞告警、原理、實現、后續工作幾個方面介紹試操船功能在工程應用中的實現過程，同時考慮到人機閉環以達到更好的試操效果。

2 碰撞告警工作原理

在船舶航行中，針對危險目標的判斷、告警是其中關鍵，最直接的方法是持續預測目標與本船之間的相對方位和距離，普遍采用計算碰撞三角形方法，隨時給出危險預測數據。假定：水流為靜止穩態；不考慮自然環境影響(如風、雨)；目標船均為保速、保向運動；根據國際航行規則，本船為義務船；本船當前位置為坐標原點，為適應操作員觀察習慣，采用極坐標且正北向上。

設本船當前運動矢量為V0，方位為α0，距離為D0，航速為V0，航向為φ0。導航雷達發現目標n個，其中第i個目標的真運動矢量為Vi，方位為αi，距離為Di，真航速為Vi，真航向為φi，目標i相對于V0的相對運動矢量為ViR=Vi-V0，ViR為相對航速，φiR為相對航向，相對方位為αiR，相對距離為DiR。碰撞三角形原理如圖2所示，目標當前位置、當前原點和自原點O作ViR延長線垂線的交點Ci組成的直角三角形即為碰撞三角形，Ci為該目標船相對本船的最近點，目標當前位置至Ci的航行時間為TC，O點至Ci的距離為DC，不難得出：αO=0，DO=0，αiR=αi，DiR=Di。

根據圖2，給出計算目標i相對本船的DC和TC的計算公式為：

DCi=|Disin(φiR-αi-π)|

(1)

TCi=Dicos(φiR-αi-π)/ViR

(2)

設本船允許的最小DC為DCmin，允許的最小TC為TCmin，DCmin和TCmin與船體自身物理特性如尺寸、重量、運動特性等強相關，如果DCmini

3 試操船實現方案

船舶運動規律與傳統機器人或車輛有較大區別，難以急停急轉，其緊急剎車性能和快速轉艏性能均較弱，且控制時滯性大，試操過程中要考慮船舶的運動特性[7]。因此，在執行試操船過程中，除前述章節所依賴的輸入條件外，還需要已知以下條件：船舶單位時間的轉向角度r，稱為調諧率;船舶加速度A;啟動變速延遲時間T;試操船目的航速V1;航向φ1。

如圖3所示，整個試操執行過程按照時間劃分為4個環節：

(1) 延遲時間環節,主要考慮船舶執行變速、變向動作的時滯性，該環節船舶保速、保向運行；

(2) 變速環節,船舶航向保持φ0不變，按照a開始變速，從V0達到V1；

(3) 變向環節,船舶保持航速V1不變，按照r開始轉向，從φ0變為φ1；

(4) 更新TC和DC環節,重新計算所有階段。

為向操作員呈現如圖4所示完整的試操路線過程，鑒于計算機自身特性，以離散采樣試操點繪制船舶運動軌跡。設采樣時間間隔為Δ，試操執行過程耗時m個采樣點，其中延遲時間環節耗時m1個采樣點，變速環節耗時m2個采樣點(假設變速過程耗時整數個采樣點)，變向環節耗時m3個采樣點(假設變向過程耗時整數個采樣點)，則試操執行過程共耗時：Δm=Δ(m1+m2+m3)，繪制運動軌跡的過程即為在采樣點k求船舶位置的過程。為計算簡便，暫采用直角坐標，第k個采樣點的坐標為(xk，yk)，運動矢量為V1k，航速為V1k，航向為φ1k，則有x1=0，y1=0。

在延遲時間環節：

(3)

在變速環節，船舶以加速度a進行保向運動：

k=(m1+1),…,m2

(4)

V1m2=V0+Δ(m2-m1)a

(5)

在變向環節，因船舶為保航速變航向運動模式，若不考慮運動時間因素，其進行的是圓周運動。為便于計算，采用等價運動矢量法進行計算，如圖4所示。

第k個采樣點位置為pk，下一個采樣點為pk+1，弧長為L，弦長l，假定等效運動矢量為V2k，等效航速為V2k，等效航向為φ2k，則有：

d=rΔ

(6)

e=π/2-(π-d)/2=d/2

(7)

φ2k=φ1k+e=φ1k+rΔ/2=

φ0+Δr(k-m2)+rΔ/2

(8)

設圓周運動的半徑為R，則2πR=V1m22π/r，得出R=V1m2/r,又由弦長l=ΔV2k=2Rsin(L/2R)=2Rsin(ΔV1k/2R)，得出:

V2k=2Rsin(ΔV1k/2R)/Δ=2V1m2sin(Δr/2)/Δr

(9)

可得出遞推顯示點公式：

(10)

在變向環節結束后，同步更新所有目標的位置信息，根據V1m重新計算所有目標的TC和DC值，以判斷是否仍會出現告警。如果仍出現告警信息，需重新選取V1和φ1值；如果告警解除，則判定試操完成，本船可采取此航向、航速進行避讓，此步驟需操作員深度參與。在實現過程中，還要注意：

(1) 不能中斷周邊目標跟蹤、告警。為安全起見，在試操過程中，不得中斷對已有、新發現目標的繼續跟蹤、計算和報警[8]。

(2) 試操過程顯示要有區分。在執行試操過程中，應在畫面以醒目位置提示操作員，以區別于正常顯示；建議對每個采樣點對目標船和本船均繪制矢量線，這樣可以更加直觀地提示操作員，矢量線長度參數可配置；試操過程中再次更新TC和DC環節，如仍有告警，其方式要與實際告警明顯區分，防止出現不必要的干擾。

(3) 優化軟件實現效率。為盡量不影響實際航行的顯示，以及能夠快速在人機之間反饋并閉環試操結果，應盡可能優化軟件實現效率。如上所述，試操執行過程中需要進行大量的三角函數等運算，可采取查表(如正弦余弦計算)、固定值引用、浮點整形化等多種方式優化軟件，以達到即時顯示試操過程和結果的目標。

4 結束語

本文中所介紹的方法已在導航雷達顯控終端中應用，實現了試操全過程模擬以及結果的即時顯示，并已交付用戶使用。期間用戶也提出了許多良好的建議，比如結合滾輪調整航向即時顯示試操結果、告警方式等；同時，還希望基于最小代價操作可達原則能夠直接給出目的航向、航速的建議值，真正實現自動化、智能化。后續還有大量工作仍需改進完善。

[1] 王秀榮.海上導航雷達回波的數學模型研究及仿真[J].艦船科學技術，2016，38(2A)：100-102.

[2] 連曉峰，劉載文，左敏.移動機器人動態人工勢場路徑規劃方法研究[J].計算機仿真，2011，28(1):27-31.

[3] 馬浩，林學，成偉明.面向雷達模擬操作訓練的雷達回波仿真[J].指揮信息系統與技術，2011(3):66-73.

[4] LIAO Y L，PANG Y J，WAN L.Combined speed and yaw control of under actuated unmanned surface vehicles[C]//Proceedings of International Asia Conference on Informatics in Control，Automation and Robot-ics.New York,USA:IEEE Press，2010:157-161.

[5] 吳博，文元橋，吳貝，等.水面無人艇避碰方法回顧與展望[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2016,40(3)：456-461.

[6] 李月華.船用雷達綜合顯示軟件設計與開發[D].大連:大連海事大學，2011.

[7] 陳姚節，李爽，范桓，等.基于速度矢量坐標系的多船自動避碰研究[J].計算機仿真，2015，32(6)：420-424.

[8] 謝良誠.ARPA試操船功能與延遲時間[J].水運科技信息，1999,176(5):5-7.

RealizationofTrialShipsHandlingFunctionofNavigationRadar

CHANG Chuan-wen,MAO Wen-shen

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Nanjing 210007,China)

Trial ship handling function of navigation radar terminal is one of the effective means to avoid vessels collision.Aiming at the function,the article firstly introduces the working principle of collision triangle,secondly divides the trial handling implementation process into four sessions of delay time,orientation preservation,speed preservation,etc.,and derives the calculation formulas of vessel position in each session,in order to simplify the calculation,presents a method to calculate the equivalent motion vector aiming at speed preservation.In addition,from the engineering point of view,this paper puts forward the proposals to realize the security,display mode,program optimization,etc..

navigation radar;trial ship;collision

2017-04-28

TN959.2

A

CN32-1413(2017)06-0045-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.06.009