第2章 自动雷达标绘仪（ARPA）课件.ppt

1,船载航行设备,航运学院航海技术系2005.08.30,2,课程名称：船载航行设备（Shipborne Navigational Equipments）适用专业：海事管理课程学时：50h授课教师：刘成勇 ,3,课程性质,船载航行设备课程由航海雷达与ARPA、航海仪器两部分组成，是海事管理专业必修的一门专业课。根据专业培养目标的要求，本课程侧重于了解目前在船舶上使用的航行设备的种类、用途以及操作方法，能够初步掌握这些设备的基本原理、使用方法以及维护与保养。本课程还结合航海技术的发展趋势，介绍了一些近期的新型航海仪器。,4,课程目标,本课程以课堂讲授为主并通过一定数量的实验教学，使学生掌握航海雷达与ARPA、磁罗经、陀螺罗经以及无线电导航、卫星导航系统的基本组成、工作原理、性能（或功能）及操作使用方法；掌握设备的维护保养及简单常见故障的判断方法，并能正确地用于船舶定位、导航与避碰中。本课程的教学目的是使得学生初步了解船舶重要导航设备的基本原理和最新进展，并掌握部分设备操作的知识和技能，锻炼学生综合运用知识的能力，培养学生的实践能力。,5,教学环节 教材,推荐教材： 航海雷达与ARPA 主 编：王世远 出版社：大连海事大学出版社 出版或修订时间：1998年 航海仪器 主 编：杨在金 出版社：大连海事大学出版社 出版或修订时间：1998年4月,6,教学环节 学时分配,7,第二章 自动雷达标绘仪（ARPA）,ARPA 船用雷达发展历史上的里程碑,8,主要内容,2.1 绪论2.2 ARPA的工作原理2.3 ARPA的操作使用,9,2.1 绪论,2.1.1 普通船用雷达在船舶避碰中的应用,.1 相对运动雷达用于船舶避碰人工标绘避碰法,船舶避碰预测：预测相遇船和本船在何时何处将同时占据 海面上同一点或存在碰撞危险；避让：本船对危险船采取的避让机动，使二者不同 时占据同一点或摆脱两船碰撞危险的局面。,CPAClosed Point of Approach:最近会遇点,DCPADistance to CPA:本船到CPA的距离,TCPATime to CPA:本船到CPA的时间,10,0,060,相对运动显示人工标绘图,相对运动方位线,VR,VT,VS,VS,P,11,相对运动显示人工标绘图,VR,VT,-VS,P,SHM,o,VS,CPA,DCPA,预测视运动,速度三角形,要诀：至始反航向终连,12,SHM,向右转向,MIN CPA圆,R.M.L,C1,C2,新航向,本船保速改向避让时的人工标绘,13,SHM,MIN CPA圆,R.M.L,C1,C2,新航速,本船保向改速避让时的人工标绘,14,相对运动雷达人工标绘避碰流程图,目标检测,雷达,人工标绘,计算目标的C、V、R、CPA、TCPA,人工设定MINCPA、MINTCPA,保向保速,紧急操船,YES,NO,NO,15,YES,避碰规则、本船操纵性能、操船经验,权利船,保向保速加强了望,义务船,减速,改向,减速指令,改向指令,相对运动雷达人工标绘避碰流程图,16,（1）由于采用低亮度显示，只提供原始视频显示回波图像，杂波处理简单，图像质量差，因而难以确保在杂波干扰背景中可靠识别相遇船回波；,（2）由于采用实时扫描，只能显示目标的瞬时位置、描绘目标和本船的位置，而不能直接显示目标的航向、航速数据，更无预测未来及历史航迹的显示功能，因而不能看清现场的运动态势，难以判断本船和相遇船是否存在碰撞危险；,.2 普通雷达用于船舶避碰的局限性,普通船用雷达在船舶避碰中的应用,17,（3）由于不能直接给出碰撞参数CPA、TCPA，虽经人工标绘可以得到，但费时、不直观、不准确，在多船会遇、快速逼近及机动频繁的时候，难以应付，因而往往失去宝贵的时机，造成碰撞事故；,（4）由于不具有自动计算及自动危险判断的功能，因而在验证本船机动的效果时，仍需重新进行人工标绘。,.2 普通雷达用于船舶避碰的局限性,普通船用雷达在船舶避碰中的应用,18,2.1.2 ARPA系统的组成及各部分作用,.1 ARPA系统的基本组成框图,计程仪,X/S波段雷达,陀螺罗经,外存储器,预处理,输入输出接口,目标检测录取,跟踪器,计算机,ARPA控制台,数据显示器,PPI显示器,ARPA电源,回波原始视频,本船航向,本船航速,目标数据,布置跟踪,报警,操作指令,操船指令,中频电源,ARPA=Radar+PC,传感器,触发脉冲,天线信息,19,溢出报警,信号预处理与目标检测,计程仪,计算航行及避碰数据,保向保速,NO,雷达,陀螺罗经,跟踪器,设置MINCPA、MINTCPA,目标清除,.2 ARPA系统自动标绘避碰流程图,20,YES,声光报警,试操船航向航速,减速,改向,减速指令,改向指令,试操船（Trial）,避碰规则,报警解除,计算航行及避碰数据,ARPA系统自动标绘避碰流程图,21,2.1.3 ARPA系统的分类及特点,.1 按照系统组合方式不同分类,.2 按照显示目标动态方式不同分类,.3 按照显示器扫描方式不同分类,（1）分立式ARPA：主雷达与ARPA显示器分开；（2）组合式ARPA：主雷达与ARPA显示器合二为一。,（1）矢量型ARPA：用矢量表示跟踪目标的动态，有真矢量何相对矢量供选择； （2）图示型ARPA：用矢量前方的六边形表示预测危险区PAD,也有真矢量何相对矢量供选择。,（1）径向圆扫描式：沿用常规船用雷达的扫描方式；（2）电视光栅扫描式：为第三代彩色ARPA所采用。,22,2.2 ARPA工作原理,2.2.1 各种传感信号的预处理2.2.2 目标自动检测、录取和跟踪2.2.3 目标参数的自动计算及碰撞危险判断2.2.4 显示方式及选用2.2.5 自动报警和系统测试2.2.6 试操船2.2.7 ARPA的外围设备及要求2.2.8 附加功能2.2.9 ARPA的优点和局限性,23,2.2.1 各种传感信号的预处理,（1）预处理的内容： 雷达原始视频信号的杂波处理； 距离、方位信号的量化处理； 陀螺罗经航向信号数字化处理 计程仪航速信号的数字化处理,.1 预处理的内容、必要性,（2）预处理的必要性： 消除海浪、雨雪及同频雷达干扰及噪声杂波； 电子计算机的容量和处理能力有限； 模拟传感信号经过量化或数字化处理后，可变换成计算机可以接受的数字信号。,24,2.2.1 各种传感信号的预处理,（1）雷达回波原始视频信号的杂波处理 恒虚警处理（CFAR Processing） CFARConstant False Alarm Rate，即恒虚警率，表示单位时间内出现的虚警数是一定的。 CFAR处理：先取出带杂波干扰的原始视频信号积分均值，然后再将它与原始视频信号相减，以去除杂波，输出有用的目标回波。杂波干扰的处理具有自适应的性质，抑制效果将更显著。 解相关处理（Solve Correlation Processing） 如抗同频雷达干扰。,.2 雷达信号的预处理,25,（2）量化处理 方位量化 方位量化是对天线波束的角位置进行量化，即将360等分成若干方位量化单元，并用一组由“0”、“1”组成的代码表示不同的方位。 距离量化 距离量化，即时间量化，以雷达触发脉冲前沿为起点，将距离扫描全程对应的时间等分成若干时间量化单元。,.2 雷达信号的预处理,26,（2）量化处理 原始视频信号的数字化 将雷达接收机输出的原始视频信号经过幅度分层和时间量化而变换成数字视频信号。,.2 雷达信号的预处理,（3）罗经及计程仪信号的数字化处理 罗经信号的数字化 由陀螺罗经提供的本船航向模拟信号，用同步机或步进电机送至ARPA的预处理电路，将罗航向信号转换成数字航向信息，所用转换器件及远离与天线角位置信号量化处理相同。 计程仪信号的数字化 数据折合率符合IMO要求，即200pulse/nmile。,27,2.2.2 目标自动检测、录取和跟踪,.1 数字式目标自动检测 雷达信号检测：在噪声和杂波干扰背景中识别目标的存在。 在ARPA中，信号检测是在预处理后进行的，杂波处理后的信号检测仍然是在剩余的杂波干扰背景中判别目标是否存在，预处理只是改善了判别的条件。,28,.1 数字式目标自动检测,29,1,0,0,0,0,1,1,数字式目标自动检测,30,.2 目标录取的方法及特点,2.2.2 目标自动检测、录取和跟踪,定义：跟踪目标的选择及其跟踪的开始，称为 ARPA的“目标录取”。目标录取的任务：目标的距离、方位数据；目标 的属性、尺度数据。,（1）人工录取： 操作方法：用手摇（或推动）操纵杆或跟踪球，控制显示器电路产生的录取标志在荧光屏上的位置，当套在欲录取的目标回波亮点上时，按下录取开关，则将录取标志的坐标数据作为物标的初始位置并输入计算机中，完成目标录取任务。,31,ARPA的操作界面,32,0,目标录取的方法人工录取,33,目标录取的方法及特点,（1）人工录取： 优点：用可以按照危险程度作出先后录取的方案，一般先录取船首向、右舷、离本船近的相遇船，录取目的性明确；运用观测经验，较容易在干扰背景中识别和录取目标。 缺点：录取操作过程费时间、速度慢，在多目标复杂情况下容易措手不及；如果观测疏忽，可能漏掉危险目标；目标的运动态势及危险程度随时变化，需重复进行录取操作和连续观测，值班驾驶员负担较重。,34,目标录取的方法及特点,（2）自动录取： 从发现目标到各个目标位置数据送入计算机的整个录取过程由机器自动完成，仅一些辅助控制由操作者介入。 操作方法： 设置优先区 设置限制区：限制区是ARPA拒绝录取区 设置警戒区,35,0,315,45,270,90,.2 目标录取的方法及特点,设置优先区,36,0,目标录取的方法及特点,设置限制区,37,0,目标录取的方法及特点,设置警戒圈,38,0,目标录取的方法及特点,设置警戒区,39,0,.2 目标录取的方法及特点,设置警戒区,40,目标录取的方法及特点,（2）自动录取： 优点：录取速度快，可应付多目标态势。 缺点： 可能会造成虚假录取，误将干扰、陆地或岛屿当作目标录取； 可能会漏掉在杂波干扰区外的弱小目标； ARPA的优先录取准则较简单，难以适应多目标且运动态势复杂的场合，造成漏掉危险度较大的目标而酿成危险局面。,41,目标录取的方法及特点,（3）IMO关于ARPA录取功能的最低性能标准 录取容量：不少于20个（人工、自动录取） 当录取超过总数时，ARPA发出警报，此时可用“人工清除”（Man Cancel）功能。 录取精度：距离精度20m，方位精度0.1； 录取速度：从初始录取到建立跟踪所需要的时间为13min； 录取分辨力：即分别录取两个相邻目标坐标而不混淆的能力，一般为30 50m。,42,.3 目标的自动跟踪,2.2.2 目标自动检测、录取和跟踪,定义：观测目标位置的相继变化以建立其运动的 方程，称为ARPA的“目标跟踪”。目标跟踪的任务：利用目标运动的相关性，将离散的目标位置（点迹）数据分别连成各目标的航迹，并判明其运动规律。,（1）实现自动跟踪的方法： ARPA对目标的自动跟踪是采用天线边扫描边跟踪的方法，必须同时解决两个问题：,43,.3 目标的自动跟踪,航迹外推：对目标未来位置的预测，即预测目标在下一周天线扫到时的位置。 由于雷达测量有误差及目标机动的随机性，航迹外推的结果必然存在误差。为了使外推的均方误差最小和实现外推的可能性，必须对采集的点迹数据进行滤波处理，以实现最佳估计，从而获得最佳预测位置。,（1）实现自动跟踪的方法：,44,目标的自动跟踪,航迹相关：对新点迹和已有航迹之间归属关系的判明。 方法：首先判明新点迹是否属于同一目标或者是其他新发现的目标； 其次，在预测位置中心设置一个“跟踪窗”或“跟踪波门” ，波门尺寸应保证下一次目标（会波点）检测时，预测位置和实测位置修正后都处于该波门内，以保证连续跟踪； 第三，凡是进入波门的信号就认为是相关的，判定为同一目标的新点迹。,（1）实现自动跟踪的方法：,45,跟踪波门,方位门开始,方位门结束,AGS,RGS,46,目标的自动跟踪,波门尺寸对跟踪性能的影响 初始录取波门应足够大，以便录取成功并建立起航迹；但录取波门不可太大，否则降低录取分辨力。 建立航迹后跟踪波门尺寸要小，有利于提高跟踪精度和分辨力； 为了适应不同尺寸的目标、目标机动及跟踪误差，波门尺寸大小应能自适应调整。,（2）跟踪波门,47,目标的自动跟踪,ARPA采取的自动跟踪方法 波门尺寸按照目标尺寸自动调节：根据自动检测到的目标几何面积设置波门尺寸大小，使目标面积占波门面积的75%，其余25%是留有余地。 设置大、中、小三种波门尺寸，在跟踪过程中自适应调整：初始录取目标时用大波门，初始建立跟踪后用中波门；进入稳定跟踪后，用小波门。若用大波门连续5次天线扫描，目标都未能进入大波门，则判定目标丢失。,（2）跟踪波门,48,目标的自动跟踪,目标丢失 目标回波信号变弱； 杂波干扰； 目标大幅度快速机动 雷达测量或处理出现特大误差 目标进入雷达阴影区或被大目标遮挡 误跟踪 目标调换 （发生目标调换的5种情形和技术措施）,（3）自动跟踪的局限性,49,.1 目标运动参数的计算,2.2.3 目标参数的自动计算及碰撞危险判断,（1）目标位置参数：距离R、方位B；（2）目标相对航速与航向；（3）目标真航速、真航向,.2 危险预测参数的计算,（1）碰撞参数：DCPA、TCPA；（2）可能碰撞点PPC；（3）危险预测区PAD。,50,MIN CPA圆,R.M.L,C1,相对运动时的人工标绘,O,x,y,N,E,P,51,.1 目标运动参数的计算,（1）目标船运动六要素,相对运动方程：,相对运动速度：,相对运动方向：,52,.1 目标运动参数的计算,（1）目标船运动六要素,目标船航速：,目标船航向：,53,.1 目标运动参数的计算,（1）目标船运动六要素,目标船距离：,目标船方位：,54,.1 目标运动参数的计算,（1）目标船运动六要素,BCT：,BCR：,55,.2 危险预测参数的计算,（2）可能碰撞点PPC,（1）碰撞参数：DCPA、TCPA；,DCPA：,TCPA：,56,.2 危险预测参数的计算,（2）判断危险度,DCPAMIN DCPA,TCPAMIN TCPA,57,.2 危险预测参数的计算,（3）可能碰撞点PPC,58,.3 危险判断与报警,目标参数的自动计算及碰撞危险判断,（1）利用DCPA、TCPA进行危险判断与报警,（2）利用警戒环进行危险判断与报警,DCPAMIN DCPA TCPAMIN TCPA：目标船安全；DCPAMIN DCPA TCPAMIN TCPA：目标船危险，时间有余；DCPAMIN DCPA TCPAMIN TCPA：目标船紧急危险；,（3）利用PPC、PAD进行危险判断与报警,（4）跟踪目标丢失的危险判断与报警,59,.3 危险判断与报警,目标参数的自动计算及碰撞危险判断,（1）利用DCPA、TCPA进行危险判断与报警（2）目标相对航速与航向；（3）目标真航速、真航向,.4 危险预测参数的计算,（1）碰撞参数：DCPA、TCPA；（2）可能碰撞点PPC；（3）危险预测区PAD。,60,.1 数据显示器,2.2.4 显示方式及选用,ARPA数据显示器的显示内容 跟踪目标的六参数： 本船运动参数:航速、航向； 矢量时间： 尾迹点及间隔时间： 偏移数据： 安全判据： 录取标志位置数据： 故障序号： 目标过船头距离（BCR：Bow Cross Range） 目标过船头时间（BCT：Bow Cross Time）,61,.2 综合显示器,显示方式及选用,ARPA综合显示器的主要内容定量符号,相对矢量：其起点表示目标现位置；方向表示相对运动航向；长度表示对应矢量时间的预测航程；矢量末端表示对应矢量时间的预测到达位置。真矢量：其起点表示目标现位置；方向表示真运动航向；长度表示对应矢量时间的预测航程；矢量末端表示对应矢量时间的预测到达位置。,62,.2 综合显示器,定量符号,历史航迹：表示目标现位置之前的历史航迹。 ARPA能显示目标过去4个等时间间隔的位置，并显示出该时间间隔的大小，其时间间隔与使用量程成比例。,ARPA采用真矢量显示方式显示目标的真运动航迹。 （1）用于判断目标是否机动 （2）用于检查跟踪能力是否正常,63,真运动显示方式历史航迹的显示,T2,T3,T1,T4,O,N,64,.3 显示方式特点及选用,显示方式及选用,（1）本船运动显示模式 R.M.显示模式 T.M.显示模式,用于船舶避碰的只能是对水T.M.方式,（2）图像指向显示模式 船首向上（Head Up） 真北向上（North Up） 航向向上（Course Up）,65,.3 显示方式特点及选用,显示方式及选用,（3）矢量显示模式,相对矢量（Relative Vector）显示模式 本船无相对矢量，同速同向目标不显示R.V； 固定或运动目标显示R.V； 从本船到目标R.V延长线的垂足为CPA，目标航行至CPA的时间为TCPA。,适用场合：R.V显示模式可评估目标逼近本船的速度，估算CPA、TCPA，评估相遇船与本船有无碰撞危险。,66,0,相对矢量显示方式,T1,T2,T3,CPA,CPA,67,.3 显示方式特点及选用,（3）矢量显示模式,真矢量（True Vector）显示模式 本船与运动目标都显示T.V，其长度比为速度比，可形成0、1、2个PPC； 固定没有T.V；如果固定目标显示T.V则是因为受到风、流的影响而产生的，此时为对水T.M； 若目标的CPA=0，则该目标T.V延长线与本船航向线的交点为PPC； 若本船和目标的T.V矢端重叠或离得很近，表示有碰撞危险。 根据目标的T.V和真航迹可判断目标是否机动。,68,T2,O,真矢量显示方式,T1,69,.3 显示方式特点及选用,（4）目标动态预测显示模式,矢量（Vector）模式,PAD模式PAD模式是SPERRY ARPA的专利。,使用ARPA的原则是确保船舶航行安全 在大样中航行时：ARPA主要是直观判断船舶有无碰撞危险，故使用R.M、R.V、CU显示，并采用PAD模式； 在狭水道或进港时：便于将图像与海图对照，便于定位和改向避让时的图像稳定，故使用T.M、T.V、NU显示，并采用矢量模式。,70,2.2 ARPA工作原理,2.2.5 自动报警和系统测试2.2.6 试操船2.2.7 ARPA的外围设备及要求2.2.8 附加功能,71,.1 ARPA的优点,2.2.9 ARPA的优点和局限性,（1）ARPA具有预处理和自动检测功能，可在噪声干扰环境中较可靠识别目标；,（2）ARPA能自动、连续提供必要的航行及避碰信息数据，并能连续、正确、迅速地评估和预测航行态势。,（3）ARPA有多种功能，正确使用有助于解析雷达信息，确保船舶航行安全，减少碰撞事故和海上环境污染。,（4）ARPA工作自动化程度高，可减轻驾驶员的辛劳，集中精力操船和避让，确保航行安全。,72,.2 ARPA系统误差源及其影响,ARPA的优点和局限性,（1）设备误差,传感器误差： 雷达测距误差 雷达测方位误差 陀螺罗经误差 计程仪误差输入数据误差对ARAP输出数据的影响：,（2）ARPA本身的误差 滤波处理误差 计算误差 目标调换 录取假目标或杂波,73,.2 ARPA系统误差源及其影响,（3）人为误差,对显示模式及矢量模式的误解和误用本船航速输入不当对PPC、PAD图示信息的不正确解析试操船功能使用不当,（4）使用ARPA的注意事项 ARPA仍然是一个助航设备，安全航行的关键因素是人，不可盲目信赖； 必须正确理解矢量、PPC、PAD的概念； 弱目标回波不可丢失，而丢失的可能是危险目标；,74,（4）使用ARPA的注意事项 自动录取是在目标闯入警戒区时激发闯入报警并自动录取，要连续跟踪，及时进行人工录取； 经常对ARPA的图像信息和数据信息进行对比分析，以减少错误。,.2 ARPA系统误差源及其影响,75,.3 ARPA的局限性,2.2.9 ARPA的优点和局限性,（1）ARPA传感器的局限性 （2）自动检测的局限性 （3）录取的局限性 （4）跟踪局限性 （5）报警的局限性 （6）安全判据的局限性 （7）ARPA用于狭水道航行的局限性,76,2.3 ARPA的操作与使用,2.3.1 ARPA控键的分类与安排,.1 基本功能键,（1）与目标有关的功能键（2）与本船有关的功能键（3）与图像显示模式有关的功能键（4）与报警有关的功能键,.2 特殊功能键,（1）有关导航的功能键（2）其他附加功能键,77,2.3 ARPA的操作与使用,2.3.2 ARPA正确开机及数据设置方法,.1 开启和调整好雷达,.3 初始数据设置,（1）本船航向输入：陀螺罗经航向；（2）本船航速输入：手动或计程仪输入；（3）安全判据数据输入：设置MINCPA、MINTCPA,.2 选择合适的量程和显示组合方式,本船运动模式、矢量显示模式、图像指向模式,78,2.3 ARPA的操作与使用,2.3.3 ARPA基本功能的操作,.1 目标录取,.3 读取指定目标的数据：屏幕上目标船的六个参数,（1）相对矢量：判断碰撞危险；调整矢量时间（2）真矢量：作出避让决策（3）历史航迹：判断目标是否机动,.2 矢量模式选用式,（1）人工录取：至少20个；录取的原则、方法（2）自动录取：至少20个；设置限制区、警戒区,.4 清除已跟踪目标：操作方法；ARPA自动清除的条件,79,2.3 ARPA的操作与使用,2.3.5 ARPA的避碰应用,.1 ARPA用于判断相遇态势,（1） 相对矢量用于判断相遇态势,（2） 真矢量用于判断相遇态势,.2 ARPA用于碰撞危险估计,（1） 相对矢量用于碰撞危险估计,（2） 真矢量用于碰撞危险估计,.3 ARPA用于求取避让措施,（1） 相对矢量用于求取避让措施,（2） 真矢量用于求取避让措施,80,SHM,T1,T2,T3,T4,o,T1：碰撞危险,T2：右舷过,T3：左舷过,T4：首向正横过,用相对矢量判断相遇态势,81,SHM,T1,T2,T3,T4,o,T1：船首向交 叉会遇船,T2：右舷追越船,T3：静止目标,T4：左舷对遇船,用真矢量判断相遇态势,PPC,82,2.3.5 ARPA的避碰应用,.4 利用ARPA协助避让的注意事项,（1） 及早发现和录取相遇船目标；,（2） 试操船结束，采取避让行动后，应继续观 测和瞭望，以观避让效果；,一般8nmile外录取，6nmile判断会遇结果,使用尾迹功能检查,（3） 狭水道雾航时避免在转向点与来船相遇；,（4） 相对矢量与真矢量交替使用，互相验证；,（5） 试操船和机动措施符合国际避碰规则；,（6） 注意未录取和跟踪的目标，ARPA不报警。,83,回顾,2.1 绪论,.1 普通船用雷达在船舶避碰中的应用.2 ARPA系统的组成及各部分作用.3 ARPA系统的分类及特点,2.2 ARPA的工作原理,.1 各种传感信号的预处理.2 目标自动检测、录取和跟踪.3 目标参数的自动计算及碰撞危险判断.4 显示方式及选用.5 ARPA的优点和局限性,2.3 ARPA的操作使用,84,复习与思考,（1）P163页，复习思考题。 1、3、4、8、9、14、15、16、17、18、19、20、21、27、28、29 课后作业：以上题目每人选做2题。,85,