（信息与通信工程专业论文）移动vts目标数学模型的建立与变换.pdf

at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m e u n i v e r s i t y o b i l ev t s i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y z h u x i a o y a n i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m t h e s i ss u p e r v i s o r p r o f e s s o r p a n g f u w e n j u n e2 0 1 1 原创性声明 说明 本人郑重声明 本论文是在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 撰写成硕士学位论文 竺耷逸呸目裤堑鲎蘧生臣鱼邈 童焦 除论文 中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文 中以明确方式标明 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公 开发表或未公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 盎堕岁 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留 使用研究生学 位论文的规定 即 大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文 同意将本学位论文收录到 中国优秀博硕士 学位论文全文数据库 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 中国学位论文全文数 据库 中国科学技术信息研究所 等数据库中 并以电子出版物形式出版发行和提 供信息服务 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于 保密口在 年解密后适用本授权书 不保密砂以请在以上方框内打 论文作者签名 肄嘭帖师签名 彳濒 e t 菇i 二0 1 1 年6 月弓 日 摘要 v t s v e s s e lt r a f f i cs y s t e m 船舶交通服务系统 在增进船舶的交通安全和效率 及保护环境等方面都发挥着重要作用 目前我国投资建成的v t s 并未实现对重 要水域的全面覆盖 为更好地发挥v t s 效能 扩展其管辖范围 本文引入了移动 v t s 的概念 在v t s 无法管辖的重要水域 设置移动的交管船舶 经由交管船 舶上的a r p a a u t o m a t i cr a d a rp l o t t i n ga i d s 自动雷达标绘仪 获得目标船舶相对 于交管船舶的航行信息 继而将所获信息进行转换 得到目标船舶之间的相对航 行信息 并据此进行目标船舶碰撞危险度的判断 对可能会遇的目标船舶进行及 时预警 使移动v t s 发挥岸基v t s 的辅助功能 本文首先建立了移动v t s 的坐标系统 进行了目标船舶数学模型的建立与转 换 在得到目标船舶间相对航行信息的基础上 对影响船舶间碰撞危险度的因素 进行了系统的分析 分别以c p a 和t c p a 为主要判断依据 建立了空间碰撞危险 度和时间碰撞危险度的模型 并较合理地确定了两种危险度的合成算子 最终建 立了多因素的移动v t s 动态碰撞危险度模型 其次 考虑到会遇船舶间对避碰局面的认识不一致 是导致船舶间避碰行动 不协调乃至碰撞的重要原因之一 本文在确定了目标船舶间可能存在碰撞危险的 条件下 对船舶的会遇态势进行了分析与定量的划分 这种划分应用于移动v t s 系统 将有助于会遇船舶对船舶会遇态势的判断 协调船舶间的避碰行动 电子海图e t n 系统是一个航海信息系统 可进行航线设计 航迹监测及航行 报警等 移动v t s 系统的仿真实现以e t n 系统为依托 通过读取外部a r p a 数 据 一方面将目标船舶显示于海图区中 另一方面进行移动 s 目标数学模型的 建立与转换 将危险船舶的报警信息显示子工作区中 这就满足了移动v t s 系统 对交通图像及告警信息进行同步查看的需求 关键词 移动v t s 目标船舶 数学模型 碰撞危险度 会遇态势 s h i p s a n di ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n s of a r t h eb u i l ta n di n v e s t e dv t s i no u rc o u n t r y s t i l lh a v n tc o v e r e da l lt h ev i t a lw a t e ra r e a t ob e t t e rp l a yt h ef u n c t i o no fv t sa n d b r o a d e nt h ec o m p a s so fc o m p e t e n c y t h ee s s a yi n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fm o b i l ev t s l e tt h em o b i l et r a f f i cc o n t r o ls h i pw o r ki nt h ev i t a lw a t e ra r e at h a tv t s c a n n o tc o n t r o l c o n v e r tt h er e l a t i v en a v i g a t i o ni n f o r m a t i o no ft h et a r g e t so b t a i n e db ya r p ao ft h e m o b i l es h i p a n dd r a wt h er e l a t i v en a v i g a t i o ni n f o r m a t i o na m o n gt h et a r g e t s t h e n a c c o r d i n g l yj u d g et h ec o l l i s i o nr i s k sa m o n gt h et a r g e t s a n dg i v et h ea l a r m s t ot h e p o s s i b l ye n c o u n t e r e ds h i p s m o b i l ev t s m e a n st op e r f o r mt h ea u x i l i a r yf u n c t i o no f s h o r e b a s e dv t s t h ee s s a yf i r s t l ye s t a b l i s h e st h ec o o r d i n a t es y s t e mo fm o b i l ev t st ob u i l dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n v e r tn a v i g a t i o ni n f o r m a t i o no ft h et a r g e ts h i p s a n d a n a l y s e st h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ec o l l i s i o nr i s k so nt h eb a s eo ft h eo b t a i n e dr e l a t i v e n a v i g a t i o ni n f o r m a t i o na m o n gt h et a r g e t s w i t ht h ec p aa n dt c p aa st h e m a i n j u d g r n e n tb a s i s b u i l d s t h es p a c ea n dt i m ec o l l i s i o nr i s km o d e l s a n dr e a s o n a b l y d e t e r m i n e st h es y n t h e s i sb e t w e e nt h et w om o d e l st ob u i l dt h ed y n a m i cc o l l i s i o nr i s k m o d e lo fm o b i l ev t sw h i c ht a k e si n t oa c c o u n to f m u l t i f a c t o r s a n dt h e n c o n s i d e r i n gt h en a v i g a t o r s c o g n i t i o n so ft h ee n c o u n t e r e ds i t u a t i o nd o n o ta l w a y sc o i n c i d e a n dt h a ti so n eo ft h em a i nr e a s o n so ft h ei n c o m p a t i b l ea c t i o n sa n d e v e nt h ec o l l i s i o n s t h ee s s a ya n a l y s e sa n dd i v i d e st h ee n c o u n t e r e ds i t u a t i o n so ft h e s h i p so nt h ec o n d i t i o ni ft h e ya r em a d es u r et oc r a s h a p p l y i n gt h ed i v i s i o ni nm o b i l e sw i l lh e l pt h en a v i g a t o r sj u d g et h ee n c o u n t e r e ds i t u a t i o na n dc o o r d i n a t ea v o i d a n c e a c t i o n s e l e c t r o n i cc h a r te t ns y s t e mi san a v i g a t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m i tc a l ld e s i g n r o u t e m o n i t o rw a k e a n ds e n do u ta l a r m se t c t h es i m u l a t i o no fm o b i l ev t sr e l a y so n e t ns y s t e m b yr e a d i n ge x t e r n a la r p ad a t a o no n eh a n dd i s p l a yt h et a r g e t so n e l e c t r o n i cc h a r t a n do nt h eo t h e rh a n db u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n v e r tt h e n a v i g a t i o ni n f o r m a t i o no fm o b i l ev t ss h o w i n g t h ea l a r m si n f o r m a t i o no ft h e d a n g e r o u ss h i p so nt h ew o r k i n ga r e a t h i ss a t i s f i e sm o b i l ev t s sd e m a n do fc h e c k i n g t r a f f i ci m a g ea n da l a r mi n f o r m a t i o ns y n c h r o n o u s l y 英文摘要 k e yw o r d s m o b i l ev t s t a r g e ts h i p s m a t h e m a t i c a lm o d e l c o l l i s i o e n c o u n t e rs i t u a t i o n 目录 第1 章绪论 1 1 1v t s 系统概述 1 1 1 1v t s 系统的产生及发展 1 1 1 2v t s 系统的组成 2 1 1 3 我国v t s 的现状 一3 1 2 移动v t s 4 1 2 1 移动v t s 概念的提出 4 1 2 2 本文的主要目标 5 1 2 3 本文的创新点 6 第2 章a r p a 与移动v t s 进行危险预警的原理 7 2 1a r p a 进行危险预警的原理 7 2 1 1a r p a 系统简介 7 2 1 2a r p a 系统的组成 8 2 1 3a r p a 进行危险预警的原理 9 2 2 移动v t s 进行危险预警的原理 1 l 2 2 1 船舶碰撞危险度及其度量 l l 2 2 2 移动v t s 定义的船舶碰撞危险度 1 3 2 3 移动v t s 的工作流程 1 4 第3 章移动 s 目标数学模型的建立与转换 l6 3 1 移动v t s 选用的航海方向 1 6 3 2 航向 方位和舷角 1 6 3 3 移动v t s 坐标系统的建立 18 3 4 目标船舶相互之间的运动参数 1 9 3 5 目标船间的c p a 与t c p a 2 2 3 5 1c p a 与t c p a 的定义 一2 2 3 5 2c p a 与t c p a 在移动v t s 系统决策中的地位 2 3 3 5 3 移动v t s 系统对c p a 与t c p a 的设定 2 4 3 6 移动 s 的碰撞危险度模型 2 5 3 6 1 船舶航行的四种态势 2 5 3 6 2 船舶在航行过程中的行动 2 6 3 6 3 移动v t s 的空间碰撞危险度模型 2 8 3 6 4 移动v t s 的时间碰撞危险度模型 3 3 目录 3 6 5 移动 s 的碰撞危险度模型 3 6 6 移动 s 的工作流程 第4 章移动v t s 对会遇船舶局面的划分 4 1 互见时三种会遇局面 4 1 1 三种局面的划分 4 1 2 三种会遇局面下船舶的避碰责任 4 1 3 移动v t s 判断船舶会遇的必要性 4 2 移动v t s 对会遇局面的划分 4 2 1 对遇局面 4 2 2 追越局面 4 2 3 交叉相遇局面 第5 章移动v t s 系统数学模型的检验 5 1 电子海图e t n 系统 4 4 5 2 仿真系统框图 4 7 5 3 模型应用及结果正确性验证 4 7 5 4 移动v t s 系统的监测容量 5 1 第6 章结论与展望 5 3 6 1 全文总结 5 3 6 2 研究展望 5 3 参考文献 5 5 致 谢 5 8 研究生履历 5 9 移动v t s 目标数学模型的建立与变换 1 1v t s 系统概述 第1 章绪论 1 1 1v t s 系统的产生及发展 v t s 最初产生于船舶交通管理中 作用范围从给船舶提供简单的交通信息 如 其它船舶的位置 气象危险的告警灯等 到对一个港口或水道进行粗放式的管理 是现代航海技术最杰出的代表 一般说来 进入v t s 区域 由主管机关划定并公布的 v t s 系统可以实施有效 管理的区域 的船舶需要通过甚高频无线电广播设备在特定的频道上向v t s 中心 进行船舶航行动态的报告 接收v t s 控制中心所发出的航行警告或其它警告 便 于及时了解船舶所在区域是否存在危险 以及在交通流被控制的区域 被告知何 时行进等信息 v t s 系统的不断发展得益于无线通信技术的发展 传统意义上 船长负责控 制船舶的航速及航向 或在必要时由领航员予以协助 船舶在靠近港口时使用旗 帜信号进行到达告知 随着1 9 世纪末无线电技术的发展 无线通信所发挥的作用 日益强大 二战期间 雷达技术的发展更是使船舶的监控及追踪更为精确 1 9 4 8 年7 月 世界上第一个港口监视雷达在英国利物浦研制成功 随后的1 9 5 0 年3 月 在美国的加利福尼亚的长滩港 建成了第一个雷达监控系统 沿岸当局可以通过 雷达对交通流进行实时追踪 并通过无线电设备将相关的航行信息发送给船舶 19 6 8 年i m o i n t e m a t i o n a lm a r i t i m eo r g a n i z a t i o n 国际海事组织 第a 15 8 号决 议案 港口监管系统的建议 首次公开提出了v t s 在航行安全中的重要作用 但 是并未制定建立v t s 中心的标准 1 9 8 5 年 i m o 在a 5 7 8 1 4 号决议 船舶交通服务指南 中指出 v t s 适合 修建于接近港口 交通密度流较高 通航困难的区域 适用于狭窄航道以及环境 敏感处 监督装载危险货物的货船 l 决议同时也明确了 关于船舶的有效航行及 调度仍然是船长的责任 并强调了v t s 中心领航的重要性 v r s 诞生后 改变了传统海事依靠船舶日常巡逻 人员巡查 v h f 船舶报告 等对港口及码头等近岸水域内的船舶进行管理的方式 实现了真正意义上的全天 第1 章绪论 候全方位管理 能够对辖区内船舶的动态和通航秩序进行有效监控和管到2 1 世界v t s 调查报告 对v t s 所发挥的功能进行了调查 结果显示 建立 v t s 可将船舶的交通事故减少1 3 1 5 v t s 对船舶的安全航行及海洋环境保护方 面所作出的贡献为世界所瞩目 2 0 0 0 年1 2 月 s o l a s 公约第五章进行了修订 补充说明了v t s 的适用性 3 1 s 有助于海上人命安全 提高航行效率和安全以及保护海洋环境 2 缔约国政府可以在交通流及危险度与v t s 所提供的服务相符合处修建 s 中心 3 缔约国政府计划修建v t s 中心应符合规则的标准 v t s 仅在临海国的海 域内的发挥效用 1 1 2v i s 系统的组成 随着技术的发展 v t s 在船舶的管理及服务中发挥的作用越来越全面 各国 海事机关不仅认识到v t s 在增强船舶的航行安全和效率以及保护海洋环境方面的 强大作用 而且v t s 正日益成为各国海事主管机关进行行政执法与保护国家海洋 权益的重要手段 4 目前v t s 主要由以下系统组成 雷达子系统 a i s 子系统 v h f 通信子系统 气象子系统 雷达数据传输子系统 网络及传输子系统 多传感器综合处理子系 统 管理信息子系统 交通显示处理子系统 记录重放子系统及大屏幕投影显示 子系统 如图1 1 所示 可提供的服务主要包括 船舶交通数据收集 数据处理和 评估 交通组织服务 信息服务及助航服务等重要功能 其中 1 信息服务由v t s 中心在固定的时间及间隔通过广播的方式提供 或是v t s 中心应船舶的请求而提供 包括船舶位置报告 交通流量确认 水道 天气情况 危险信息等影响船舶航行的因素 船舶据此即可以提前了解到实时或未来的交通 情况 有利于及早采取行动 避免事故及险情 2 助航服务通常是应船舶的请求或 s 中心认为必要的时候提供 在航行 及气象情况恶劣的情况下 助航服务尤为重要 3 交通组织服务是为防止造成船舶拥挤或危险的情况 由v t s 中心提供船 舶的航行管理并及时告知船舶航行准备计划 在交通流量大或某些船舶的航行影 1 j 1 j j il 移动v t s 目标数学模型的建立与变换 下 交通组织服务意义重大 s 当局考虑到船舶的优先航行 在v t s 辖区航行时船舶的强制报告 航线监测 航速受限等情 计划体系也属于交通组织服务的范畴 v t s 中心以结果为导向 提供给船舶指导性的意见及信息 但船舶的具体执 行方案 如转向的角度和引擎的操作等仍是船长或引航员的责任 也即v t s 中心 不会取代船长在航行安全中所应负有的职责 也不会改变传统航行过程中船长与 引航员的地位 仅日 l 哪控制器l v v h f i t is 信 多传感器综 中 息 合处理器 心 a i s 传 输 数据终 及 雷达数据处 端 网 理器 雷达 络 子 系 交通图 统 船舶数据处 l 理器 像 i 气象 i l 多鬻录l 幺 图1 1v t s 系统的组成 f i g 1 1o r g a n i z a t i o no f v t ss y s t e m 1 1 3 我国v t s 的现状 中华人民共和国港务监督机构是全国船舶管理系统安全监督管理的主管机关 以下简称主管机关 中华人民共和国船舶交通管理系统安全监督管理规则 中 对 s 系统 的定义是 为保障船舶交通安全 提高通航效率 保护水域环境 由主管机关设置的对船舶实行交通管制并提供咨询服务的系统 5 1 t t v t s 区域 是指 第1 章绪论 由主管机关划定并公布的 s 系统可以实施有效管理的区域 v t s 系统在我国经历了从无到有 从简单到先进的发展历程 是代表国家实 施船舶交通管理的重要手段 我国大陆海岸线长达1 8 0 0 0 多公里 1 9 7 8 年中国第一个 s 在东部沿海的宁 波港开设建谢6 1 目前 中国在各主要港口和重要通航水域已建成和运行 s 中 心共有2 6 个 另外正在规划和建设的 s 中心还有1 0 多个 全天候对辖区水域 进行监控和交通组织 维护水上交通秩序 改善通航环境 有效地保障船舶航行 安全 降低水上交通事故率 在防台风 雾航管理中发挥了重大作用 我国的v t s 在类型上看主要有四种 7 区域型v t s 如烟台成山头水道 琼州 海峡等 水道型v t s t 1 3 南京 镇江等 港e l 型v t s t i i 大连 营口 青岛等 以 及综合性v t s 如上海 宁波和广州 从地理分布上看 有1 6 个 s 分布在沿海 5 个分布在长江下游的南京至浏河口航段 我国v t s 的功能以信息服务和助航服务为主 由于各港口水域通航环境和船 舶的交通组织形式不同 北方沿海v t s 以信息服务为主 兼顾助航服务 东部和 南方沿海除此之外还实施交通组织服务 大多数v t s 对在区域内航行 停泊的船 舶以动态监视为主 只有少数v t s 实施交通管制 1 2 移动v t s 1 2 1 移动v t s 概念的提出 随着海运经济的迅速发展 海上特定辖区的船舶流量明显加大 通航秩序日 益复杂 水上的安全形势越来越严峻 近年来 中国主管部门虽然加大了 s 建 设的投入 但在建设规划上却存在着 重港口 轻水域 的现象 4 离 重要水域全 面覆盖 的发展目标还有较大差距 雷达站是v t s 系统最为核心的组成部分之一 但在工作过程中存在覆盖的盲 区 包括因最小作用距离所产生的盲区及因遮蔽等因素形成的盲斟8 最小作用距 离表示了雷达探测近距离物标的能力 指雷达能够在显示器屏幕上显示并测定目 标的最近距离 在此距离之内的区域为雷达盲区 当目标船航行于多岛礁 航道 的弯头或大船的背后等遮蔽水域时 岸基雷达也可能无法观测到这些目标 同时 对于传统v t s 来说 其功能受水域自然条件以及船舶条件的限制 在 因此 对于离岸较远处的船舶 s 中心也无法发挥监测功能 考虑到上述问题的存在 为了能更大限度的发挥 s 的功能 进一步加大其 覆盖的辖区范围 减少在存在雷达盲区水域处所引起的交通事故 引入了移动v t s 的概念 在雷达盲区或v t s 中心无法发挥效用的重点海域 设置移动的交管船舶 利用交管船舶上的a r p a 设备 收集并处理所获得的目标船舶信息 构建起移动 的v t s 基站 从而实现对岸基v t s 未覆盖区域的监管 移动v t s 概念的提出 意在使移动的交管船舶充当其所在水域内 目标船舶的 眼睛 的作用 也即使移动的交管船舶发挥岸基v t s 的管理功能 其工作的主要内 容有 将a r p a 所获得的目标船舶相对于交管船舶的运动状态 转换为目标船舶 之间的状态 从而获得目标船舶之间的位置参数 进而根据所得的位置参数分析 目标船舶之间的运动态势 判断哪些目标船间存在碰撞的危险 同时 为避免急 迫局面的发生 移动v t s 可向船舶提出建议 劝告或发出告警 移动v t s 可以有 效扩展岸基v t s 的作用范围 使我国v t s 机构所承担的信息服务 助航服务 交 通组织等职能发挥更大效用 1 2 2 本文的主要目标 本文主要讨论移动v t s 目标数学模型的建立与转换问题 所建模型主要有四 个目标 1 在易存在雷达盲区的海域或恶劣天气作用的情况下 所建模型应能满足可 以进行多条目标船舶的监测问题 2 移动 s 是一个实时系统 趾冲a 雷达的天线旋转周期为3s 即要求所 建模型能够对所有目标 除本船外的其他所有船舶 进行动态分析 在一个雷达天线 扫描周期内 能够处理a r p a 雷达所接收的所有目标船舶信息 并进行信息的转 化 分析目标船舶间的会遇态势 对危险船舶及时给出危险程度的预警 供船舶 驾驶员参考 3 移动 s 的应用包括为监测交通流量大的辖区提供信息服务 因此所建 模型应能预测所能监测辖区的船舶最大数目 第1 章绪论 4 移动v t s 所建的目标船舶模型 应符合船舶航行过程中的实际情况 并 能够用来指导船舶进行避碰 1 2 3 本文的创新点 a r p a 雷达可以获得目标船舶相对本船的航行信息 给出航行中的危险预警 但无法获知目标船舶之间的航行情况 移动v t s 建立了目标船舶的数学模型 并 将a r p a 雷达所获目标船舶的相对信息进行了转化 得出目标船舶之间的运动参 数 对目标船舶问的危险程度进行预测是建立移动v t s 模型的核心 本文以船舶 之间的空间碰撞危险度及时间碰撞危险度为基础 建立了多因素的动态碰撞危险 度模型 针对不同舷角及方位的目标船舶 设定了不同船舶安全范围值 符合船 舶在避碰过程中的实际情况 国际海上避碰规则 将船舶的会遇局面划分为三种 在不同的会遇局面下 船舶间的避碰责任及义务并不相同 船舶在互相驶进的过程中 由于船舶边界问 题以及对危险情况的判断等存在模糊性 因此 对于同一危险情况 船舶的驾驶 员可能会判断为不同的会遇局面 由于无法统一避碰行动而导致碰撞危险的局面 在航海上时有发生 本文所建模型在预测船舶之间危险程度的基础上 进行了会 遇局面的判断 对存在碰撞危险的目标船舶 告知其所处的会遇局面 从而可以 使船舶统一避碰行动 加强船舶间的航行安全 a r p a 是船舶上最为重要的导航设备 在船舶避碰和导航领域里具有不可取代 的地位一一可以及时地显示目标船舶的位置及动态信息 并能以船舶驾驶员设置 的船舶安全距离为判断依据 进行危险目标报警 1 0 移动v t s 经由交管船舶的 a r p a 设备获取目标船舶的航行信息 继而进行信息的处理与转换 它的目标之一 也是对船舶进行危险预警 但移动 s 与a r p a 的报警规则并不相同 在有效利 用a r p a 所获目标船舶信息的基础上 添加了自身的碰撞危险度的判断规则 从 而实现对目标船舶间的航行态势进行监测 2 1a r p a 进行危险预警的原理 2 1 1a r p a 系统简介 a r p a 以普通船用雷达为基础 结合了计算机强大的计算能力 是船用雷达技 术发展的一个新阶段 雷达的主要原理是通过定向天线问歇发射高频探测无线电波 并由天线接收 回波 通过这一过程完成对目标的定位 跟踪以及监控等功 b 1 5 1 1 通过连续不问 断的扫描 最终在显示终端上可以得到控制范围内一定大小的所有移动目标和固 定目标的航行信息或静态信息 a r p a 利用了普通船用雷达人工标绘的原理 增加了计算机的输入 存储 计 算 判断 输出 模拟 绘图以及报警等功能 1 2 从而能够人工或自动捕捉多个 目标 对己录取的目标进行自动跟踪 计算并显示所跟踪目标的参数 大大提高 了计算的可靠性及效率 船舶驾驶员利用a r p a 可以进行早期的晾望与判断 大 大地减少了船舶碰撞事故的发生 尤其是在能见度不良 依靠视觉观察困难的情 况下 a r p a 可以称为是驾驶员的 特殊眼睛 对保证船舶的安全航行起了非常重 要的作用 a r p a 系统长距离的覆盖范围 方便直观的显示 工作的快速以及实时性等优 点使其成为海上人员安全航行的基本保障 给船舶的驾驶带来了空前的革命 i m o 已于1 9 7 9 年第1 1 次大会上通过了有关协议 规定所有总吨大于等于1 0 0 0 0 吨的 船只必须安装a r p a 系统 第2 章a r p a 与移动v t s 进行危险预警的原理 2 1 2a r p a 系统的组成 a r p a 系统共包括两部分 a r p a 部分及外部传感器部分 其基本组成框图如 图2 1 所示 其中 外部传感器部分主要用于获取本船及目标船舶的航行信息 a r p a 部分则用于对所获目标船舶信息进行分析与计算 两部分共同作用 保证了 a r p a 系统功能的实现 1 a r p a 部分 a r p a 部分包括信号预处理电路 接口电路 目标检测电路 目标录取电路 跟踪电路 电子计算机 数据显示器 控制台及电源等 其中 信号预处理电路 接口电路 目标检测电路 目标录取电路以及跟踪电路主 要用来实现数字化雷达信号 以及对目标信号进行自动检测 录取以及跟踪的功 能 电子计算机是a r p a 系统的核心 用来完成所有的自动计算与自动标绘任务 可以计算目标的航速 包括真航速以及相对航速 航向 包括真航向以及相对航向 以及碰撞危险的判断和求取避让措施等 显示器包括平面位置综合图形显示器 p l a n ep o s i t i o ni n d i c a t o r p p i 和数据显 示器 每选定一个目标 雷达显示器上即可以显示 目标距船舶的当前距离 目 标的当前方位 预测的目标至c p a c l o s e s tp o i n to f a p p r o a c h 最接近点 的距离 预测的目标至c p a 的时间 目标的真航向以及真航速 2 外部传感器部分 a r p a 系统在正常工作时 需要与x s 波段的高质量船用雷达 陀螺罗经及计 程仪三种传感器相配接 获取本船以及目标的信息 通过i 0 接口传入到a r p a 的 计算机中心 经过处理后进行显示或报警 各传感器作用如下 x s 波段的高质量船用雷达用来提供目标回波的原始视频信号 并向a r p a 提 供触发脉冲 天线的旋转方位以及船首信号 以保证a r p a 的计算机 显示器的 工作与雷达保持时间上的严格同步 陀螺罗经为a r p a 提供向位基准 即本船的航向信号 计程仪为a r p a 提供本船的航速信号 包括对水航速和对地航速 移动v t s 目标数学模型的建立与变换 a r p a 部分 船用雷 触发脉冲 触发脉冲 达 p p i 云线角俯冒 i o 接口 蜃船首信号 目目目 标标标 预处 检录跟 理电 测取踪 数 电 i 计程 匠 l 鲁 航速 路子 据 外l 仪 计 显 算 不 机 器 部 操作指令 孓 陀螺 墨埘f 航向 接口 感 电路 d 口 罗经 a r p a 控 报警 器制台a r p a 部 操船指令 电源 分 外存 储器 图2 1a r p a 系统的组成 f i g 2 1o r g a n i z a t i o no f a r p as y s t e m 2 1 3a r p a 进行危险预警的原理 船舶间的碰撞危险和船舶的避碰决策一直是航海人员最关心的问题 碰撞危 险 量化了船舶之间如果继续保持航行状态不变 是否会发生碰撞 船舶的避碰决 策则决定了在危险局面中船舶所应采取的行动 是船舶能够 驶过让请 船舶采取 让路或避碰行动后 两船以安全的距离相互驶过 在恢复原来的航向或航速后 不会形成新的碰撞危险 的基本保证 1 3 a r p a 在工作的过程中 能够实时地获取本船的动态参数以及所跟踪的目标船 的相对位置参数 并根据所得的目标船参数分析两船间的运动态势 主要完成以 下几方面的工作 1 判断哪些船舶与本船存在碰撞危险 这一过程是通过a d 王 p a 所估计的目标 船相对本船的d c p a d i s t a n c eo fc l o s e s tp o i n to fa p p r o a c h 至最接近点的距离 与 t c p a t i m e o f c l o s e s tp o i n to f a p p r o a c h 至最接近点的时间 确定的 d c p a t c p a 是判断船舶间是否存在危险的重要参数 前者指的是船舶到两 船最近会遇点的距离 反映的是两船在空间上的距离 后者指的是船舶航行到最 第2 章a r p a 与移动v t s 进行危险预警的原理 近会遇点所需的时间 任一船舶均有保证自身安全的距离 若他船进入该距离范围 则两船之间存 在碰撞的危险 在利用a r p a 协助航行时 航海人员结合周围的航行环境 天气 状况及本船灵敏度等信息 设置出船舶的m i n c p a 及m i n t c p a 值 也即本船的安 全范围 a r p a 系统以此为判断依据 当一艘或多艘目标船舶相对于船舶的d c p a 和t c p a 与安全范围相比满足设定条件时 即发出碰撞危险报警 具体的判断规 则如下 若c p a m i n c p a 两船是安全状态 若0 c p a m i n t c p a 则来船为危险船 但尚不紧迫 本船应及时考虑采取相应的避 让方案 若t c p a o 0 f 圪 3 6 0 f v 肛 0 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 4 目标船舶相互之间的运动参数 建立了移动v t s 坐标系统 并确定了各目标船舶在坐标系统中的位置后 为 第3 章移动 s 目标数学模型的建立与转换 监测目标船舶之间的航行状态 需要继续求得目标船舶相互之间的相对运动参数 距离 方位 相对航速及相对航向等 如图3 3 所示 设 移动v t s 系统的某一时刻 目标船舶i 的位置为 x y i 真航速为v 真航向为c 目标船舶j 的位置为 x y 真航速为v 真航向 为c n 卫 j 一 一鬻 冉胗孑苍彗 图3 3 目标船舶相互之间的相对运动参数图 f i g 3 3r e l a t i v em o t i o np a r a m e t e r sb e t w e e nt a r g e ts h i p s 1 两目标船舶间的距离d 扩 乃 厄i 再而 3 9 2 目标船舶j 相对于目标船舶i 的真方位b 驴 吃 9 0 i f y j 一乃 o 一五 o 2 7 0 f y 一咒 0 一薯 0 3 1 0 删a i l 芏乌 口 f y 一咒 o y 一y t 可知目标船舶j 相对于目标船舶i 的速度在x y 轴上的分量为 l 吃 珞一圪 2 一 则相对速度v 盯的大小为 巧 瑶 嘭 相对航向c 甜为 c 驴 i 9 0 矿 o 0 2 7 0 矿 吆 0 0 18 0 0 f 0 3 6 0 0 f 吃 0 4 目标船舶j 相对于目标船舶i 的舷角q 扩 由舷角的定义可知 3 1 1 3 1 2 3 1 3 3 1 4 3 1 5 3 1 6 3 1 7 第3 章移动v t s 目标数学模型的建立与转换 岛 骶 3 6 0 研 f 删q u 0 3 1 8 3 5 目标船间的c p a 与t c p a c p a 与t c p a 是影响船舶碰撞危险度的最主要因素 2 8 c p a 能够直接地反映 出两船在最危险的时刻所保持的距离 直观地反映出了碰撞危险度的大小 是评 判碰撞危险度的主要因素 t c p a 能反映出船舶会遇的紧迫程度 若船舶间的c p a 相同 t c p a 的大小决定了船舶到达最危险会遇地点时间的快与慢 从而也决定了 碰撞危险度的大小 t c p a 越小 碰撞危险度越大 3 5 1c p a 与t c p a 的定义 船舶间的c p a 即最近会遇点 也常称作最近会遇距离 是判断船舶之间是 否存在碰撞危险的重要依据 2 9 1 如图3 4 所示 船舶a 与船舶b 以a 船为参考点 b d 为两船的相对航行方 向 将其延长线b m 定义为两船的相对运动线r m l r e l a t i v em o v el i n e n v r 船e d 2 c 一 弋一 d 彪 i c p a v a 船 图3 4 船舶间的c p a 与t c p a f i g 3 4c p aa n dt c p ab e t w e e ns h i p s 自a 点做r m l 的垂线a c 则称垂足c 为两船的会遇最接近点c p a 即若两 船保持彼此的运动状态不变 则将在c 点达到彼此间距离最近 将目标船舶b 从 初始位置航行到c p a 的距离定义为最接近距离d c p a 将目标船舶b 从初始位置 移动v t s 目标数学模型的建立与变换 航行到c p a 的时间称为会遇最接近时间t c p a 也即若两船保持彼此的运动状态 不变 则经过t c p a 时间后 彼此间的距离达到最近 习惯上 常将c p a 与d c p a 混称为c p a 均意为预测目标间的最接近距副1 2 获取船舶间的c p a 值 是从空间的距离上判断目标船舶之间是否有碰撞的危 险 获取船舶间的t c p a 值 则可以从时间的紧迫程度上判断目标船舶之间的碰 撞危险程度 因此 在分析c p a 对船舶碰撞危险度的影响时 不能与t c p a 分开 当c p a 小于一定数值时 t c p a 越小 会遇船舶之间存在的碰撞危险度越高 而 当t c p a 越大时 船舶间存在的碰撞危险就越小 3 0 3 5 2c p a 与t c p a 在移动v t s 系统决策中的地位 c p a 是判断两船能否碰撞的最重要因素 如果目标船间的相对运动线通过船 a 即两船间的c p a 为o 则两船保向保速最终必将碰撞 c p a 不为0 时 考虑到 任一船舶均有各自的安全范围 是考虑到周围的航行环境和船舶状态 船舶驾驶 员所设定的使两船能够安全通过的最小会遇距离 若c p a 值小于设定的安全范围 值 也认为存在碰撞危险 移动v t s 系统中 将船舶的安全范围值定义为船舶的最小安全会遇距离 d i s t a n c eo f t h es a f e t yp o i n to f a p p r o a c h d s p a 是船舶驾驶员考虑到船舶的航 行环境以及船舶状态 所认为使两船能够安全通过的最小的会遇距离 若 c p a d s p a a t t e n d 后 即可以认为船舶间的没有碰撞的可能性 即碰撞危险度为 o 3 1 3 4 t c p a 是判断船舶碰撞危险度的另一重要因素 若根据c p a 确定了船舶间存 在碰撞的危险 t c p a 的大小就决定了危险到达时间的快与慢 t c p a 越小 危险 的存在越紧迫 若船舶间的c p a 相同 t c p a 的大小决定了船舶到达最危险会遇 地点时间的快与慢 从而影响着船舶间碰撞危险度的大小 3 5 3 移动v t s 系统对c p a 与t c p a 的设定 由c p a 的定义可知 两目标船舶间的c p a 与一船相对于另一船的方位及相对 航向有关 考虑到当两船为相互驶离的航行状态时 即使两船间的c p a 值很小 也不会有碰撞的危险 因此 移动v t s 对船舶间的c p a 与t c p a 进行了如下分析 设 移动 s 坐标系统的某一时刻 目标船舶j 与目标船舶i 间的距离为d 方位角为b 扩 相对航速为v 扩 相对航向为c 如图3 5 所示 n 式 船l 图3 5 相互驶离与相互驶进状态时的目标船舶 f i g 3 5t a r g e ts h i p si nb e a r i n go f f a n da p p r o a c h i n gs i t u a t i o n s 以图3 5 中两目标船舶间的方位角0 b 秽 9 0 为例 c p a 的计算情况如下 2 4 移动v t s 目标数学模型的建立与变换 若0 c 扩 9 0 b u 或者2 7 0 b 矿s c 驴 1 5nm i l e 在能见度不良的水域中使用雷达设备进行避让 时 c p a 2nm i l e 若船舶航行与受限水域时 可基于上述数值适当减少 当船 舶的性能良好时 可基于上述数值适当地减少 当船舶性能差 如装载有危险品 货物等 可基于上述数值适当地加大 实际航海过程中 对于不同方位的危险来船 船舶所采取的转向避让程度并 不相同 来船的舷角越大 所需转向的幅度也越大 因此对于不同方位的来船 所设置的最低安全会遇距离应有所不同 通过对海上船舶航行情况的大量统计分析 一般认为 4 2 船舶在航行的过 程中 对于位于其右舷0 1 1 2 5 的来船 船舶最小安全会遇距离d s p a 的最小值 为o 8 5nm i l e 对于1 1 2 5 2 4 7 5 的来船 d s p a 的最小值为o 4 5nm i l e 对于 2 4 7 5 3 6 0 的来船 d s p a 的最小值为o 7nm i l e 在确定d s p a 时 需要考虑到观测c p a 时所存在的误差以及d s p a 的模糊边 界问题 驾驶员在避碰时 有时即使船舶与他船间c p a 等于d s p a 或略小于该距 离 也不一定采取避碰行动 而有时 即使本船他船间c p a 以略大于d s p a 也 可能采取了避碰行动 为此 为了保证船舶的安全 将基于来船舷角的船舶d s p a 值确定为 d s p a d s p a m 0 0 2 7 6 d c p a s ie 舢 i 3 2 2 3 0 表3 1 船舶的d s p a f i g 3 1d s p ao f t h es h i p 船舶的 舷角 09 01 8 02 7 0 d s p a nm i l e1 11 00 6o 9 同时 为了减d n 断误差带来的影响 移动v t s 将船舶的d s p a 进行了适当 的放大 取上述数值的1 5 倍 如图3 8 所示 尚 入 厂 7卜