【《现代航海中雷达导航技术的正确应用浅析》8200字（论文）】

现代航海中雷达导航技术的正确应用浅析摘要雷达导航对于舰船航行、避碰有着至关重要的作用，因此，舰船海图信息系统的一个重要发展趋势，就是完成对电子海图与雷达信息的实时复合，具体来说，就是在电子海图上同时叠加入导航雷达的回波信号，借以辅助雷达完成导航和避碰的双重功能。目前这项研究已经取得很大的进展，需解决的关键问题是怎样数字化雷达回波，以保证最终给操作人员的是没发生失真的雷达回波信息。但是从单一雷达导航技术来看，遇有复杂地形，天气，雷达导航缺陷暴露，要想解决好这些问题，必须结合其他相关技术才能实现。因此，本论文通过对雷达和电子海图的组合、雷达和GPS相结合、雷达和AIS相结合在船舶导航中的利弊进行了研究，其目的是探讨我国现代船舶雷达导航优化途径。关键词：雷达导航；缺陷；技术结合目录24373摘要 I148961前言 1325871.1研究背景和意义 1145471.2国内外研究 1222431.3研究内容与目的 2115602现代船舶雷达方法介绍 4101583传统雷达导航方法分析 5215173.1距离线导航 5325833.2安全方位线导航 581983.3平行方位标尺导航 6317944现代船舶雷达导航方法 7315914.1雷达与AIS结合进行导航 755754.2雷达与电子海图结合进行导航 8176904.3船舶与GPS结合进行导航 9103604.3.1绘图导航 992924.3.2航路点导航 944034.3.3雷达与GPS结合导航的优劣势分析 10293795现代船舶雷达导航优势 12145806现代船舶雷达导航局限性及注意事项 13150247结语 1414784参考文献 151前言航海雷达可分为两类，即船载航海雷达和岸基航海雷达[1]。雷达作为船舶避碰的主要助航仪器，一直发挥着重要的作用，雷达是自主式导航设备，可以扫描到海而上的具有一定大小的目标并将其回波显示在雷达显示器上，使目标和本船的相对位置关系一目了然，操作者通过对目标船的人工标绘或是使用雷达的自动标绘(AutoRadarPlottingAid--ARPA)，可以判断目标和本船是否存在碰撞危险，更可以进一步求取避让措施，核实避让行动的效果。在应用和新技术发展的推动下，雷达的功能和使用性能，甚至雷达的工作体制等均在快速发展，而航海雷达几十年来，在功能、使用性能和工作模式等方面，并未像其他雷达成员那样，随着电子和信息技术的发展而发生根本的变化。文献[2]指出了导致这一问题出现的原因：一方面，虽然航海雷达的相关法规和技术标准在不断地进行修改和调整，但其修改和调整的主要目的在于更好地满足船舶导航和避碰的需要，以及与其它的船舶助航设备间的配合工作，并未对雷达功能、性能、与环境的匹配性以及高效低污染性能等不断提出要求。这导致在强调了航海雷达的应用功能和性能要求的同时，也制约了航海雷达进行新技术的技术发展，例如，为使雷达信号与雷达应答器信号兼容，雷达的工作频率和工作模式必须与雷达应答器工作频率和工作模式一致。因此，航海雷达的发展环境和背景，并非像军用雷达等一样，主要是依赖于应用需求和新技术发展的推动。另一方面，航海雷达的市场竞争能力很大程度上受性能和价格因素的影响，而并非单一的由技术因素确定的功能和性能决定[3]。如果不是法规因素的变化对雷达的功能和性能提出新的要求，则，那些能够使雷达的功能和性能得到极大提高，同时也使雷达的价格也被大大提高的新技术，就难以在航海雷达中得到应用。本文将从航海雷达的技术和应用特点及发展趋势出发，通过对目前航海雷达导航方式进行分析阐述，分析目前导航存在的局限性和未来导航的发展趋势。2传统雷达导航方法分析2.1距离线导航当船为了躲避正横方向时，可采用距离线导航的方法。如果船舶接近障碍物或发生碰撞，就会造成危险。船舶行驶过程中，船舶应远离危险物，此时以雷达距离圈为安全距离，指示距离避险线。根据不同情况下对障碍物的要求，选择适当的避障方法和避碰措施，就能使船舶顺利地通过危险区域，达到安全目的[4]。图1为距离避险线运用情况。实线和虚线相比较，实线能更准确地反应出危险情况。虚线就是雷达的距离避险线。实线为船和障碍物之间的间距。物标与安全距离圈相切，构成雷达距离避险线。实线是船舶规划航线。船舶行驶时，应保持避险线外。如果偏离了避碰目标，则需要对该航迹进行修正，使其避开避碰区。实际应用时可与方位尺线相结合：把方位尺线对准航向，并利用活动距标圈识别对应于物标距离的标尺线，航行中，在避险标尺线外放置物标回波。图1距离线导航2.2安全方位线导航当船行驶在平行于若干危险物的航路上，为使船舶能在该水域内安全航行，可采用安全方位线对危险物进行定位。从海图中知道物标所处危险方位，将雷达上将方位标尺置于此危险方位。利用避碰规则和避碰策略对危险物进行避让时，需要知道危险物标的位置[5]。航行中，危险物标回波应时刻置于避险线的安全一侧。当船靠近这些障碍物时，就会受到这些障碍所造成的影响，所以应该利用适当的规避手段进行避障作业。活动距标圈范围内，能知道船首线和避险线之间有多远，并时刻核对船位，以保证船舶在避险线安全侧航行。如图2所示，右边为安全状态，左边有危险。图2安全位方位线导航2.3平行方位标尺导航位于方位标尺盘内，按照一定间距刻出平行于基线的直线刻度，称为平行方位尺[6]。图3显示雷达上有一平行方位尺时，然后可利用这条平行线来规避风险。如遇到有障碍物时，可采用上述方法。如果船要经过小岛，航程为d节，首先，把雷达活动距标圈放置在d海里处，然后旋转标尺使其切线平行，以及小岛影像的切分，这时标尺所在方位就是船舶航行危险航向。若船首线位于标尺另一侧，并使船舶和小岛之间保持d海以上，然后就可以安全通过了。图3平行方位标尺导航但船舶航行时，受风、流等作用，虽然一开始保持着安全的距离和方位行驶，但由于风流，船舶有可能接近危险物标，因此应随时注意船舶动向，在检测到危险情况之后，立即校正船舶动向。3现代船舶雷达导航方法3.1雷达与AIS结合进行导航现在船舶上助航设备多种多样，但海上事故仍频繁发生。究其原因除某些人为因素，也有客观的因素如：设备尚不健全、不能有效地对信息进行鉴别、通过该装置得到的资料不及时、不全面等等。其中，最主要的是由于船舶在运行中所使用的设备都具有一定的局限性。例如，船舶雷达总有盲点、天气等因素影响比较大。并且AIS可以对船舶进行识别，但港口船舶的数量较多、信息量较大，极大地提升船舶安全航行能力。船舶雷达和AIS的联合应用，便显示出了两者的长处[7]。1.利用AIS辅助雷达跟踪目标，可在雷达的远距和近距范围内延伸，能增强对远，近海域的保护、检测不良海况及气候等，增强了雷达观察可靠性与参考性。并能强化雷达预警功能，增加安全系数，降低海上碰撞事故，为船舶航行安全提供便利。2.当本船周围出现其他船舶的时候，驾驶员可从雷达上获知目标船的DCPA和TCPA信息，以判断能否对该船造成碰撞危险，接着通过AIS了解目标船情况，再用VHF躲避目标船。由于雷达是靠接收前方一定距离范围内的信号，所以当遇到障碍物或者其它情况时就不能及时准确地检测到目标船存在，导致无法有效地避离危险区。但随着信息融合技术的发展，使司机能更直观地了解本船附近船只的名称，能够使司机通过通讯设备与目标船沟通并协调躲避，为了确保船舶航行过程中的安全性。这就免去了司机根据物标回波进行判断的麻烦、识别来船信息这一烦琐程序，能为司机赢得控制局面的机会。3.船舶交管系统（VTS）应同时配备AIS设备和雷达设备，能使交管工作人员的速度快、准确锁定过往船只，减少交管人员工作量。在协调船只行动，船舶交管系统会对采集的数据进行解析，辅助船舶行动，达到安全避让的目的。4.在海上搜救行动的过程中使用雷达和搜救雷达应答器，与AIS相结合可对遇险船舶进行迅速查找，速度快、准确地锁定并接近遇险船舶，提高了工作效率，为搜救赢得时间。尽管AIS与雷达联合使用有很大的优越性，但同时又有其局限性，因此驾驶员在实践中应注意如下几点：1.尽管雷达可以在恶劣天气中航行，但在恶劣气象中航行时，它的工作可靠性部分地受到了影响。2.AIS系统仅能检测装有AIS和向外发送消息的船只，以达到信息交换的目的。对未装AIS对象，如果没有AIS渔船和海上漂浮物，就无法检测到其数据。AIS在检测这些物标时束手无策。因此，在现实的航行当中，驾驶员对雷达或AIS的依赖性不应太强，必须充分运用各种手段进行瞭望，从而确保航行安全。3.如果航行时只用AIS，这样就会忽视雷达的功能作用，就有很大碰撞危险。因此在这种情况下就需要将两者结合起来才能有效地避免这些风险。尽管雷达存在不足，但优点也尤为突出，尤其适用于海域内未加装AIS或海上漂浮物的舰船，同时还可以显示其回波，因此，AIS和雷达均无法替代彼此。4.AIS采集到的数据可能导致屏幕中出现太多复杂的标志，有可能影响雷达正常观察。当遇到这种情况时，雷达无法对海面进行探测，只能依靠人工操作或利用其他设备辅助观察。这时就要求船舶驾驶员把AIS调到休眠状态，使得雷达可以具有较好的观测效果。因为雷达和AIS各有长短、优劣，就必须使雷达和AIS相辅相成，组合用于导航。这样可以使系统具有更好的可靠性、灵活性和实时性。船舶航行时充分利用各种设备优缺点取长补短、组合运用，会得到更多的保障。因此，当航行于海上，驾驶员需利用良好的AIS和雷达相结合的方式协调避让，以多渠道、多角度的获取信息，从而更加准确，全面地进行判断和协调避让措施，达到航行安全的目的。驾驶员在雷达与AIS之间需相互借鉴，灵活运用，发挥其长处，使雷达与AIS能够更好地保证航行安全。3.2雷达与电子海图结合进行导航由于雷达只能探测水面以上的障碍物，平行指示线航行、绘图导航挥应具备导航能力。传统的雷达系统主要使用经纬仪或者水听器来获取航迹点坐标，通过计算机处理获得航线剖面以及目标位置等相关信息[8]。但海图的测量数据可传送给电子海图，其中包括纸质海图航行时所需的资料，例如障碍物，航道和助航标识。因此利用电子海图来辅助航海具有一定的优势。并且能实现一名驾驶员对同一屏幕周边物标进行动态观测，使驾驶员能更专注，早期检测碰撞危险。电子海图和雷达图像迭加而成的航行信息，为船舶导航提供极大便利，能从雷达中获取较全面航行信息，但在航行信息太多的情况下，司机就眼花缭乱了，由此将忽视某些重要信息，致使船舶相撞。例如，交通密集水域，显示屏上有太多信息，却影响了雷达正常工作，因此，应根据实际情况选取所需的海图信息。但他们也有一定的优势和劣势。1.船舶雷达只能检测水面目标，但不能在水面下取得、较全面航行环境信息在很大程度上制约着船舶雷达导航功能。在实际使用过程中，由于受天气影响，海上能见度较低甚至会出现浓雾等恶劣天气现象，使得雷达难以准确地识别出前方水域是否有障碍物或者其他危险情况发生。但电子海图可以给雷达在水下、较全面航行环境资料，驾驶员利用这些信息与雷达配合避让，安全航行。2.在海图的背景下、该船船位和船周围目标回波图像及其他信息构成。海图中水下障碍物位置清晰可见，而且雷达能在水面之上发现危险物这时，能够造成的危险，也是很明显的，驾驶员还可通过影像来调节航向、航速由此规避危险物。3.也许是因为展示了太多资料，造成设备过载，减缓电子海图之体系之运算速度。如果有海浪、雨雪等干扰，因雷达显示影像不佳，有些小型物标，由于总是受到干扰，也许被忽视了。4.只叠加ARPA信息的时候，可能导致对信息解读产生错误理解，如果APRA未能捕获物标或捕获到物标、追踪的物标遗失。这样在躲避的时候，无法检测到危险物标，造成碰撞。5.船舶上的设备应适应电磁、恶劣天气及其他环境影响。因此在船舶运行过程中，经常发生一些突发性事件，对安全造成了很大威胁，也给船员带来许多不愉快的感受。却使得一些船舶突发事件无法预测，比如短时间停电，可造成系统障碍，甚至有瘫痪的危险。电子海图与雷达相结合，能在复杂的水域内安全通航，但碰到雨雪的干扰后，不能使其功能得到最大限度地发挥。因此驾驶员应该做好船舶中各种装备的维护和修理工作，才能在海上航行中，获得安全保障。3.3船舶与GPS结合进行导航3.3.1绘图导航船行驶过程中，司机要画一些图线和符号，雷达借助于这些图线和符号导航。驾驶员可手动制作参考点，图标识别及其他图形，并对其进行修改，保存，载入、以及显示与该船对应的简单作图。专用图标可以标示雷达无法发现的浅滩和沉船、暗礁及水下危险物，也可以对区域划分航行界限进行航标标记[9]。由于雷达具有较强的抗干扰能力，因此它是最常见也是使用最为广泛的一种海上导航方式。但船在行驶过程中，雷达有可能被图线、符号等干扰，如小型危险物或渔船等，它将受到图像或符号的阻挡，致使司机无法对目标做出正确判断，由此造成了危险。但绘图导航能启动某类所需图片，也可通过一些简单操作来清理不必要的绘图标记，从而使显示器更爽口，从而使司机可以观察。平行指示线只相对本船比较稳定，而它们的数量又是有限的。相对于平行指示线，操作性较强，绘图导航功能较强，所用手段也比较丰富。当多数雷达设备画图标的时候，对地是比较稳定的，然后可采用绘图导航来取代平行指示线导航。当遇到特殊地形或者复杂水域等问题，则必须要采用对海固定直线或圆作为参考线以保证安全航行。利用对地稳定线段设定本船航线，它线段的连线就是转向点，并针对海域情况，对水下障碍物及危险物进行了标记，最后，绘出了所需的导航海图，做到个性化导航。3.3.2航路点导航航路点导航就是在规划好的航线中，标注一个终点、起点和各转向点，并把它们联系起来，形成航线，从而达到导航的目的。航路点导航并不属于船舶的硬性导航功能，但许多雷达都能从EPFS和ECDIS等其他装置中获得、INS之类的得到转向点及航行信息。因此通过雷达成像技术来对这些信息进行提取并显示出来，能够帮助驾驶员了解到当前航道的状况。另外，把雷达的回波图像和驾驶员要用的设定叠加起来加以利用，从而达到为海上船舶导航的目的。当电子海图叠加绘图导航，雷达显示器显示航路点导航图像。当航海者进入指定区域后，通过卫星导航系统获得该水域的位置坐标并根据这些坐标计算出相应航向角，然后由驾驶仪控制船只按照一定规则行驶。导航中司机可选择对地真运动显示模式，但要求司机操作，使本船的船位一直在计划航线内，这对驾驶员操纵水平是一个很大的考验。航路点导航法能够使船舶航行于各个海区，导航是否准确，除司机操纵水平，还要依靠GNSS接收机定位精度。3.3.3雷达与GPS结合导航的优劣势分析雷达定位就是利用发射电磁波对固定物体进行方位角，距离远的检测，并且用绘图的方法定位船只[10]。另一方面，全球定位系统通过从卫星上接收无线电波，对船舶进行定位。这两种系统都属于被动式测量设备。因为全球定位系统定位的连续性，驾驶员可通过显示器轻松查看辅助参数，例如船舶位置，轨迹等，雷达要经过一定时间，进行2次或更多次船舶定位，才会得到同样的信息。特别是，当计划路线拐点进入全球定位系统导航器时，船舶和计划路线之间的偏移可直接表现出来。如果有了这些信息，就可通过控制航行速度使之远离这条航线。另外，可输入岛礁、浅海等经纬度点，设置某些危险半径。船一驶入这危险的地区，报警，吸引眼球。当发生碰撞时也能提供声光告警并进行报警。这些作用非雷达所能比拟。但当船只位于近岸时、当在狭窄水道或者潜水路线上行驶，船只在使用全球定位系统时应当极为谨慎。虽然舰船雷达与全球定位系统的结合能够提高雷达的定位精度，有效规避危险目标，选择最优的线路。但同时又受多方面因素的制约，比如，输入拐点错误、路径选择存在错误，装置自身存在问题。雷达定位就是利用发射电磁波对固定物体进行检测，定位其方位与距离，从而对船只进行定位。全球定位系统从卫星上接收无线电波，以及应用多普勒频移原理对船只进行定位。由于连续驾驶的全球定位系统的位置可以很容易地从显示器上看到辅助参数，例如船舶位置、轨迹等，而且雷达要经过一定时间对船舶进行2次或更多次定位，才会得到同样的信息。所以利用雷达定位看起来没有全球定位系统那么容易。尤其当计划航线拐弯处驶入全球定位系统导航器时，它能直观地表现出船舶当时偏离计划航线。如果有了该装置，就可以通过屏幕把这个信息实时传送给船长。另外，可输入岛礁、浅海等经纬度点，设置某些危险半径。船一驶入这个危险区域，便会报警，吸引人们的眼球。当发现有人闯入时，也能向周围广播警告信息。这些作用非雷达所能比拟。它能够帮助我们避开各种威胁，并使它们远离自己所驾驶船舶所在水域的安全范围。但当船只位于近岸时、当在狭窄水道或者潜水路线上行驶，船只在使用全球定位系统时应当极为谨慎。我们知道，全球定位系统参考坐标系是WGS-84海图上的目标标记。各测量基准坐标间存在一定差异。一般情况下这一区别都标注于图表中。现在船上有更多船，采用了把雷达和GPS技术行于一体的方法，使船舶雷达更加准确，增加航线标准度，避碰是否准确。目前，世界各国都非常重视对海洋进行开发和利用，因此船舶也需要更加精确地导航和定位，以保障航行安全。在地球上只要4颗卫星便可将接受到全球各个角落的信息，覆盖范围广。船舶雷达在精度上会有一定的影响，主要分两部分：一个方面是方位精度，主要受雷达所发脉冲宽度影响、输入罗经对航向精度及其他因素影响。第二个方面是测距精度，主要看雷达发出脉冲的长短。通常距离较远量程较近量程准确性较差。尽管从理论上看，近距离测定准确度较高，但实际情况并非如此。但与GPS组合定位，利用GPS采集信息，为雷达提供精确精度数据，修正雷达判断，它的精度可达不到20米。综合运用后将增强雷达检测周边物标的准确性，同时，提高了高效规避危险物标，以便迅速，准确地做出最佳航线选择，对船舶来说尤其重要。4现代船舶雷达导航局限性及注意事项4.1船舶雷达导航局限性分析（1）舰船海上航行，雷达往往受装置本身性能的影响、目标对电磁波反射能力强等因素，造成图像失真，物标探测误差大，判断目标出现误差，影响了导航精度。（2）雷达探测效果还受到人为因素影响，如果司机忽视了其中的某个环节，可能导致错误的导航，最后会造成严重后果。（3）因为雷达仅能在水上发现目标，当航行局限于吃水范围内的海域，应关注航行水域环境信息，克服了雷达局限性，利用雷达优势。4.2雷达航行导航注意事项（1）在船只驶入导航水域之前，有必要对计划航线和水域进行仔细的调查，选择主要的参考目标及转向点及其他资料，还需要知道那时的气候，水流等信息，以规避风险。（2）近海航行时，由于船靠近物标、方位变化很快，因此要事先有充分准备，以缩短判断图像所需时间。因此，为了避免这些问题发生，可以通过设置适当数量的小区域地图和大区域地图来增加导航信息量。（3）遇到强烈雨雪天气能见度较差，雨雪干扰严重，雷达无法发现小物标，因此，船舶应采用平衡线航行，并与GNSS相结合，选择合适的其他导航方法。（4）船舶利用电子海图雷达进行导航的过程，在图层的选择上，若得到导航信息太少，将给航行安全带来一定影响；但船舶上的装置会有一些错误，导航时应注意和危险障碍物留足安全余量。但在得到过多导航信息的情况下，屏幕显示了太多图标，可能使司机误判。再加上雷达、传感器和其他船上设备均有不同程度误差，因此，导航中，船舶应远离危险障碍物，预留安全余量，确保平安通过。PAGE2––PAGE1–5结语在导航雷达技术逐步走向成熟的今天，不断开发导航功能、新型产品、新硬件设施等。目前国内已有部分国家开始应用了多种先进的雷达导航系统。导航雷达技术也逐渐应用于船舶导航，但是从单一雷达导航技术来看，遇有复杂地形，天气，雷达导航缺陷暴露，要想解决好这些问题，必须结合其他相关技术才能实现。因此，本论文通过对雷达和电子海图的组合、雷达和GPS相结合在船舶导航中的利弊、雷达和AIS相结合的方法进行了研究，其目的是探讨我国现代船舶雷达导航优化途径。为中国航海事业尽点微薄之力。参考文献[1]斯科尼克(编)，南京电子技术研究所(译).雷达手册(第三版)[M].北京:电子工业出版社，2010:909-935.[2]波利哥斯(著)，席泽敏，夏惠城，等(译).航海雷达目标检测.北京:电子工业出版社，2009:727-733.[3]IMOResolutionMSC.Revisedrecommendationsonperfor