雷达在船舶定位导航中的应用Word文档格式.docx
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电磁波从天线发射出去到被物标反射回到天线这段时间T,是以μs计量的,显然用机械的方法是很难测定的。
因此雷达测距设备广泛应用阴极射线管来测定时间间隔,使之转化为距离。
在雷达发射脉冲的瞬间,显示器立即开始扫描,待脉冲电磁波有由物标反射回来被天线接收时,该回波脉冲便立即显示在扫描向上,使荧光屏上出现物标影像。
然而扫描线是荧光屏上的一个亮点按一定速度运动而形成的。
这是因为雷达显示器内的阴极在向荧光屏发射电子束的过程中,由于在偏转线圈所产生的偏离中心力的作用下,使荧光屏中心的亮点均匀向边缘移动,因移动很快,而且荧光屏又有余晖,所以看到的是一条亮线,即扫描线。
其总长度代表一定时间,只要量取扫描起点到脉冲回波间的长度,即代表脉冲回波往返的时间T,可以自动换算出物标到天线的距离D,并在显示器上直接读出。
2.2测方位原理
因为超高频无线电波在空间中沿直线传播,所以,只要把天线做成定向天线,即只向一个方向发射,也只接受这一方向的物标回波,那么,天线所指的方向就是物标的方向。
如果天线旋转,依次向四周发射和接受,当在某个方向收到物标回波时,只要记下此刻的天线方向就可知道物标的方向。
在实际船用雷达中,用方位扫描系统把天线的瞬时位置随时准备发给显示器,使荧光屏上的扫描线和天线同步旋转,于是物标回波也就按它的实际方向显示在荧光屏上了[1]。
2.3雷达的基本组成及各部分作用
船用雷达一直沿用脉冲法测距、最大值振幅法测角、显示平面位置的主动雷达体制,下面就这种体制说明雷达的基本组成部分及其各自的作用。
整个系统由发射机、接收机、天线、显示器、收发开关、触发电路、雷达电源所组成,图1为船用雷达的基本框图[2]。
1)定时器定时器又称为触发电路、触发脉冲产生器。
它是雷达的指挥部,收发机和显示器都受它指挥。
其作用是产生触发脉冲,然后分产四路控制雷达。
第一路通知发射机向外发射;
第二路送至方波产生器,产生正负方波,正方波加给阴极射线管控制栅极,负方波分成两部分:
已通知扫描电路开始扫描,二送至固定距标电路;
第三路送至活动距标电路;
第四路送至海浪抑制电路。
2)收发机收发机由发射机、接收机和收发开关组成。
发射机:
是在触发脉冲的控制下,由发射机内的主要部件磁控管振荡电路产生雷达脉冲。
接收机:
将目标的反射回波信号进行变频、放大、检波变成视频脉冲信号,然后经过视频放大后送至显示器。
图1船用雷达的基本框图
3)雷达天线雷达天线是一种方向性很强的定向天线,天线在匀速旋转过程中,把来自发射机的发射脉冲能量聚成细束朝一个方向发射,同时在该时刻,天线也只接收该方向的物标反射回波并把它送入接收机。
雷达天线有驱动马达按顺时针方向(从天线上方向下看)匀速旋转,转速一般为15r/min——30r/min。
天线系统还向显示器发出船首位置信号和天线偏离船首方向的角位置信号。
4)收发开关在船用雷达中,发射和接收是用同一副天线进行的。
天线与收发机间用一根微波传输线。
因此要使用收发开关转换天线的发射和接收两个状态。
收发开关在发射时自动关闭接收机入口,让大功率发射脉冲只送到天线向外辐射而不进入接收机,以防止他损坏接收机;
而在发射结束时,又能自动接通接收机通路让微弱的回波信号顺利进入接收机,同时关闭发射机通路,以防止回波信号能量了流失。
5)显示器船用雷达的显示器是一种平面位置显示器,即PPI。
显示器在触发脉冲的控制下产生一个锯齿电流,在屏上形成一条径向亮线,用来计时、计算物标回波的距离,同时,这条扫描线由方位扫描系统带动随天线同步转动。
这样,显示器根据接收机送来的回波信号、天线送来的方位信号将物标回波显示在物标所在的方位和距离上。
此外,显示器还配有测量物标方位、距离的装置,以测量物标的方位和距离。
6)雷达电源电源设备的作用是把各种船电变换成雷达所需的具有一定频率、功率和电压的专用电源。
雷达考虑了各种因素均采用中频电源供电,频率一般在400Hz--2000Hz之间。
3雷达定位
雷达定位就是船舶驾驶人根据船用雷达测出物标的距离和方位,通过海图作业,求取本船的船位。
要使雷达定位准确,必须做到用做定位的物标选的合适,使回波辨认无误;
测的距离或方位使用的方法正确;
测的距离或方位数据准确,速度快捷和海图作业正确。
因此,在采用雷达进行船舶定位时,应注意以下几个问题。
3.1正确选择物标的原则
选择物标作为定位时应遵循以下原则:
应选择具有图像稳定、亮而清晰,位置能与海图对应的回波特性的物标,诸如:
孤立小岛、岩石、岬角、突堤、孤立灯标等。
应避免应用回波可能严重变形或位置难以在海图上确定的物标,诸如:
平坦的岸线、斜缓的山坡、附近有建筑物的灯塔等。
应选择近而可靠的物标,不用远而易搞错的物标。
选择多物标定位时,尽量选择符合定位位置线交角要求的物标。
位置线夹角两物标取尽可能接近90o,三物标尽可能接近120o或60o。
尽在只有一个可靠物标时,方可采用单物标的方位距离定位。
3.2回波识别和目标辨认
由于种种原因,雷达图像与船舶周围实景、海图往往有出入,有时差别很大。
例如,屏幕上有各种假回波和干扰回波;
回波的失真;
反射较弱的物标未能显示等等。
因此,在雷达定位前,应首先认真识别回波和辨认物标,切不可草率用位置不确切的物标定位。
在雷达屏幕上辨认物标时,要根据海图等资料仔细研究本船船位附近各种物标的特点,如高度、地形、地貌、视角及传播途径,再结合雷达性能,当时的气象条件等分析各物标回波可能产生的变形,然后找出特征明显不易混淆的物标(如孤岛、岬角、灯塔)作为参考点,按照各物标与其相对位置逐一辨认并经再三核实后确认。
为需要时能快速、准确辨认物标,平时应十分重视资料及经验的积累。
在视线良好时进行实测辨认,了解各种物标的回波特性、识别方法及雷达特性,并做好记录;
利用屏幕上首次显现的回波距离可作为判断物标类型的依据,例如在海上,10海里处最初认出回波光点,一般可推测为中型船;
超出10海里出现光点,可能是大型船,等等。
适当调低“增益”也有助于辨认物标,例如浮标附近有锚泊的船。
当“增益”降低时,回波减弱的浮标首先消失,由此可辨认,区别之。
3.3雷达定位方法
根据物标回波特点及位置分析,雷达定位的方法可有多种,大致可以分为如下几种:
1)单物标距离、方位定位。
单物标距离方位定位是航海中常用的方法之一。
只要能同时测得单物标的距离和方位,就可以定位。
该方法就是利用雷达同时测定孤立、显著地一个物标的距离和方位来确定船位的方法。
这种方法简单而快速[3]。
如果用陀螺罗经目测物标方位来代替雷达方位,还有较好的定位精度。
正横测距定位就是这种方法的特例,也是比较常用的一种方法。
但是物标一旦认错就会产生严重的后果。
2)多物标距离定位。
当物标位置分散且回波特性有符合要求,则可以选择合适的两个或两个以上的物标距离来确定船位。
如果位置线交角合适,在相同条件下,多物标距离定位方法是精度最高的方法[5]。
3)多物标方位定位。
影响物标方位精度的因素很多,因而物标方位的方位误差很大。
在用物标方位定位时,应尽量采用三物标方位来定位,避免两物标方位定位。
用物标方位来定位作图方便快捷。
采用物标方位辨认物标的方法较好,可先用此法辨认物标后,再用距离定位获得正确的船位。
4)多物标距离、方法混合定位。
方位和距离的组合方法很多,如两个物标方位和一个物标距离、两个物标距离和一个物标方位等。
这种方法可提高船位精度,另外可用来校核物标辨认的正确性。
3.4雷达的定位精度及注意事项
3.4.1雷达定位精度
由于雷达图像存在“角向肥大”,罗经引入的误差及受外界影响等原因,使雷达测方位精度低于测距精度。
所以,一般用测距定位较方位定位为好。
位置线定位精度高于两条位置线;
远距离定位精度高于近距离定位;
用两条位置线定位时,其位置线交角越接近90o越好。
三条位置线定位时,其位置线越接近120o越好;
用孤立点状及位置可靠的物标或迎面陡峭、回波边缘清爽明显的物标定位为好。
此外,定位精度还与测量方法、快速及作图技巧等因素有关。
从雷达定位精度考虑,选择定位方法以下列顺序为宜:
1)以用雷达测距和罗经目测方位定位为最准确。
2)用雷达测量几个孤立、显著地物标的距离定位也有较高的精度,但认准物标和找准测量点是提高定位精度的难点。
3)用雷达测单物标的距离和方位定位的精度较上述两种低,但如果被测的是孤立小物标,定位精度也较高。
3.4.2雷达定位注意事项
用雷达测量物标的距离和方位定位时,测量的准确度直接影响雷达定位的准确性,所以在测量时应注意前面讲的测距、侧方位的注意事项,以提高测量的精度。
另外,在测量多物标距离时,应注意先测正横方向上的物标,后测首尾方向上的物标。
在测量多物标的方位时,应注意先测首尾方向上的物标,后测正横方向上的物标[3]。
同时注意把握测量时机,尽量在船正平时测量。
当船舶摇摆不可避免时,则在船舶横摇时测量正横方向的物标,船舶纵摇时测量首尾方向上的物标;
尽量避免测量左右舷角为45o和135o的物标。
4雷达导航
船舶进出港、狭水道及沿岸航行时,虽然有航标助航,但是由于航行区域来往船只多、地形复杂且危险物多,尤其能见度不良时,借助于雷达来协助航行是很方便的。
雷达导航常用的是距离避险法(安全距离线)、方位避险法(安全方位线)和平行方位标尺避险法。
避险位置线是一条作为安全水域与危险水域分界线的位置线[4]。
现介绍如下:
4.1距离避险法
当船舶为避开正横方向的危险物时使用,即用来避险物标和危险物连线垂直于船舶航线时。
例如沿岸航行,航行时随时使船舶保持与避险物标一定距离,这时可用雷达的距离圈作为安全距离表示距离避险线的做法和使用。
图2就是安全避险线的做法和使用。
在海图上求出以用来避险的物标为圆心、安全距离为半径圈的外切线即避险线。
图2为距离避险线的使用的图例,虚线为雷达距离避险线,它是以避险物标的安全距离圈的切线组成的。
实线为船舶的计划航线。
航行时应随时保持在安全距离避险线的外侧航行。
实际操作时,可用方位标尺线协助:
将方位标尺指向航向,并用活动距离圈定出与避险物标距离相对应的标尺线,航行时,随时使避险物标回波影像放在避险线标尺线的外侧即可。
雷达安全距离的大小由驾驶员或船长根据当时当地的具体情况(如船舶类型密度、天气、能见度、流向流速等)、本船操作性、值班驾驶员的技术水平等做出决定。
用来避险的物标应选取回波强而明显、测距误差小且容易辨认的物标。
图2距离避险线的使用
4.2方位避险法
当船舶的航向和岸线或多个危险物连线的方向近于平行时,为了安全的避离航线附近的危险物,可用方位避险线来表明危险物标的所在方位[4]。
方法是在海图上求得物标的危险方位,在显示器上将方位标尺置于该危险方位上。
航行中,应将物标回波始终放在方位避险线的安全一侧。
船首线与方位避险线之间的距离可由活动距标圈指示,应随时核实船位,保证船位确实位于方位避险线的安全一侧,如图3所示。
图3中,左侧是危险的,右侧是安全的。
图3方位避险线的使用
4.3平行方位尺避险法
在方位标尺盘上,按一定间隔刻有与基线平行的直线刻度,叫做平行方位尺。
具有平行方位尺的雷达,则可利用该平行线进行避险。
如图4所示,若想以d海里的距离通过前方某岛,先将活动距标圈置于d海里,再转动方位标尺,并相切平行标线,与该岛的影像相切,这时方位标尺的方位既是危险航向,如果本船的船首标志线在方位标尺方位的安全一侧,并保持船、岛间的距离大于d海里,就可以安全通过此岛。
图4平行方位标尺避险法
但是需要注意的是,在有风流的影响时,即使最初保持避险航向航行,而实际的航迹有时还是靠近了物标,所以要不断地注视显示器,发现情况危险时,要及时进行修正,或者根据本船所受的风流压,在显示器上显示为物标的平行方位标尺的偏移,必须推算该偏移情况勇气的风流压差的大小,从而修正航向。
4.4雷达导航的注意事项
在进出港或者狭水道航行时,特别是在恶劣天气条件下航行时,由于条件复杂、时间紧迫,不可能花很多时间来判读图像、作图、解算等,要求当值驾驶员根据图像及当时当地的形势,立即采取正确措施以保证安全航行。
根据上述特点,在雷达导航中注意以下几点:
1)在船舶进入导航水域前,应仔细研究导航区域的情况(如主要物标、转向点位置及转向数据、导航物标及危险物的位置及特点等),设定好避险线及本船的计划航线,并了解掌握当时当地的风流及船舶动态,做到心中有数。
应利用一切有利时机,分析雷达图像与海图实际情况的差异,积累经验。
2)在狭水道中航行,由于路标近、方位变化快,这就要求随时随地对照海图,准确、快速地辨认和测定物标,以便用相应的物标进行导航。
3)狭水道都用浮标标示航道,因此要熟悉各浮标回波影像的特点,了解他们的探测距离,认真识别,如有怀疑,应立即设法用岸上的可靠物标进行校核。
4)狭水道中出现假回波的可能性很大,应注意识别,尤其小船和浮标的回波也较难识别,应仔细正确辨别,不可混淆。
5)应充分利用雷达方位标尺线及或活动距标圈协助判断船位,节约时间。
6)不能仅仅依赖雷达进行观测瞭望。
为了有足够的时间进行雷达图像的判读,除了派有经验的人员担任雷达观测外,船速应尽量放慢。
7)进入狭水道前要备好雷达,将雷达调节在最佳状态。
显示方式的选择,要根据具体情况确定,一般来说,用真运动显示方式为好。
无真运动显示方式时,若航道变向不大则用船首向上显示方式为好;
若航道弯曲,变向频繁,则用北向上显示方式为好[4]。
量程要根据当时的视距、船舶密度、航道的情况及本船的速度、操纵性能等选择决定。
5雷达定位、导航的实际应用
5.1介绍实习船舶资料、航线及船用雷达参数
实习船舶船名为“山池”轮,呼号为BPGJ,MMSI号码为9611684,船籍港是上海港,总载重4.8万吨,总长185米,型宽32.2米,型深18.6米,设计航速14.6节,夏季满载吃水12.40m,是广船国际为中海油运建造的4.8万载重吨成品/原油船,在船船长为刘春城。
实习船舶“山池”轮的主要航线是北印度洋航线,印度洋主要受季风影响。
冬季,从10月开始至翌年4月,印度洋主要受东北季风影响;
夏季,自5月至9月为西南季风期,印度洋主要受西南季风影响。
船舶主要是经南海,过马六甲海峡,自印度洋或阿拉伯海开去波斯湾到沙特、科威特等去运输石油。
实习船舶所用雷达为日本古野雷达,型号为FR-8062/8122/8252。
这种雷达采用可变的天线旋转速度获得最优化检测;
12.1英寸SVGA彩色TFT液晶显示器,有32个颜色等级;
优越的短距离目标检测能力;
先进的自动模式,能自动调整增益,调谐和雨雪、海浪抑制,得到最好的图像;
48rpm的天线适用于高速船舶以及内河船舶;
真运动回波拖尾;
多达3种可编程雷达设定,可以做到在不同的海况下得到最好的雷达性能;
自动标绘仪ARP-11,可以自动捕捉和跟踪10个目标(选配);
在屏幕上可以显示多达100个目标(配置可选的AIS接口)。
主要的使用指标:
1)最小作用距离:
不大于30m;
2)方位分辨率:
不大于1.5°
;
3)距离分辨率:
不大于30m;
4)方位精度:
不大于1°
5)最大作用距离:
不小于视距。
5.2以实例来探讨雷达定位、导航在航海中的应用
实例1:
2013年4月12日1215时,实习船“山池”轮自挂靠港石岛港驶往下个目的港青岛港。
当时天气晴朗,海况良好,微浪,方向NE,风力2节。
1305时到达苏山岛灯塔附近,当时航向234度,航速12.5节。
苏山岛灯塔位于威海市,东经122度15.0秒,北纬36度45.0秒。
塔高10米,灯高115米,灯质闪白25秒,射程20海里。
在苏山岛东南侧有一深度为0.4米的浅水区,位于航道边缘,对航行安全构成威胁。
图5为苏山岛灯塔位置图,来源于海图石岛港至青岛港,图号为12300。
1305时,我船“山池”轮到达苏山岛灯塔附近,欲避开船舶右正横方向的浅水区,用来避险的灯塔苏山岛灯塔与危险浅水区的连线垂直与船舶的航线,航行时随时使船舶保持与避险物标一定距离,可用雷达的距离圈作为安全距离表示距离避险圈,确保船舶航行安全。
图5苏山岛灯塔位置图
我船以苏山岛灯塔为圆心,以实际的安全距离1.5海里为半径圈的外切线为避险线,只要我船始终保持在这条避险线之外,我船就航行在安全的区域。
实例2:
2013年4月12日1742时,我船“山池”轮航行至航程中段,前方5海里处有一灯塔,对照灯标雾号表查的该灯塔为千里岩灯塔,该灯塔塔高15米,灯高85米,射程24海里,灯质闪白15秒,位于东经121度23.0秒,北纬36度15.9秒。
当时本船航速12节,航向238度。
现欲利用千里岩灯塔来对船舶进行定位,定位方法如图6所示。
图6与图5一样海图石岛港至青岛港,图号12300。
图6千里岩灯塔位置图
单物标距离方位定位是航海上常用的定位方法之一,用雷达测得船舶距千里岩灯塔的距离为3.7海里,同时用陀螺罗经代替雷达测灯塔方位,为249度。
在海图上定出船位,就可得出船舶所在位置,从而知道船舶所在位置是否安全,为以后的航行计划提供依据。
以上两个例子分别从雷达定位和雷达避险两个方面体现了雷达在航海实践活动中的重要作用。
雷达是航海者的一双眼睛,尤其在夜航或雾航时,更能体现出雷达的重要性。
船用雷达发射无线电波,并接收该电波从目标反射的回波,在显示器上一目了然地显示周围物标相对于本船的图像。
测定一个或几个固定物标相对于本船的方位和距离,可在海图上做出船位。
6未来雷达的发展趋势——雷达图像与电子海图的叠加
几年前,国际电工委员会(IEC)第一工作组负责制定雷达的技术标准,允许在雷达屏幕上显示电子导航海图(ENC)上的一些要素,包括岸线、安全区、预警区和线条、孤立的危险物、浮标和灯塔这些物标已占ENC数据量的7O%。
例如,一些国家(如挪威、瑞典、芬兰等)的海图包含的上述海图要素由一百万条以上线(或点)组成,有些海图竞有11000块礁石。
假如使用芬兰的第25号海图制作电子海图,并用原图比例尺显示在2l英寸显示器上,屏幕上将显示出840个岛屿。
根据s57标准,一幅ENC海图的容量不能超过5Mb,但如果船舶航行到海图连接处将要显示4幅海图时,这意味着非常庞大的信息量[6]。
这些说明在雷达图像上显示ENC绝非易事,至今世界上还没一部雷达能同时显示ENC和雷达图像。
然而,在雷达图像上叠加显示ENC所有数据将非常有助于安全航行。
例如,浮标图形的显示可以使驾驶人员方便地区别浮标回波和目标回波;
如果ENC显示的岸线与雷达岸线图像重台,则整个海图要素的参照都是正确的,驾驶人员可迅速判断出本船和其它所有目标的相对位置[7]。
禁入区和孤立危险物的显示能使驾驶员在制订航线时考虑避开,防止航行事故。
值得注意的是,大量触礁和搁浅等事故是由于船长或值班人员过度依赖雷达进行避碰航行所致,而雷达上并不能显示暗礁、浅滩、禁入区等海图要素。
如果雷达上能同时显示暗礁、浅滩、禁入区、分道航行区、锚区、捕鱼区、海产养殖区等危险区域,将有助于增强驾驶人员的“位置感”,进而减少由于避免碰撞事故而导致另一事故。
在电子海图上叠加显示雷达录取目标的优点是明显的,驾驶员能立刻判断出移动目标、浮标和其它静止物标。
当在电子海图上看到一个移动目标时,其进一步的动态可以相当精确地预测和判断出来,例如某个移动目标在分道通航区域内航行时接近分道通航转向点时,或驶向引航员登船区域或锚地时,或驶向海滩而需要掉头时等等[8]。
如果有这些雷达图象显示在ENC上,驾驶人员就能相当准确地预测目标的动态。
而在传统的ARPA上设有这些辅助信息,因此很难判断目标下一步的行为。
7结束语
船用雷达作为船长的眼睛,其在船舶实践中的作用,大大推进了航海事业的发展,使航海向着更加安全更加科学的方向发展。
随着科技的进步,各种各样的航海仪器应运而生,在航海实践中扮演者各种各样的作用。
随着全球定位系统、遥感和地理信息系统的不断完善与相互结合,船用雷达必将在导航和定位系统中发挥出更快速、更全面、更精确作用。
鸣谢
毕业论文从选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节,得到詹博峰老师的悉心指导和帮助,在我学习期间不仅传授了做学问的秘诀,还传授了做人的准则,这些都将使我终生受益。
在本文即将完成之际,特别要对我的导师致以最诚挚的谢意。
同时衷心的感谢我们航海系老师给我的孜孜不倦的教诲和指导。
在即将毕业、奔赴新前程之即,今后漫漫的人生路上,愿我在学习和工作过程中,取得更加丰厚的成果,再次向那些给了我无私指导和帮助的老师、同学和朋友表示衷心的感谢!
参考文献
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[2]范少勇.雷达的操作与模拟器和ARPA.广东人民出版社,2009
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[4]江德潘.船用导航设备使用指南.人民交通出版社1993
[5]郭禹.航海学.大连海事大学出版社,2005
[6]鲍琳、徐超.浅析21世纪的船用雷达.广船国际技术中心,2007
[7]高向阳、季本山、张尧.21世纪的船用雷达.船舶科技动态,2000
[8]卫奋.50年来雷达的发展.船舶科技动态,1999
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- 雷达 船舶 定位 导航 中的 应用