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        基于ARPA算法的航海應(yīng)用研究*

        2012-10-16 08:04:20
        艦船電子工程 2012年4期
        關(guān)鍵詞:操縱者標(biāo)繪極坐標(biāo)

        王 斌

        (中國人民解放軍海軍蚌埠士官學(xué)校航海教研室 蚌埠 233012)

        1 引言

        自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀譯自英文Automatic Radar Plotting Aid簡稱ARPA,亦即“自動(dòng)避碰系統(tǒng)”是以分析過去的雷達(dá)信息為基礎(chǔ),依靠本船行動(dòng)的變化提前預(yù)測出相對運(yùn)動(dòng)的變化。目前船舶上大多裝備的ARPA是矢量型,即DARPA。它是在目標(biāo)被錄取后,計(jì)算機(jī)即對其進(jìn)行自動(dòng)跟蹤,約30s后,在顯示屏幕(Plan position indicator-PPI)上以目標(biāo)所在的位置為起點(diǎn),出現(xiàn)目標(biāo)的速度矢量,矢量時(shí)間連續(xù)可調(diào),既可以顯示相對運(yùn)動(dòng)速度矢量,也可以顯示真運(yùn)動(dòng)速度矢量,并能以數(shù)字方式顯示DCPA、TCPA和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素,這種類型的顯示與傳統(tǒng)的標(biāo)繪方法相似,海員在使用時(shí)也較方便[1]。但是D-ARPA存在的不足是:首先,不論變向還是變速避讓,必須進(jìn)行試操縱,操作過程耗時(shí),程序復(fù)雜,不直觀;其次,屏幕上不能直觀顯示DCPA、TCPA;另外,不能實(shí)時(shí)確定避讓決策和實(shí)時(shí)評估和直觀顯示避讓決策的有效性。

        本文設(shè)計(jì)了一種能夠直觀地為操縱者提供當(dāng)前態(tài)勢,通過調(diào)整機(jī)動(dòng)船的速度矢量,以可視化的方式為操縱者提供避碰決策依據(jù)的雷達(dá)避碰算法。

        2 自動(dòng)避碰系統(tǒng)算法[7]

        2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換算法

        坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法是進(jìn)行雷達(dá)避碰繪算的基礎(chǔ),用于羅盤坐標(biāo)系和笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的算法可以以極坐標(biāo)作為中介進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換?,F(xiàn)將算法描述如下

        1)羅盤坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo):

        2)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)(直角坐標(biāo)):

        3)將笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo):

        4)將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為羅盤坐標(biāo):

        2.2 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素提取算法

        表1 目標(biāo)要素

        設(shè):本船要素為:(CT,V),雷達(dá)測定來船數(shù)據(jù)為

        1)將雷達(dá)測定的來船數(shù)據(jù)(羅盤坐標(biāo))轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo):

        2)計(jì)算時(shí)間區(qū)間[T1,T2]內(nèi)我船速度矢量的反矢量:

        式中:Span(T2,T1)為計(jì)算時(shí)間間隔的函數(shù)。

        3)繪算來船的運(yùn)動(dòng)要素:

        2.3 避碰要素繪算算法[4,8]

        2)求∠A1′C′B′和∠A2′C′B′

        圖1 避碰要素繪算圖解

        3 基于算法的航海應(yīng)用舉例

        3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)[5~6]

        在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)和算法的驗(yàn)證之后,ARPA系統(tǒng)平臺采用結(jié)構(gòu)化的程序構(gòu)建方法,根據(jù)相應(yīng)的功能要求將平臺劃分為態(tài)勢繪算模塊、避碰繪算模塊、顯示模塊、交互模塊和擴(kuò)展接口模塊五個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2。

        圖2 拓展ARPA算法系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

        1)交互模塊:用于對平臺參數(shù)進(jìn)行初始設(shè)定、輸入初始態(tài)勢、管理目標(biāo)信息、設(shè)定避碰模式和顯示方式。

        2)態(tài)勢繪算模塊:用于對由拓展接口模塊輸入的初始態(tài)勢進(jìn)行標(biāo)繪,對各目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)要素和碰撞威脅級別進(jìn)行計(jì)算和標(biāo)繪,對DCPA和TCPA進(jìn)行計(jì)算和標(biāo)繪。

        3)避碰標(biāo)繪模塊:用于對當(dāng)前態(tài)勢下的各目標(biāo)根據(jù)設(shè)定的安全圓半徑(DCPA0)和標(biāo)繪時(shí)延(Span)進(jìn)行避碰繪算。

        4)顯示模塊:用于顯示當(dāng)前態(tài)勢下各目標(biāo)繪算結(jié)果并根據(jù)避碰顯示設(shè)定標(biāo)繪在艦操圖上。

        5)拓展接口模塊:用于接受界面輸入或雷達(dá)點(diǎn)跡線性擬合程序的目標(biāo)初始態(tài)勢。

        3.2 基于上述拓展算法的船舶接近到相遇機(jī)動(dòng)的ARPA實(shí)踐過程[3]

        為了保證本文所設(shè)計(jì)的算法的可操作性,選取現(xiàn)在船舶普遍使用的RM-1290雷達(dá)組合的自動(dòng)避碰系統(tǒng)進(jìn)行具體的操作步驟闡述。操作步驟如圖3所示。

        圖3 拓展ARPA算法操作過程

        4 結(jié)語

        針對目前船舶大多裝備的D-ARPA雷達(dá)計(jì)算出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)矢量操作復(fù)雜,不夠直觀的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一種操作簡單且能夠直觀地為操縱者提供當(dāng)前態(tài)勢,并能實(shí)時(shí)為操縱者提供避碰決策的雷達(dá)避碰算法,對船舶操縱者保證航行安全,有重要意義[2]。

        [1]姚洪濱.航海學(xué)[M].北京海潮出版社,2001:56-67.

        [2]王世遠(yuǎn).航海雷達(dá)與ARPA[M].大連海事大學(xué)出版社,1998:23-24.

        [3]石侃.雷達(dá)標(biāo)繪自動(dòng)化模塊算法研究[C]//船舶航泊實(shí)踐研究論文集,2010:123-126.

        [4]熊和金,劉祖源.船舶避碰控制系統(tǒng)模型研究[J].武漢造船,2000,6(3):48.

        [5]程啟明,馬如宏.船舶自動(dòng)航行系統(tǒng)[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào),1999,12(3):67-68.

        [6]齊國清,賈欣樂.船舶綜合導(dǎo)航系統(tǒng)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),1998,24(1):31-32.

        [7]張文濤,譚毅華,余晉剛.橋區(qū)運(yùn)動(dòng)船舶的檢測和跟蹤[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2011,39(10).

        [8]姚杰,吳兆麟,方祥麟.船舶碰撞危險(xiǎn)的模糊決策[J].大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào),1998,13(2):16.

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