王 斌

（中國(guó)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(jiǎn)稱ARPA，亦即“自動(dòng)避碰系統(tǒng)”是以分析過(guò)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(cè)出相對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(píng)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(shì)，通過(guò)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。現(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(cè)定來(lái)船數(shù)據(jù)為

1）將雷達(dá)測(cè)定的來(lái)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(lái)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(tái)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(tái)劃分為態(tài)勢(shì)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(duì)平臺(tái)參數(shù)進(jìn)行初始設(shè)定、輸入初始態(tài)勢(shì)、管理目標(biāo)信息、設(shè)定避碰模式和顯示方式。

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

3）避碰標(biāo)繪模塊：用于對(duì)當(dāng)前態(tài)勢(shì)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(shì)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(shì)。

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(guò)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(guò)程

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)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(jiǎn)單且能夠直觀地為操縱者提供當(dāng)前態(tài)勢(shì)，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(duì)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(guó)清，賈欣樂(lè).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(cè)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.