龔安祥 劉加釗

利用雷達(dá)圖像疊加增進(jìn)ECDIS導(dǎo)航安全*

龔安祥 劉加釗

船舶駕駛?cè)藛T不僅要熟悉和掌握ECDIS的性能和功能，還應(yīng)該利用一些有效的瞭望手段和獨(dú)立于該系統(tǒng)的方法檢驗(yàn)其有效性和可靠性。使用ECDIS中的雷達(dá)圖像疊加功能，可以實(shí)時(shí)快速有效地驗(yàn)證ECDIS的性能。分析雷達(dá)圖像疊加顯示的特點(diǎn)，并利用雷達(dá)圖像疊加核對(duì)船位和羅經(jīng)差，以期幫助駕駛員利用該功能增進(jìn)航行安全。

ECDIS；RADAR；疊加雷達(dá)圖像；導(dǎo)航安全

一、引言

電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）是繼航海雷達(dá)/ARPA之后在船舶導(dǎo)航方面又一項(xiàng)偉大的技術(shù)革命，徹底改變了船舶駕駛員的船舶導(dǎo)航方式，會(huì)逐步取代傳統(tǒng)紙質(zhì)海圖。ECDIS是智能化的“海圖”，能夠自動(dòng)檢測(cè)海圖中的淺水區(qū)、礙航物以及其他禁止船舶進(jìn)入?yún)^(qū)域等，通過設(shè)置安全等深線、安全水深、船舶偏航報(bào)警、擱淺預(yù)警等，可以極大地提高航線設(shè)計(jì)、航行監(jiān)控以及避碰決策的自動(dòng)化程度。[1]ECDIS作為船上強(qiáng)制性配備的設(shè)備，將按船型、噸位從2012年至2018年逐步裝船，[2]因此駕駛員應(yīng)當(dāng)熟悉使用作為船舶導(dǎo)航核心的ECDIS，并且能夠及時(shí)有效地處理ECDIS的錯(cuò)誤及故障。

ECDIS是將各種信息源的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在一個(gè)顯示器上的綜合導(dǎo)航信息系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)包括電子海圖數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)（如定位系統(tǒng)、羅經(jīng)、計(jì)程儀、雷達(dá)圖像、雷達(dá)目標(biāo)、AIS、測(cè)深儀、風(fēng)速風(fēng)向儀）等。ECDIS是船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的核心設(shè)備，船舶導(dǎo)航雷達(dá)也在導(dǎo)航中起著重要的作用。將雷達(dá)圖像疊加顯示在ECDIS上，不僅可以提高避碰能力，還可以提高導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。ECDIS性能標(biāo)準(zhǔn)MSC.232（82）中對(duì)雷達(dá)的要求為：傳輸?shù)睦走_(dá)信息可包含雷達(dá)圖像和/或跟蹤目標(biāo)信息。如果雷達(dá)圖像疊加到ECDIS顯示中，兩者在顯示比例、投影方式及指向上應(yīng)相匹配。雷達(dá)圖像和船位（來自船位傳感器）應(yīng)根據(jù)天線與駕駛位置的偏移量自動(dòng)調(diào)節(jié)。[3]

二、雷達(dá)圖像疊加顯示的特點(diǎn)

將雷達(dá)圖像疊加顯示在海圖上，并不僅僅是在ECDIS上查看重復(fù)的雷達(dá)圖像，還可以驗(yàn)證整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的正確性。利用該功能，可以快速地根據(jù)雷達(dá)回波圖像與海圖上的岸形是否匹配來判斷船位的準(zhǔn)確性及儀器的工作狀態(tài)。雷達(dá)與ECDIS的集成技術(shù)包括數(shù)字NMEA傳輸及雷達(dá)處理器兩種。數(shù)字NMEA傳輸技術(shù)是將船舶導(dǎo)航雷達(dá)中的跟蹤目標(biāo)TT傳輸并疊顯在ECDIS上。雷達(dá)處理器技術(shù)是對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行信號(hào)處理并疊加顯示在ECDIS上，如圖1 所示。

圖1 ECDIS中的雷達(dá)圖像疊加

雷達(dá)自身特性導(dǎo)致有些物標(biāo)回波與ECDIS中顯示的海圖信息不能完全一致，筆者在培訓(xùn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，不少駕駛員無法解釋這些現(xiàn)象，并產(chǎn)生很多疑問甚至誤解，因此有必要進(jìn)行詳細(xì)說明，從而警示駕駛員在使用過程中對(duì)該現(xiàn)象加以注意。使用雷達(dá)圖像疊加到ECDIS上時(shí)，應(yīng)注意以下現(xiàn)象：

圖2 不同脈沖寬度下燈浮的回波顯示

（1）點(diǎn)狀物標(biāo)的顯示。雷達(dá)回波圖像存在方位擴(kuò)展和徑向擴(kuò)展。方位擴(kuò)展主要跟雷達(dá)的水平波束寬度有關(guān)，天線物理尺寸越大，水平波束寬度越窄，方位擴(kuò)展越小，船用導(dǎo)航雷達(dá)的水平波束寬度一般為1°左右。因此，燈浮等點(diǎn)狀物標(biāo)，其雷達(dá)回波顯示為1°的寬度，距離本船越遠(yuǎn)，回波寬度越大。如當(dāng)該燈浮距離本船2海里時(shí)，其回波圖像在海圖上顯示的寬度約為32米。雷達(dá)徑向擴(kuò)展主要跟雷達(dá)脈沖寬度有關(guān)，短脈沖約50納秒，徑向擴(kuò)展約15米；長脈沖則徑向擴(kuò)展更大。ECDIS上疊加的雷達(dá)圖像如點(diǎn)物標(biāo)燈浮，顯示的尺寸要比實(shí)際物理尺寸大得多。因此駕駛員應(yīng)掌握雷達(dá)圖像的顯示特點(diǎn)，點(diǎn)狀物標(biāo)其真實(shí)位置位于回波中間的前沿，如圖2所示，（a）為短脈沖時(shí)燈浮的回波顯示，（b）為長脈沖時(shí)燈浮的回波顯示。若雷達(dá)圖像回波中間前沿的位置與海圖上的燈浮位置（若沒有移位）較吻合，則可說明當(dāng)前船位準(zhǔn)確；若出現(xiàn)不吻合的情況，則需要駕駛員核對(duì)船位和燈浮是否移位等，確保航行安全。

（2）不同夾角岸線的顯示。雷達(dá)圖像方位擴(kuò)展的特點(diǎn)對(duì)岸線的顯示也有不小的影響。如圖3所示，圖中標(biāo)注為A的范圍即船位與岸線成銳角時(shí)，顯示為擴(kuò)展的圖像，與岸線不吻合；標(biāo)注為B的范圍即船位與岸線成直角時(shí)，沒有擴(kuò)展現(xiàn)象，和岸線較為吻合。當(dāng)船舶沿著海岸線航行時(shí)，駕駛員可以信賴船位與岸線成直角附近的回波來導(dǎo)航。而船位與岸線成銳角時(shí)，將會(huì)有不可忽略的誤差。

（3）不同坡度岸線的顯示。雷達(dá)反射回波大多來自陡峭的岸線或者大量的岸上物標(biāo)，而平緩的沙灘產(chǎn)生較差的反射，一些平坦的沙灘并不產(chǎn)生回波；有些地方的潮差太大，實(shí)際岸線與海圖表示的岸線存在較大出入，使得雷達(dá)圖像不能與岸線完全匹配。如圖4所示，兩側(cè)都為平坦的岸線，雷達(dá)回波會(huì)顯示在陸地上。當(dāng)遭遇類似情況時(shí)，應(yīng)使用海圖或視覺瞭望了解岸線的平緩陡峭情況，以判斷雷達(dá)圖像疊加是否正常。駕駛員應(yīng)特別注意的是，在核對(duì)岸線回波時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)核對(duì)顯著物標(biāo)的雷達(dá)圖像，如陡峭的岬角、燈塔等。

圖3 不同夾角岸線的回波顯示

圖4 平坦岸線的回波顯示

三、利用雷達(dá)圖像疊加核對(duì)船位

由于ECDIS能夠?qū)PS船位實(shí)時(shí)顯示在電子海圖上，往往使得駕駛員形成了過分信賴ECDIS上的顯示船位的習(xí)慣，而這存在極大的安全隱患。錯(cuò)誤的輸入導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出，ECDIS是以顯示船位來計(jì)算導(dǎo)航數(shù)據(jù)的，所以顯示船位錯(cuò)誤時(shí)，其導(dǎo)航數(shù)據(jù)也是錯(cuò)誤的，這樣會(huì)導(dǎo)致船舶發(fā)生危險(xiǎn)甚至海難事故。如圖5中所示，該船船位準(zhǔn)確且走在航線上，正確的航跡向?yàn)?83.4°。若此時(shí)顯示船位有向南偏0.5海里的誤差，則如圖6所示，其指示的航跡向?yàn)?70.9°，顯然如果繼續(xù)保持原航跡向070.9°航行的話，船舶將穿越分隔帶，進(jìn)入反向航道。因此經(jīng)常校驗(yàn)ECDIS顯示船位的準(zhǔn)確性，是使用ECDIS安全導(dǎo)航的必要條件。鑒于ECDIS顯示船位對(duì)航行安全的重要性，港口國監(jiān)督（PSC）對(duì)駕駛員是否有能力使用各種方式交叉確認(rèn)船位進(jìn)行重點(diǎn)檢查。

圖5 船位正常時(shí)的船舶導(dǎo)航數(shù)據(jù)

圖6 船位向南偏離0.5海里時(shí)錯(cuò)誤的導(dǎo)航數(shù)據(jù)

校驗(yàn)船位準(zhǔn)確性的方法除了傳統(tǒng)定位方法，如方位定位、距離定位等外，雷達(dá)圖像疊加也是一種非常好的方法。如果海岸線的雷達(dá)回波與ECDIS的岸線不吻合，出現(xiàn)朝一個(gè)方向偏移，則極大可能是GPS船位誤差造成的，也可能是海圖數(shù)據(jù)由原來坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成WGS84坐標(biāo)系時(shí)產(chǎn)生的計(jì)算誤差造成的，這種可能性非常小。如圖7所示，雷達(dá)回波產(chǎn)生了整體向右的偏移量。若出現(xiàn)這種現(xiàn)象，要用各種方法充分核實(shí)船位，確保安全。

圖7 整體向右偏移的雷達(dá)回波

四、利用雷達(dá)圖像疊加核對(duì)羅經(jīng)差

ECDIS海圖顯示以真北為基準(zhǔn)，理論上不存在方向誤差。雷達(dá)圖像的方向基準(zhǔn)則與羅經(jīng)信號(hào)有關(guān)，輸入陀螺羅經(jīng)信號(hào)的以陀螺羅北為基準(zhǔn)。真北與陀螺北之間的差異，即為陀螺差。陀螺差誤差的大小，取決于陀螺羅經(jīng)校正是否準(zhǔn)確。如圖8所示，雷達(dá)圖像與海圖顯示相比，出現(xiàn)了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，說明該輪的指向設(shè)備存在較大誤差，應(yīng)對(duì)指向設(shè)備誤差進(jìn)行校正。

圖8 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的雷達(dá)回波

五、總結(jié)

船舶駕駛?cè)藛T不僅要熟悉和掌握ECDIS的功能和性能，還應(yīng)該利用一些有效的瞭望手段和獨(dú)立于該系統(tǒng)的方法檢驗(yàn)其有效性和可靠性。[4]使用ECDIS中的雷達(dá)圖像疊加功能，可以有效、快速、直觀地驗(yàn)證ECDIS顯示。船舶駕駛員應(yīng)熟悉雷達(dá)圖像疊加的特點(diǎn)，正確使用該功能，以保證航行安全。

[1]龔安祥.從幾起船舶擱淺事故談ECDIS的使用[J].航海技術(shù),2014(5):43-46.

[2]劉加釗,龔安祥,衛(wèi)桂榮.現(xiàn)有船安裝ECDIS的問題探析[J].世界海運(yùn),2015(8):36-39.

[3]Performance Standard for Electronic Chart and Display System(ECDIS).IMO MSC 232(82)[R].2006.

[4]劉加釗.電子海圖導(dǎo)航的潛在風(fēng)險(xiǎn)[J].航海技術(shù),2008(3):7-9.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.11.009

全國交通運(yùn)輸職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)2015年交通運(yùn)輸職業(yè)教育科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2015A02）；青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目（合同編號(hào)：2015-R-002）

龔安祥（1983—），男，青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院航海系，副教授，碩士。

劉加釗（1973—），男，青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院航海系，副教授，副主任，碩士。