导航雷达作为一种助航设备,很早就受到人们的重视。早在80年代初期,国际海事组织(IMO)就规定雷达(或ARPA)应作为舰船导航的必备设备之一。早期的导航雷达功能十分有限,仅在显示屏幕上显示出岸线、航道及其它船舶的位置情况。相对运动的船舶,特别是在狭水道中,往往容易发生碰撞,而为避免碰撞所进行的设计和作图都是在纸海图上进行的,不仅速度慢,而且精度低。随着现代科技的发展,雷达的功能有了显著的提高。例如,80年代出现了雷达自动标绘仪(ARPA),它促进了避碰装置的发展,完善了其功能,自动化程度进一步提高。同时,雷达对于雨、雪以及海浪等雷达杂波的抑制和提高目标的可视性方面也有了很大的进展。更为引人注目的是彩色光珊扫描显示器代替了传统的PPI显示器,突出了其亮度高、色彩丰富的特点。
尽管雷达对于探测水面目标的能力得到不断加强,但它对水下目标却无能为力,这是雷达系统本身所无法克服的缺点。当本船处于暗礁、浅水区等危险情况下,单独使用雷达导航是危险的.这无疑使得导航雷达的使用受到了限制。解决这一问题的传统办法是在监视雷达显示器的同时,配合观测纸海图,但这种方法受人为因素影响较大,自动化程度不高,也影响了避碰决策的可靠性。然而,雷达与纸海图配合使用的方式却给了我们有益的启示,如果能够在同一台监视器上既显示海图背景又显示雷达图象,问题就会迎刃而解。随着电子海图导航系统的出现,在电子屏幕上再现传统的纸海图已成为可能,这就为雷达图象和海图的叠加显示提供了技术保障。
1电子海图导航系统简介
纸海图的使用有着非常古老的历史,它是海上安全航行所必备的工具之一。随着科学技术的发展,其精度、可靠性以及现实性都得到不断提高。80年代初,计算机及其相关彩色显示命的发展,使得将纸海图数字化并显示在电子屏幕上成为可能。为区别于纸海图,这种在计算机屏幕上显示的海图被称为电子海图E(lectroincsChart)。基于电子海图的导航系统被称为电子海图导航系统。
电子海图是一种数字形式的导航资料,它以数字和图象的形式来表示海图信息,可以用来做计划航线、确定船位、绘制航迹等。电子海图的优越性体现在它可以从两个方面来改善纸海图的功能:第一,它可以分层显示,即有选择地显示地形特征,将杂乱的图象整理清晰。第二,把雷达、避碰装置和卫星定位系统(或罗兰)组合起来,可为导航员提供纸海图无法提供的动态和实时导航服务。
电子海图不是单纯地将纸海图“拷贝”到电子屏幕上,它必须具有一种特殊的数据结构,以使海图上的信息与实际地理信息建立起一一对应关系,可以认为电子海图是由具有位置坐标的点(交点),连接那些点的直线(或曲线)以及线围成的面(多边形)构成的。海上目标(海、陆地、灯塔、浮标、限制区、航路等)一定由点、线、面组成;反之,海图上的任一点一定属于某个目标。根据这一特点,可以很方便地查询海图上的点是否为安全点,某海域是否为安全海域等。
2雷达图象与电子海图的叠加显示
.21叠加显示的必要性
自动雷达标绘仪进行避碰操作的一般步骤如下:
(l)捕获目标。当雷达探测到本船周围的目标船后,以人工或自动方式进行捕获。这时,将目标船的相对方位和距离信号送到计算机进行计算,同时将雷达的信息模拟量转换成数字量,进行抑制噪声处理,并将目标船位置变化数据送到计算机,便于计算相对速度。
(2)跟踪目标并进行标绘。
(3)相碰撞估计。计算目标的速度、航向、CPA、TCPA等,并将其与设定的CPA、TCPA相比较,判断是否有相撞的危险。
(4)在存在危险的情况下,进行避碰导航计算,给出转向范围或减速命令。图1是ARPA避碰的程序框图。从以上避碰的判断过程来看,由于没有考虑到本船周围的水下目标(如暗礁、潜水区)对于本船的影响,因此在执行转向命令时,可能进入暗礁区,使本船的安全受到威胁,所以单独使用雷达(或ARPA)进行避碰决策有时是危险的。
2.2雷达图象与电子海图的盈加方式
在彩色显示器上,以电子海图为背景,叠加显示雷达图象被认为是最有效的叠加显示方式,其系统的硬件组成如下:
数字转换器接收雷达触发信号、对数视频信息和同步信息,将每个距离单元的对数视频信息和峰值转换成具有64级分辨力的数字码。模数转换器是高速LSI块,具有30MH取样:频率、s分辨m率,将重要距离上的信息强度值送入缓冲器,再以适合所用微处理机直接存取卡的速率移出,然后微处理机将这些极坐标系数据转换成直角坐标图象,并在监视器上显示出来,同时电子海图处理器将本船周围的海图背景显示在监视器上。硬件采用34020图形显示卡,该显示卡具有voer!ay结构,可以使雷达图象显示的优先级高于电子海图,即雷达图象不会被海图背景所遮盖。一般系统中,每s2或s4使两幅图象叠加显示更新一次。
在叠加过程中,有两点需作说明:
(l)为了不影响电子海图的正常显示,应使用一个开关来控制雷达图象的叠加,可以根据需要随时显示或取消雷达图象。图2.硬件系统
(2)在港口或复杂海域,由于目标繁多,电子海图与雷达图象的叠加显示可能会造成混乱的感觉。这种情况下,可对海图进行分层显示,以减少不必要的信息。表1是一种在不同海域的分层建议。
2.3雷达图象与电子海图的叠加显示对导航系统功能的改善
以海图为背景,叠加雷达图象的显示方式可以从以下两个方面增强导航系统的功能:
(l)提高避碰能力;(2)增加导航定位精度。
2.3.1提高避碰能力
海图背景、本船船位以及本船周围物仁一雷达图象的组合显示构成了安全航行所需的全部组合信息。在海图上表示本船位置意味着由浅滩或海底障碍物所引起的危险是一目了然的。同时,在同一屏砖上表示雷达图象意味着来自海上物体引起的危险也是清晰可见的。因此,当遇到海底危险物或雷达目标时,看见相对于目的地或转向点的本船位置,看见沿航线的航道和助航标志.可以清晰地反映如何选择航路,这是提供给导航系统的一种最新组合,这种组合允许操作人员在同一个显示器上观察到整个态势,能集中精力判断选择适当的行动。
当船上雷达仁用雷达自动标绘仪(ARPA)时,雷达图象与海图的组合显示将更为有效。假如ARPA的符号和方向显示在电子海图上,并且由ARPA显示避碰机动过程,用户可以判断出所设计的航路是否安全。图3是改进后的ARPA避碰程序框图
2..32增加导航定位精度雷达图象与电子海图的组合可以提高导航定位的精度。下面的讨论是基于雷达图象与电子海图具有相同的朝向而进行的。例如,都朝正北,雷达图象的中心是船的当前位置,而电子海图的中心是用电子定位系统测出的船位中心。从理论上讲,如果电子定位是精确的,那么,雷达图象和电子海图上的岸线、浮标及其它制图物体就会叠加得很吻合。
在典型的港口或港口附近,雷达岸线的变化是复杂的,观察者需要从许多位置判断两幅图象的重合质量。如果根据其中一幅图象可以手动控制移动另一幅图象,且以这种方式使两者重合,即可大量消除定位系统的任何误差。一旦两幅图象重叠好,手动输入的修正值将适当保持一段较长距离,如1或Znmile,直到确实需要重新进行调整为止。
3结束语
电子海图的出现使得舰船导航系统的发展达到了一个崭新的阶段,雷达图象与电子海图的叠加显示可以有效地弥补单独使用雷达(或ARPA)的局限性,有效地提高了船舶避碰能力和导航定位精度,这种组合方式是最有前途的发展方向之一。
