ARPA理论

2013/3/712013/3/72普通船用雷达用于船舶避碰的局限性一、普通船用雷达在船舶避碰中的应用◆船舶避碰包含“预测”和“避让”两个涵义。预测:预测本船与相遇船在何时（何处）会存在碰撞危险。避让:本船对危险船采取的避让机动。问题：单纯依靠船用雷达提供的信息能否协助船舶避碰？2013/3/73一、ARPA系统的组成及工作概况1．ARPA系统的组成输入/输出接口雷达罗经计程仪A/D转换和回波预处理跟踪器主处理器ALARMDATAPPI外存器2013/3/74输入/输出接口雷达罗经计程仪A/D转换和回波预处理跟踪器主处理器ALARMDATAPPI外存器2013/3/75图2-1-6ARPA系统自动标绘避碰流程图计程仪雷达陀螺罗经传感器信号预处理与目标检测录取超过规定数量溢出报警录取目标逐个/全部清除跟踪器连续跟踪已录取目标计算航行及避碰数据分解每个速度三角形及避碰三角形设置MINCPAMINTCPA危险船？设置安全判裾碰撞危险判断NO保向、保速YES试操船报警（声光）改向或变速报警解除试操船航向、航速避碰规则改向指令改向变速指令2．ARPA系统工作概况2013/3/763.ARPA分类和特点依据结构来分类雷达显示器与ARPA器分开，设备多，价格贵。组合式ARPA雷达与ARPA合用一个显示器，但ARPA显示故障易影响到雷达显示器。分立式ARPA依目标显示态势以矢量线显示目标动态图示型ARPA以PAD（预测危险区）显示目标动态PAD——PredictedAreaofDanger矢量型ARPA2013/3/77矢量型ARPA用矢量表示被跟踪目标的动态，可分为真矢量/相对矢量。相对矢量(R.V.)真矢量(T.V.)2013/3/78图示型ARPA（予测危险区PAD）2013/3/79依显示扫描方式分类一般为低亮度显示光栅扫描ARPA容易实现高亮度显示圆扫描ARPA2013/3/710二、二、ARPAARPA基本工作原理基本工作原理1．各种传感信号的预处理——杂波处理恒虚警处理用杂波干扰及原始视频的积分均值，作门限电平（又称自适门限处理）此方法对随时间缓慢变化的噪声杂波和雨雪干扰杂波抑制效果较好，但对随机的海浪干扰抑制效果不理想，同频干扰则无法抑制。CFAR处理效果岛海杂波船（a）原始视频（b）CFAR偏压（c）CFAR视频OOOututut雨雪杂波船2013/3/7112、综合解相关处理信号相关，干扰不相关。对海浪干扰、同频干扰处理效果较好。2013/3/712二、雷达图像的数字化处理方位量化距离量化回波强度量化011111000011111102013/3/713罗经信号和计程仪信号的数字化⑴罗经量化⑵计程仪脉冲式/触点式R2R1R0C1C018090450.088MSBLSB①轴角编码器法；②专用同步机加A/D转换器法。2013/3/7142、目标自动检测、录取和跟踪理想的目标录取应包括：目标初始位置数据（距离、方位）及目标初始特征参数。人工录取人工/自动20个优：（1）目的性明确，依优先顺序逐个录取。（船首近距离、右、左）（2）可人工清除。缺：⑴费时，录取速度慢，多目标易措手不及；⑵可能漏掉危险目标；⑶需要连续观测，驾驶员工作强度大。2013/3/715自动检测目标滑窗检测和小滑窗检测。MOON准则N大、M小时，容易发生误检（虚警）N大、M大时，容易发生漏检（漏警）N小、M小时，容易发生漏警和虚警2013/3/716接收机输出杂波处理与信号检测目标发现距离编码距离时钟同步信号方位编码时间编码方位脉冲“0”方位脉冲时钟脉冲排队控制缓冲器至计算机其他特征参数自动录取2013/3/717优：方便、迅速。缺：随机性、无重点（用排队控制）；虚假录取（干扰、陆地、岛屿等）1、选择优先度以CPA和TCPA值大小选择优先度。2、设置优先区ⅠⅡⅡⅢ2013/3/7183、设置限制区（拒绝录取区）为提高自动录取的目的性和录取速度。4、设置警戒区ARPA对正在闯入警戒区的目标自动录取和跟踪，对已处在警戒区内目标不报警，不录取。目前ARPA录取容量为20~30个。录取精度：距离精度20m，方位精度0.1°。录取速度(初始录取至建立跟踪所需时间)1~3min，录取分辨力：30~50cm。2013/3/719实现ARPA自动跟踪的方法预测加修正检测修正予测2013/3/720跟踪窗是个扇形窗，跟踪窗大，易跟踪，不易丢失目标，但跟踪分辨率低；跟踪窗小，不易跟踪，易丢失目标，但跟踪分辨率高，不易发生误跟踪。窗在跟踪过程中：大→中→小→稳定跟踪。天线10/5次2013/3/721●——次采样实测位置；：第nnx)(◈——次采样预测位置；：第nnxp)(△——次采样平滑位置；：第nnx)(△)1(nx◈)(nxp)1(nx△)(nx●)(nx)]()([nxnxp)(nx◈)1(nxp)1(nx)]()([nxnxTp●)1(nx△)1(nx)]1()1([nxnxp◈)2(nxp2013/3/7222、影响自动跟踪性能的因素影响取值对跟踪系统性能的、）1取值法、滤波器的—常增益)1(对应关系选择法、滤波器的—变增益)2(取值法、自适应跳变的)3(取大值适用于：、◆①初始跟踪阶段；取小值适用于：、◆①稳定跟踪时；②目标做快速大幅度机动时期②目标无机动或机动速率很小③目标跟踪丢失、系统进行惯性外推时期（应均取0）2013/3/723跟踪波门尺寸对跟踪性能的影响AGS——方位门开始RGS——距离门开始△R——窗深△A——窗宽◆扇形窗在录取目标时，称录取波门，在建立航迹进入跟踪后，称跟踪波门（跟踪窗），简称波门。2013/3/724◆ARPA常用的两种方法：（1）按目标尺寸自动调节（2）如图示方法。2013/3/725自动跟踪存在的问题1、目标丢失目标太弱/强干抗区/机动过大/出现特大误差。海浪区内丢失率不大于7％，海浪区外丢失率不大于5％。2、目标调换（误跟踪）在船舶密集区/沿海航行⑴被跟踪目标进入强海浪区；⑵近目标同向行驶；⑶已跟踪的弱目标驶近未跟踪的强目标；⑷两被跟踪目标相对驶近；⑸被跟踪目标靠近岸边并转向（矢量上岸）。2013/3/726◆两个或两个以上目标落入同一个波门而引起跟踪错误的现象。◆常见下列几种：1）被跟踪目标进入强海浪区而误跟踪海浪2）2013/3/7273）两个靠近，同向行驶的目标；2013/3/7284）两个被跟踪目标的对驶靠近时；5）当一被跟踪目标航行到靠近、并转向时将会发生跟踪到陆地，出现“矢量上岸”2013/3/729调换应采取的措施⑴跟踪窗重叠时停止跟踪，分开再恢复。⑵拒绝跟踪正在逼近另一个正被跟踪目标的目标。⑶录取最靠近窗中心的目标。多目标跟踪的处理方法⑴船舶密集区用小窗跟踪，为常规的1/4。⑵同一方位出现多个目标时，仅录取最近一个；从近至远依次录取。处理延时1min/3min2013/3/7302013/3/731目标参数的计算及碰撞危险判断目标的六大参数距离、方位、航速、航向、CPA、TCPA。PPC(可能碰撞点)本船保速，目标保速保向，目标和本船可能发生碰撞的位置。2013/3/732VRVTV0所求航向现在航向2013/3/733现在航向所求航向1所求航向2V0≥VT,1个PPCVTSinθV0VT,2个PPCVTSinθ=V01个PPCVTSinθV0无PPC2013/3/734T2T1CBDWAV0所求航向范围跟踪线现在航向NSHMCPAPKMNPPCNVTVRMINCPATO2013/3/735碰撞危险的判断CPA＞MINCPA安全船不报警CPA≤MINCPA危险船TCPA＞MINTCPA不报警TCPA≤MINTCPA报警（立即/非常危险船）2013/3/736不同显示方式的判断真矢量矢量末端重合相对矢量相对矢量通过最小CPA等距圆2013/3/737PAD显示方式航向线穿过PAD，则有碰撞危险。2013/3/738ARPA显示内容1．数据显示本船：航速，航向。目标：六大参数——方位、距离、真航向、真航速、CPA、TCPA。附加内容：矢量时间/历史航迹时间/相对速度/目标过船头距离、时间、流速、流向及故障指示等。2013/3/7392．符号显示（1）定性符号录取符号：□、◈；危险符号：△、*）；（2）定量符号真矢量/相对矢量⑶图示符号PPC，PAD，警戒区，跟踪窗，限制线等。(4)数字和字母“T”/“TRIAL”/“SIM”2013/3/7402013/3/7411）相对矢量——RV◆特点（征）①本船无RV显示，同向同速船也无RV显示②固定或运动目标显示RV③RV延长垂足——CPA、TCPA（估计）◆适用场合：●快速判断本船与所有目标是否存在碰撞危险ARPA各种显示方式、特点及选用2013/3/7422013/3/743真矢量——TV◆特点（征）①本船与运动目标均显示TV②当CPA=0时：◇TV延长线与SHM交点→PPC（在SHM上）；◇本船TV与目标TV延长，其矢端重叠。③用TV及真运动尾迹→判断目标是否机动④固定物标没有TV（无风流影响）若有TV——为对水真矢量（有风流影响）修正方法：（只装有对水计程仪——导航时）◇手动修正（manual-drift）◇ARPA自动修正（Auto-drift）◆适用场合：可观察目标真航向、真航速及目标态势角、有助于作出正确的避让决策。→对地TV2013/3/744◆综合显示的组合模式如下：2013/3/745◆对于没有船首向上（H-UP）的ARPA，实际只有八种组合显示模式2013/3/746ARPA的自测试和自动报警一、自测试１、用机内诊断程序自检有些ARPA设有测试图、测试目标、测试视频信号等。⑴测试图××●⑵测试目标（“×”标志）测试目标初始数据为５海里／４５度，ＣＰＡ１海里，ＴＣＰＡ２０分钟。３分钟后，ＴＣＰＡ为１７分钟。2、用TEST启动自检2013/3/747若某一指示灯不亮，说明此项功能有错或指示灯坏。二、自动报警1、报警种类⑴⑴设备报警（电源故障；自检故障；数据显示器故障；PPI显示器故障；其他故障）。⑵工作报警（CPA、TCPA报警；航迹变化报警；警戒区报警；已跟踪目标丢失报警；录取目标总数超过额定值；操作错误；走锚）。2、报警方式视觉/听觉/符号/数据。2013/3/7482013/3/749试操船功能实际操纵前，计算机模拟显示操船后的结果，有些ARPA具有“直接询问安全航向”功能。试操船概念一、试操船方法方法输入模拟航向、航速。显示特点⑴仅保留30秒后自动返回。⑵“T”、“TRIAL”“SIM”。⑶试操时，不中断跟踪、计算和报警。2013/3/750不同模式的试操船相对矢量（R.V）真矢量（T.V.）2013/3/751PAD型ARPA2013/3/752试操船显示特征（结合IMO要求）1、在荧光屏的下方有提示：“T”、或“SIM”或“TRIAL”2、试操船不宜太长时间：有的ARPA自动回复到正常显示。3、在试操船中，不能中断对已有跟踪目标的跟踪与计算。2013/3/753试操船延迟时间延迟时间表示实际操船的时间，人工控制试操延迟量。试操船的局限性1、试操船未考虑避碰规则；2、仅对已跟踪目标有效；3、很多ARPA无试操延迟功能和操纵特性模拟；4、未考虑到目标机动；5、仅仅为一种数学模拟，并不能和实际情况完全一致。2013/3/754AIS报告目标2013/3/755AIS目标与ARPA目标在ARPA显示器上的融合2013/3/756附加功能2013/3/7572013/3/758ARPA的优点及局限性2013/3/759影响ARPA性能和精度的因素一、传感器误差1、雷达误差⑴测距误差（目标闪烁、摇摆误差、量化误差、脉冲波形误差）。⑵测方位误差（目标闪烁、齿隙误差、摇摆误差、波形形状、量化误差）。2、陀螺罗经不大于0.5°。3、计程仪误差不大于0.5kn2013/3/7601、对相对速度矢量的影响雷达距离、方位误差影响到目标方位、距离、相对矢量、CPA和TCPA；